我國黃土高原廣泛分布的黃土是重建過去氣候和磁場變化的良好載體，多年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。經(jīng)過幾十年的努力，針對其物質(zhì)來源已經(jīng)取得了較為全面的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)黃土主要來自沙漠和干旱區(qū)裸露的沉積物，進(jìn)一步的研究表明，黃河流域的沙漠沉積物最終可以追溯至黃河從青藏高原東北部和華北克拉通侵蝕搬運(yùn)的物質(zhì)。理解黃土中磁性礦物的來源和形成機(jī)制是進(jìn)行古氣候和古磁場重建的基礎(chǔ)，相關(guān)研究也已持續(xù)數(shù)十年。過去的研究揭示，粗顆粒的磁性顆粒來自冬季風(fēng)從源區(qū)侵蝕搬運(yùn)的磁性礦物，而細(xì)顆粒的磁性礦物主要是沉積后經(jīng)歷成壤并通過化學(xué)過程在原位生成。然而，針對細(xì)顆粒磁性礦物經(jīng)歷了什么樣的化學(xué)過程而形成不同的學(xué)者具有不同的觀點(diǎn)。利用電鏡尋找磁性礦物生長過程的直接證據(jù)是解譯細(xì)顆粒磁性礦物生長過程的有效手段，過去基于電鏡的研究已經(jīng)產(chǎn)生了一些突破性的認(rèn)識。在此背景下，蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院聶軍勝教授、任桂平博士、劉成英博士和博士研究生華一帆與蘭州大學(xué)電鏡中心李華高級工程師合作開展了進(jìn)一步的更高分辨率的電鏡工作。

他們首次在黃土中發(fā)現(xiàn)了與傳統(tǒng)認(rèn)識相反的磁性礦物組合特征，促使他們揭示了一種新的黃土磁性增強(qiáng)機(jī)制。在通風(fēng)良好的黃土中，一般認(rèn)為氧化程度較低的磁鐵礦的邊緣會發(fā)生進(jìn)一步的氧化，生成赤鐵礦邊-磁鐵礦核的結(jié)構(gòu)，這已經(jīng)被前人的電鏡工作所證實(shí)。然而研究團(tuán)隊(duì)卻發(fā)現(xiàn)了相反的結(jié)構(gòu)：赤鐵礦核被磁鐵礦邊所包圍（圖1）。

為了解釋這一獨(dú)特的磁性礦物組合結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)與AGU會士、美國羅切斯特大學(xué)John A. Tarduno教授、中科院地質(zhì)與地球物理研究所潘永信院士團(tuán)隊(duì)和廣州地化所何宏平院士團(tuán)隊(duì)合作開展了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。他們在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中通過加入銅綠假單胞菌成功從赤鐵礦表面生成了磁鐵礦（圖2），且該反應(yīng)發(fā)生非常迅速，可以在十天內(nèi)完成，且新生成的磁鐵礦顆粒在五十天后可以達(dá)到能夠可靠記錄地球磁場的穩(wěn)定單疇范疇（幾十納米）（圖3）。這些磁鐵礦顆粒在黃土沉積過程中可能從赤鐵礦顆粒上發(fā)生脫落，作為單獨(dú)的顆粒存在。

這一認(rèn)識具有多重意義。首先，因?yàn)樵摲磻?yīng)的發(fā)生速度非常快并且反應(yīng)條件與自然條件十分接近，因此，該磁性礦物轉(zhuǎn)化路徑可能是黃土成壤過程中最為主導(dǎo)的磁鐵礦生成路徑，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)識。其次，較快的反應(yīng)速度為從黃土中重建地磁場強(qiáng)度提供了新機(jī)會。因?yàn)槌练e巖中磁性礦物的形成時(shí)代很難確定，傳統(tǒng)古地磁場絕對古強(qiáng)度重建很少用沉積巖進(jìn)行。本發(fā)現(xiàn)證明黃土中能夠穩(wěn)定記錄地磁場信號的穩(wěn)定單疇磁鐵礦可以在幾十天內(nèi)形成，這意味著可以用黃土中磁鐵礦重建地磁場強(qiáng)度變化。再次，赤鐵礦核與磁鐵礦邊的獨(dú)特結(jié)構(gòu)是在微生物作用下形成的，因此這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)可以在地外行星探測中用于建議是否存在生命的信號，具有行星科學(xué)的意義。

該研究成果以“A new mechanism for magnetite formation in loess”為題在線發(fā)表于《Science Bulletin》。蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院博士研究生華一帆、蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院副教授任桂平、蘭州大學(xué)材料與能源學(xué)院教授級高級實(shí)驗(yàn)師李華為論文共同第一作者，蘭州大學(xué)地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院聶軍勝教授為通訊作者。該成果受到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42595532, 42301007）及甘肅省科學(xué)技術(shù)廳重點(diǎn)項(xiàng)目（23JRRA1027）的資助。

圖1 中國黃土高原沉積物中獨(dú)特的磁鐵礦邊-赤鐵礦核結(jié)構(gòu)。(a, c) 來自古土壤和紅粘土樣品的透射電鏡圖像。(b, d) 來自（a）和（c）中磁鐵礦與赤鐵礦界面（白色虛線）的放大圖像。

圖2 銅綠假單胞菌與赤鐵礦反應(yīng)10天后的透射電鏡和X射線光電子能譜結(jié)果。（a）TEM圖像顯示反應(yīng)后的赤鐵礦，右上角為該區(qū)域的快速傅里葉變換圖像，可見磁鐵礦（藍(lán)色箭頭）和赤鐵礦（紅色箭頭）。（b）與銅綠假單胞菌反應(yīng)10天后赤鐵礦的XPS結(jié)果。（c）來自（a）放大圖像，顯示磁鐵礦在赤鐵礦邊緣的生長。

圖3 培養(yǎng)反應(yīng)10天、20天和50天后磁鐵礦粒徑及磁性變化。（a）磁滯回線。（b）磁鐵礦粒徑變化。三角形點(diǎn)為基于透射電鏡圖像所統(tǒng)計(jì)的顆粒尺寸。（c-e）高分辨透射電鏡圖像，顯示培養(yǎng)10天、20天和50天后最大磁鐵礦顆粒的位置及尺寸（黃色虛線）。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.03.027

編輯：王文樂

責(zé)編：彭倩