第四章水-岩作用与水介质中元素的迁移4课件.ppt

1、地球化学 冯有利资源环境学院 2010 年年 10 月月第四章第四章 水水-岩作用与水介质中元素的迁移岩作用与水介质中元素的迁移Water-Rock Interaction&Element Migration in Aqueous Media一、一、地球系统的化学作用和化学迁移地球系统的化学作用和化学迁移Chemical Process&Migration in Earth System1.1.化学作用类型化学作用类型Chemical Processes:Chemical Processes:根据发生作用和生成物质的相态进行根据发生作用和生成物质的相态进行分类分类(1)(1)水水-岩反应和水介

2、质中的化学作用岩反应和水介质中的化学作用 (2)(2)熔熔-岩反应岩反应 (3)(3)水水-气化学作用气化学作用 (地表水和大气中氧、二地表水和大气中氧、二氧化碳等相互作用等氧化碳等相互作用等)一、一、地球系统的化学作用和化学迁移地球系统的化学作用和化学迁移Chemical Process&Migration in Earth System(4)(4)岩岩岩反应岩反应R-R interaction(R-R interaction(如球外物质如球外物质撞击地球表面岩石等撞击地球表面岩石等););(5)(5)有机化学作用有机化学作用Organic chemical Organic chemical

3、 process(process(地球表层生物参与风化作用、在地球表层生物参与风化作用、在地球一定深度形成石油和天然气等地球一定深度形成石油和天然气等)一、一、地球系统的化学作用和化学迁移地球系统的化学作用和化学迁移2.元素的地球化学迁移元素的地球化学迁移Geochemical Migration/Transportation(1)(1)物质迁移类型物质迁移类型Mass TransportationMass Transportation 化学和物理化学迁移化学和物理化学迁移Chemical&Physical-chemical transportation生物和生物化学迁移生物和生物化学迁移Or

4、ganism&Bio-chemical transportation机械迁移机械迁移Mechanical transportation一、地球系统的化学作用和化学迁移一、地球系统的化学作用和化学迁移(2)(2)元素地球化学迁移元素地球化学迁移Element Transportation定义：当元素发生结合状态变化并伴随有元当元素发生结合状态变化并伴随有元素的空间位移素的空间位移displacementdisplacement时，称元素发生时，称元素发生了了地球化学迁移地球化学迁移。元素地球化学迁移包括三个过程：元素地球化学迁移包括三个过程：元素从原来的固定（稳定的结合）状态转化元素从原来的固定

5、（稳定的结合）状态转化为活动（非稳定结合）状态，并进入迁移介为活动（非稳定结合）状态，并进入迁移介质；质；一、地球系统的化学作用和化学迁移一、地球系统的化学作用和化学迁移元素在水介质中发生空间位移（不元素在水介质中发生空间位移（不发生形成稳定固相的化学反应）；发生形成稳定固相的化学反应）；元素迁移到新的空间，在新的环境元素迁移到新的空间，在新的环境和新的条件下形成新的稳定结合，和新的条件下形成新的稳定结合，即沉淀或结晶出新的矿物。即沉淀或结晶出新的矿物。即即:活化活化activation转移转移migration沉淀沉淀deposition一、一、地球系统的化学作用和化学迁移地球系统的化学作用

6、和化学迁移(3)(3)元素迁移的标志元素迁移的标志Indicators of Element Indicators of Element TransportationTransportation矿物组合的变化：如蚀变矿物组合altered mineral association;岩石中元素含量的系统测定和计算：a.等体积计算法；b.等阴离子计算法一、一、地球系统的化学作用和化学迁移地球系统的化学作用和化学迁移物理化学界面physical-chemical interface:如氧化还原界面redox interface、压力释放带pressure-release zone、温度界面T-inte

7、rface、pH界面、水位线gauging line等等。一、一、地球系统的化学作用和化学迁移地球系统的化学作用和化学迁移(4)(4)元素在水介质中迁移能力的影响因元素在水介质中迁移能力的影响因素素Factors Controlling Element Migration in Aqueous Media迁移前元素的存在形式：晶体化学键类型：离子键化合物易迁移，共价键和金属键化合物难迁移一、一、地球系统的化学作用和化学迁移地球系统的化学作用和化学迁移元素的地球化学性质：体系中相伴组分类型和浓度、体系中物理化学强度参数（浓度差、压力差、温度差等）以及环境的pH和Eh值的变化等。二、水-岩化学作用

8、W-R Interaction1.水水-岩化学作用的物理化学条件岩化学作用的物理化学条件(1)(1)低温水低温水-岩化学作用的物理化学环境岩化学作用的物理化学环境过量水的体系：地球表面水和岩体积比：水总量岩石总量。水-岩间长期化学作用导致水体系中含有大量作用剂（O2、CO2、H+、OH-)。二、水-岩化学作用W-R Interaction 有生物和有机质参与。地表富氧(O2=0.213 x 105Pa)和富CO2(CO2=3.04 x 10 Pa)。地表温度低（-75+200）：控制水岩作用速率。一般处于低压状态（1200)x 105 Pa二、水-岩化学作用W-R Interaction(2)

9、(2)高温水高温水-岩化学作用的物理化学环境岩化学作用的物理化学环境相对少量水的体系：岩石总质量远远大于水。水体系中含有大量作用剂chemical reagent和电解质盐electrolytes类。氧逸度oxygen fugacity相对低。二、水-岩化学作用W-R Interaction温度主要在200400，上限可达700；压力变化(2000100)x 105 Pa。pH变化39。可以有生物和有机质参加作用，但相对较少。二、水-岩化学作用W-R Interaction2.水水-岩化学作用的基本类型岩化学作用的基本类型Types of W-R Interactions(1)氧化还原反应re

10、duction-oxydationreduction-oxydation：2Fe2SiO4(橄榄石橄榄石)+)+O2+4H2O=2Fe2O3+2H4SiO4(氧化氧化)3Fe2S+8.5O2+3H2O=2Fe3O4+3H2SO4 2Fe2O3.3H2O+C=4FeO+CO2+3H2O(还原还原)二、水-岩化学作用W-R Interaction(2)脱水和水解反应 Dehydration&Hydrolysis 水解反应的实质是水电离的H+或OH-进入矿物晶格，分别取代其中的阳离子或阴离子：Fe2(SO4)3+6H2O=2Fe(OH)3+3H2SO4 Fe2O3+3H2O二、水-岩化学作用W-R

11、Interaction 4K AlSi3O8 +6H2O=Al4 Si4O10(OH)8+8SiO2+4KOH 钾长石钾长石 (K-feldspar)高岭石高岭石(kaolinite)水解反应受pH值的控制，水解使溶液偏碱性时，天然水将吸收大气或土壤中的CO2、HCl、H2S等，使水的pH值保持在57。不同的pH值条件下，矿物水解后的产物不同，如表生条件下的硅酸盐矿物水解可形成不同的次生矿物。白云母水解：二、水-岩化学作用W-R Interaction KAl2 AlSi3O10(OH)2（白云母）（白云母）K1-nAl2 AlSi3O10 (OH)2.H2O (pH=7.89.5,伊利石）A

12、l2 AlSi3O10 (OH)2.nH2O (pH=7.58.5,贝得石)Al2 AlSi3 (OH)2.nH2O (pH=78.5,蒙脱石)Al4 Si4O10 (OH)8.4H2O (pH=67,埃洛石)Al4 Si4O10 (OH)8.2H2O (pH=56,变埃洛石)Al4 Si4O10 (OH)8 (pH=3.58,高岭石高岭石)二、水-岩化学作用W-R Interaction 在温度、压力增高时，黏土矿物 clay minerals 可发生脱水反应：Al2 Si2O5(OH)4+2SiO2 Al2 Si4O10(OH)2+H2O 高岭石 石英 叶腊石 进步脱水 Al2 SiO5+

13、3SiO2+H2O （红柱石蓝晶石)二、水-岩化学作用W-R Interaction(3)水合作用Hydration 水合作用的实质是水分子整体进入矿物晶格，使矿物的体积增大，如：Fe2O3(hematite）+nH2O Fe2O3.nH2O(水针铁矿水针铁矿)CaSO4(anhydrite)+2H2O CaSO4.2H2O(gypsum)二、水-岩化学作用W-R Interaction(4)碳酸盐化和脱碳酸盐化Carbonation&Decarbonation 如橄榄石的碳酸盐化：Fe2SiO4+4H2CO3 2Fe(HCO3)2+H4SiO4 云母的碳酸盐化：2Ca2+2HCO3-+KAl

14、2 AlSi3O10(OH)2+4H2O 4H+K+3Al(OH)2-+2CaCO3+3SiO2二、水-岩化学作用W-R Interaction 脱碳酸盐化：CaCO3+SiO2 CaSiO3（硅灰（硅灰石石)+CO2(5)阳离子交换反应Cation exchange 该类反应主要发生在粘土矿物或胶体的交换吸附过程中。二、水-岩化学作用W-R Interaction二、水-岩化学作用W-R Interaction3.地球中天然水的类型Natural Waters(1)地球中的流体Fluids:各类硅酸盐岩浆silicate magmasilicate magma(或硅酸盐熔融体)以H H2 2

15、O O为主的流体为主的流体fluid dominated by Hfluid dominated by H2 2O O岩浆水magmatic watermagmatic water变质水metamorphic watermetamorphic water同生水syngeneticsyngenetic water water二、水-岩化学作用W-R Interaction海水seawateseawater卤水brinebrine地表水ground waterground water地热水geothermal watergeothermal water以碳氢化合物碳氢化合物为主的流体为主的流体 f

16、luids dominated by hydrocarbon,e.g.petroleum and natural gas.二、水-岩化学作用W-R Interaction(2)水流体的形成Origin of fluids:沉积物的“去流体”作用变质作用释放出流体岩浆作用产生热液(3)水溶液中元素的搬运形式Transportation of elements in water solution:易溶盐类Soluble salts氯化物和硫酸盐chloride and sulfate(真溶液)二、水-岩化学作用W-R Interaction 碱土金属的碳酸盐(CaCO3、MgCO3)和SiO2等C

17、arbonates of alkaline-earth metals and SiO2：碳酸盐主要以溶解的重碳酸盐HCO3-搬运，SiO2以真溶液或悬浮物搬运。Fe、Mn、P的化合物以及V、Cr、Ni、Co、Cu等：溶解度小，除部分以真溶液搬运外，还以胶体搬运，如Fe(OH)3等。二、水-岩化学作用W-R Interaction石英、硅酸盐和铝硅酸盐类Quartz,silicates and aluminosilicates:溶解度极小，以悬浮物和沿水流底部拖曳形式搬运。三、水-岩化学作用的影响因素Factors Influencing W-R Interaction1.1.体系组成对水体系组

18、成对水-岩作用的影响岩作用的影响Influence of Compositions on W-R Interaction：(1)(1)活度积原理活度积原理Activity Product:当温度一定时，难溶强电解质（electrolyte）溶液中离子活度（activity）的乘积为一常数，这一常数称为活度积。由于难溶化合物的溶解度极小，其浓度（concentration）与活度相当，故溶度积与活度积均为常数，以Ksp表示三、水-岩化学作用的影响因素Factors Influencing W-R Interaction如CaCOCaCO3 3(s)=Ca(s)=Ca2+2+(aq(aq)+CO)

19、+CO3 32-2-(aq(aq)其其K Kspsp=Ca=Ca2+2+COCO3 32-2-当溶液中某物质的离子积达到或超过该物质的活度积时，该物质即析出。活度积原理可用来判断溶液中各元素的最大浓度和判断化合物的迁移能力：三、水-岩化学作用的影响因素Factors Influencing W-R Interaction三、水-岩化学作用的影响因素Factors Influencing W-R Interaction当溶液中出现能形成活度积更低的其它离子时，会导致活度积更低化合物的沉淀和已沉淀化合物的溶解，也就是通常所称的“交代作用”。如 SrSO4（天青石）Ksp=2.8 x 10-7 Sr

20、CO3（菱锶矿）Ksp=1.6 x 10-9 若在SrSO4饱和溶液中（已有部分沉淀）加入足够量的CO32-,则会发生SrCO3的沉淀，同时已沉淀的部分SrSO4可能会重新溶解。三、水-岩化学作用的影响因素(2)共同离子效应:当在难溶化合物的饱和溶液中加入与该化合物有相同离子的易容化合物时，原难溶化合物的溶解度将会降低，称为共同离子效应。CaFCaF2 2活度积=3.16 x 10-11 以摩尔浓度计算活度积 Ksp=Ca2+x F-2 =Xx2X2=3.16 x 10-11 X=1.9 x 10-4 mol/L 由于CaF2分子量为78，所以X=1.48 x 10-2g/L三、水-岩化学作用

21、的影响因素当溶液中仅有CaF2时，溶解度为1.48 x 10-2 g/L当溶液中存在其它含Ca2+的易溶化合物（如CaCO3)时，CaF2的溶解度将发生变化。假设因CaCO3的存在使溶液 Ca2+浓度达到10-2 mol,由于CaF2的活度积必须维持常数（3.16 x 10-11），此时 Ca2+x F-2 =X1+10-2x 2X12=3.16 x 10-11 X1=2.1 x 10-5 mol/L 由此可见，CaF2的溶解度明显降低。三、水-岩化学作用的影响因素如果加入一种物质可使溶液中两种以上难溶盐从溶液中析出，当加入量不足以使两种盐同时析出时，则较难溶的盐类先析出，进一步加入这种物质，

22、则较易溶的盐类才开始析出分级沉淀作分级沉淀作用用。如在Sr2+、Ca2+的混合液中加入含SO42-溶液，Ksp（SrSO4）=2.8 x 10-6 Ksp（CaSO4）=6.1 x 10-4 因此，SrSO4先沉淀，而CaSO4后沉淀。三、水-岩化学作用的影响因素 (3)盐效应：当溶液中存在易溶盐类（强电解质）时，溶液的含盐度对化合物的溶解度会产生影响，表现为随溶液中易溶电解质浓度的增大将导致其它难溶化合物的溶解度增大，称为盐效应。离子强度I=0.5x(m1z12+m2z22+m3z32+m4z42+.mnzn2)离子活度系数=a/c （a是有效浓度；c是实际浓度）三、水-岩化学作用的影响因素

23、当I值很小时1随I值增大，逐渐降低。天然水随离子强度增大，活度系数减小，即天然水离子强度增大将有利于难溶元素的溶解和迁移三、水-岩化学作用的影响因素(4)胶体作用Colloidization：三、水-岩化学作用的影响因素 三、水-岩化学作用的影响因素 F负胶体：mSiO2 nSiO32-2(n-x)H+-2xH+F正胶体：m Fe(OH)m Fe(OH)3 3 nFeO nFeO+(n-x)Cl(n-x)Cl-+xCl+xCl-三、水-岩化学作用的影响因素 正负胶体正胶体负胶体Fe(OH)3,Ti(OH)4,Al(OH)3,Zr(OH)3,Cr(OH)3粘 土 胶 体，SiO2,AsS3,Au

24、,腐殖质，SnO2,Sb2S3,Pt,V2O5,ZnS三、水-岩化学作用的影响因素Factors Influencing W-R Interactionv大多数胶体带电（正电或负电），因此它们具有吸附异性离子的能力。v胶体优先吸附构晶离子，如Fe(OH)3胶核的溶液中含有Mn2+、Fe3+和OH-、Al3+、F-、Cl-、SO42-时，Fe(OH)3优先吸附Fe3+v离子电价越高越易被吸附，如：Fe 3+Fe 2+;Al 3+Ca 2+;Ca 2+Na+三、水-岩化学作用的影响因素v同价离子，离子半径越大或水合离子半径越小越易被 吸附，如：CsCs+Rb Rb+K K+Na Na+Li Li+

25、Ba Ba 2+2+Ca Ca 2+2+Mg Mg 2+2+影响胶体物质凝聚和沉淀的因素两种带不同电荷的胶体相遇时，电荷中和将导致凝聚与沉淀。Al2O3.nH2O+2SiO2.nH2O H2Al2Si2O8.H2O (高岭石凝胶）三、水-岩化学作用的影响因素Factors Influencing W-R Interaction 一些火山沉积铁矿的形成就是一些火山沉积铁矿的形成就是FeFe（OHOH）3 3胶体胶体和和SiOSiO2 2胶体相互凝聚而成胶体相互凝聚而成。电解质的作用：在胶体溶液中加入电解质能使胶体凝聚沉淀。所带电荷得到中和，胶粒间斥力减弱，使胶粒相互接近聚合而成胶凝体。由于胶凝作

26、用而产生的胶体物质称凝胶。比如 硅胶溶体分散于H2O中（凝聚）冻胶（缩水作用）蛋白石SiO2.nH2O.（脱水）隐晶质石髓SiO2（结晶）显晶石英三、水-岩化学作用的影响因素Factors Influencing W-R Interaction胶体溶液浓度增大时，可以促使胶体凝聚。比如强烈蒸发作用可增加溶液电解质浓度，从而加强胶凝作用。溶液的酸碱度对胶体的搬运与沉积也有很大影响。原因是溶液pH值大小会影响电解质对某些胶体的胶凝作用。，特别会对两性胶体产生影响。酸性环境：Al(OH)3+HClAl(OH)2Cl+H2O三、水-岩化学作用的影响因素Factors Influencing W-R I

27、nteraction Al(OH)2ClAl(OH)2+Cl-碱性环境：Al(OH)3+KOHKAlO2+H2O KAlO2 K+AlO2-因此，改变溶液pH值，可以改变溶液中Al(OH)2+和AlO2-的浓度，从而改变胶团所带电荷的量，直接影响胶体的凝聚。三、水-岩化学作用的影响因素2.体系物理化学环境对水-岩作用影响The influence of physical-chemical conditions on W-R interaction(1)pH值 自然界各种水体的pH值变化范围pHpH12345678910111213水体火山地区水沼泽水、雨水河水、地下水沙漠半沙漠水硫化物矿床氧化

28、水海水有机质盐水矿坑水咸湖水 常见金属氢氧化物沉淀时的pH值围 pH值发生沉淀的氢氧化物Mg(OH)Mg(OH)2 210109 9Mn(OH)Mn(OH)2 2、Ag(OHAg(OH)8 8La(OH)La(OH)3 3Ce(OH)Ce(OH)3 37 7Hg(OH)Hg(OH)2 2、Y(OH)Y(OH)3 3、Co(OH)Co(OH)3 3、Nd(OH)Nd(OH)3 3Ni(OH)Ni(OH)2 2、Cd(OH)Cd(OH)2 26 6Pb(OH)Pb(OH)2 2Cr(OH)Cr(OH)3 3、Be(OH)Be(OH)2 2、Cu(OH)Cu(OH)2 2、Fe(OH)Fe(OH)2

29、 25 5Sc(OH)Sc(OH)3 3、Zn(OH)Zn(OH)2 2 常见金属氢氧化物沉淀时的pH值围 pH值发生沉淀的氢氧化物5 5Sc(OH)Sc(OH)3 3、Zn(OH)Zn(OH)2 2Bi(OH)Bi(OH)3 3、UOUO2 2(OH)(OH)2 24 4Al(OH)Al(OH)3 3Th(OH)Th(OH)4 4、Ga(OH)Ga(OH)3 33 3Fe(OH)Fe(OH)3 32 2Zr(OH)Zr(OH)4 4、Sn(OH)Sn(OH)4 4Ti(OH)Ti(OH)4 41 1Sb(OH)Sb(OH)3 3 各种矿物悬浮体沉淀的pH值围 矿物pH值矿物pH值矿物pH值方

30、解石7.8-9.5钒钙铀矿7.2萤石6.6-6.4白云石7.8钾钒铀矿7.8硬石膏6.7-7.0菱镁矿7.8铜铝磷矿6.6-7.0石膏6.4-6.6菱锰矿6.6-7.4高岭石6.6-6.8重晶石6.2-6.6菱铁矿6.6-7.4水铝英石6.6-6.8铝矾4.6-4.3磷灰石7.6-8.5埃洛石6.3-6.8明矾石4.4-4.8蒙脱石7.9-9.4钾盐6.6-6.8矾石4.4-4.6拜来石6.6-6.8石盐6.6-6.8黄钾鉄矾4.4-4.8三、水-岩化学作用的影响因素Factors Influencing W-R Interaction pH值对元素迁移的影响-具体表现在 pH值影响氢氧化合物

31、是否自溶液中沉淀 如Al、Fe（+3、+2价）、Mg、Ca的氢氧化物 pH值影响影响元素的共生与分离 如Fe、Mg在内生条件下共生，表生条件下分离 鉄帽酸性条件 Mn鉄帽碱性条件 三、水-岩化学作用的影响因素 pH值影响两性元素的迁移形式 酸性环境以简单离子或氢氧化物形式迁移 碱性环境以酸根络合物形式迁移盐类的水解是低温水-岩作用中常见的一种化学反应受pH值控制。Fe2(SO4)3+6H2O2Fe(OH)3+3H2SO42Na3（FeCl6)+H2O Fe2O3+6HCl+6NaCl （鉄帽）三、水-岩化学作用的影响因素(2)氧化还原电位Eh的影响 氧化还原电位是度量氧化还原的标准，发生氧化还

32、原反应时，还原态（正极）与氧化态（负极）之间有一电位差，电子自动从正极流向负极所做的功（以电子伏特为单位)称为氧化还原电位。l标准条件下：Fe2+V5+Fe3+V4+Fe2+Fe3+e 0.77 E0(伏特）V4+V5+e 1.0 E0(伏特）E=1.0-0.77=0.23 电位差越大，反应越彻底。三、水-岩化学作用的影响因素l非标准条件下：需要用奈恩斯特方程计算非标准条件下各氧化-还原半反应的电位，然后比较电位大小来确定反应方向 E=Eo+(RT/nF)ln(C氧化态/C还原态)式中：E非标准条件下的氧化还原电位；Eo标准条件下的氧化还原电位；C氧化态实际克分子浓度；R气体常数(8.313焦

33、耳）；T绝对温度；F法拉第常数96500库伦；n半反应中转移的电子数；ln自然对数。三、水-岩化学作用的影响因素 带入常数值，并将自然对数改为常用对数，温度变为25，得到 E=Eo+(0.059/n)log(C氧化态/C还原态）l由于许多氧化还原反应是在具有一定酸碱度溶液中进行，因而，H+离子浓度对于E的影响具有特别重要的意义。Eh和pH之间存在如下关系：Eh=EEh=Eo o-0.059 pH-0.059 pH EhEh随随pHpH的增大而降低，的增大而降低，pHpH每增大每增大1 1，EhEh则降低则降低0.0590.059伏特，因而同以反应在碱性溶液中比在酸性溶液中伏特，因而同以反应在碱

34、性溶液中比在酸性溶液中容易进行。容易进行。三、水-岩化学作用的影响因素 例如鉄的氧化：硫酸溶液中：Fe2+Fe3+e E0=0.77伏特 当pH8时：Fe(OH)2+OH-Fe(OH)3+e E0=-0.56伏特 因此，低价鉄的盐类在酸性溶液中较稳定，只是缓慢地被空气氧化，但在碱性溶液中则迅速氧化成三价并发生沉淀。三、水-岩化学作用的影响因素氧化还原电位Eh对元素迁移的影响氧化还原电位引起的元素化合价的变化，改变了化学元素及其化合物的溶解度。l一些多变价元素的高价化合物较易水解，如Fe、Mn、Ni、Ti、Pb等，因而低价离子比高价离子较易迁移。FeFe2 2(SO(SO4 4)3 3+H+H2

35、 2O2Fe(OH)O2Fe(OH)3 3+3H+3H2 2SOSO4 4l而Cu、U、V、Mo、Cr则相反，主要原因是它们的高价以(UO4)2-、(VO4)3-、(MoO4)2-、(CrO4)2-等形式迁移。三、水-岩化学作用的影响因素介质的氧化还原电位对元素的共生有重要影响介质的氧化还原电位对元素的共生有重要影响 例如例如V V5+5+或或CrCr6+6+与与FeFe2+2+相遇时：相遇时：FeFe2+2+Fe Fe3+3+e 0.77+e 0.77伏特伏特 V V4+4+V V5+5+e 1.0+e 1.0伏特伏特 CrCr3+3+CrCr6+6+e 1.33+e 1.33伏特伏特 因而

36、将发生如下反应：因而将发生如下反应：FeFe2+2+V+V5+5+Fe Fe3+3+V V4+4+Fe Fe2+2+Cr+Cr6+6+Fe Fe3+3+CrCr3+3+所以，自然界不可能存在二价所以，自然界不可能存在二价鉄鉄矿物与矿物与5 5价钒矿物（如价钒矿物（如铅钒矿铅钒矿PbPb5 5VOVO4 43 3ClCl）和六价铬矿物（如铬酸铅矿）和六价铬矿物（如铬酸铅矿PbCrOPbCrO4 4)共生。除非共生。除非V V5+5+或或CrCr6+6+过剩。过剩。三、水-岩化学作用的影响因素如果内生的岩石或矿物中有两种以上变价元素共生如果内生的岩石或矿物中有两种以上变价元素共生，在地表氧化时，由

37、于它们的氧化还原电位不同就，在地表氧化时，由于它们的氧化还原电位不同就会发生分离。会发生分离。例如内生矿床例如内生矿床FeFe、NiNi、Co Co 常紧密共生，但在地表常紧密共生，但在地表则分离：则分离：碱性介质碱性介质 酸性介质酸性介质 FeFe2+2+Fe Fe3+3+e -0.56+e -0.56伏特伏特 0.770.77伏特伏特 CoCo2+2+Co Co3+3+e +0.2+e +0.2伏特伏特 1.841.84伏特伏特 NiNi2+2+Ni Ni3+3+e +0.49+e +0.49伏特伏特 1.751.75伏特伏特 鉄鉄最容易被氧化，水钴矿形成于强氧化环境，而镍最容易被氧化，水

38、钴矿形成于强氧化环境，而镍的高价氧化物矿物尚未发现。的高价氧化物矿物尚未发现。三、水-岩化学作用的影响因素(3)温度和压力的影响T&P 温度对元素迁移的影响u决定元素和化合物的存在状态和活动性 元素及化合物的熔点、沸点和挥发性差异温度与类质同象温度升高，类质同象增强，温度降低，出现固熔体的分离或称矿物“净化”。u温度对地球化学系统反应速率和方向有影响 lnKlnK2 2-lnK-lnK1 1=Q/R(1/T=Q/R(1/T1 1-1/T-1/T2 2)(范特荷浦公式)三、水-岩化学作用的影响因素 式中：K1和K2温度T1和T2的平衡常数 Q反应热 R气体固定热，等于1.98小卡 对于反应式:S

39、iFSiF4 4+2H+2H2 2OSiOOSiO2 2+4HF+4HF 当T2T1时，平衡移向左边，即温度上升SiF4和H2O的浓度增大，SiO2和HF的浓度减小，相反，当温度下降时，平衡移向右边。温度也是决定物质相转变以及矿物稳定范围的主要因素。沉积环境蒸发岩三、水-岩化学作用的影响因素压力对元素迁移的影响u内生作用中表现为气相、液相的分离。SiFSiF4 4气气+2H+2H2 2OO气气SiOSiO2 2固固+4HF+4HF气气 根据勒下忒列定律，反应向减少体积方向进行u在变质作用中，压力增大，反应向比容小的矿物方向进行。Mg2SiO4（橄榄石）+CaAl2Si2O8（钙长石）Mg2Ca

40、Al2Si3O12（镁铝石榴石）比重：橄榄石3.12-3.33；钙长石2.75；镁铝石榴石4.3。压力增大，上述反应向右进行。三、水-岩化学作用的影响因素u表生环境，影响反应进行的方向。比如 CaCO3+CO2+2O Ca(HCO3)2 (固相)(气相）（液相）（液相）(3)温度和压力的影响T&P(4)地球化学障Geochemical barriers 定义：在元素迁移过程中，如果环境的物理化学条件发生了急剧变化，导致介质中原来稳定迁移的元素其迁移能力下降，元素因形三、水-岩化学作用的影响因素 成大量化合物而沉淀，则这些影响元素沉淀的条件或因素就称为地球化学障。常见的地球化学障类型吸附障ads

41、orption barrier胶体、有机质吸附微量元素，并沉淀。碱性-酸性障alkiline-acidic barrier氧化障oxidization barrier还原硫化氢障H2S barrier三、水-岩化学作用的影响因素还原潜育障reduction gley-barrier金属以络阴离子形式沉淀，如U、V、Mo等硫酸盐和碳酸盐障-硫酸盐或碳酸盐水与富含Ca、Sr、Ba的其它类型水相互作用，形成石膏、天青石等。蒸发障evaporation barrier-石膏化、盐渍化salinization四、水-岩作用实例Case Study of W-R Interaction 风化过程中水-岩化

42、学作用 沉积地球化学作用 高温水-岩地球化学作用风化过程中水-岩作用水-岩 -A Case Study1.风化作用的特点、意义和影响因素1.1特点F低温（-75-+85oC）F低压（常压）F处于大气圈游离氧和二氧化碳作用下F水的作用F生物和有机质的参与F营力：太阳能为主风化过程中水-岩作用水-岩 -A Case Study1.2 研究意义1.2.1风化壳型矿床的形成FFeFAlFMnFTR,Nb,Ta,UCase Study1.2.2 寻找盲矿的标志 风化作用产物掩盖了矿床，但同时在矿床的土壤及其盖层存在着次生地球化学异常。1.2.3土壤成分与农业的关系F烟台的苹果黑云片麻岩优于碳酸岩类岩石形

43、成的土壤F温州蜜桔长石砂岩和花岗岩优于页岩和砂页岩形成的土壤F贵州茶叶砂岩分布区优于碳酸岩区Case Study1.3 影响风化作用的因素1.3.1母岩的化学成分和矿物的耐风化能力 矿物耐风化能力大小：氧化物硅酸盐碳酸盐和硫酸盐矿物成分单一者成分复杂者颗粒大小集合体结构、可渗透性 Case Study1.3.2 环境条件温度；大气中的O2和CO2；水介质的酸碱度；环境氧化还原条件;有机质的作用；地形条件；气候条件；构造条件 Case Study1.4 风化壳的分带及Si、Al、Fe的分异演化1.4.1风化壳的形成和发育阶段性 风化壳crust of weathering暴露在地表的岩石经风化后

44、，不稳定的矿物发生分解，可溶性物质随水流失，剩下的物质残留原地，与经生物风化形成的土壤在陆地上形成不连续的壳，称为风化壳。主要造岩硅酸盐矿物风化转变的阶段风化过程中水-岩作用水-岩 -A Case Study钾长石风化：钾长石风化：钾长石 K KAlSiAlSi3 3O O8 8 绢云母 KAlKAl2 2AlSiAlSi3 3O O1010 OH OH 水云母 K CdS SnS2 Bi2S3 Sb2S3 CuS HgS MoS2 As2S3l根据金属元素与硫亲和力的大小确定次生硫化物的形成顺序:Case Study Hg Ag Cu Bi Cd Pb Zn Ni Co Fe Mn 系列中，前一元素的盐类溶液均可为后面元素的硫化物还原成次生硫化物。在硫化物矿床中，Cu和Ag的次生富集作用最强，其它如非晶质铀矿床也有相当强的次生富集。