【正文】 1 第三章 水－巖化學(xué)作用和水介質(zhì)中元素的遷移 1. 地球系統(tǒng)的化學(xué)作用和化學(xué)遷移 2. 水－巖化學(xué)作用 3. 水－巖化學(xué)作用的影響因素 4. 水巖化學(xué)作用的實(shí)例 5. 元素遷移過程物理化學(xué)條件的判斷標(biāo)志 2 一、地球系統(tǒng)的化學(xué)作用和化學(xué)遷移 地球系統(tǒng)的化學(xué)作用類型 按發(fā)生作用和生成物質(zhì)的相、態(tài)進(jìn)行分類，可以分為： （ 1）水－巖反應(yīng)和水介質(zhì)中的化學(xué)作用 ，如大氣降水與地表巖石的相互作用，沉積盆地中的水－巖作用 （ 2）熔－巖反應(yīng)和熔漿化學(xué)作用 （ 3）水－氣化學(xué)作用 （ 4）巖－巖化學(xué)作用 ，如地外物質(zhì)撞擊地球表面的巖石、在構(gòu)造斷裂帶中巖石間的相互作用 （ 5） 有機(jī)化學(xué)作用 ， 包括地表和地下的有機(jī)化學(xué)作用 ， 如石油和天然氣的形成過程 。 3 一、地球系統(tǒng)的化學(xué)作用和化學(xué)遷移 元素的地球化學(xué)遷移 元素地球化學(xué)遷移 自然界的物質(zhì)是不斷運(yùn)動(dòng)的 ！ 元素也必然包含其中 ！ 地殼中的元素互相結(jié)合組成各種礦物 、 巖石等 ， 對(duì)于其元素的整個(gè)歷史來(lái)看 ， 只是一個(gè)暫時(shí)的片斷 ， 它是在某個(gè)物理化學(xué)條件下 ， 元素相對(duì)穩(wěn)定 、 相對(duì)靜止的一個(gè)暫時(shí)形式 。 隨著地殼物質(zhì)的不斷運(yùn)動(dòng)和物理化學(xué)環(huán)境的改變 ， 這種相對(duì)穩(wěn)定性將遭到破壞 ，元素將以各種方式發(fā)生活化轉(zhuǎn)移 ， 并以一種新的形式再相對(duì)穩(wěn)定下來(lái) 。 元素在自然界 （ 地殼 ） 的這種作用就稱為 元素的地球化學(xué)遷移 。也就是說(shuō)當(dāng)元素發(fā)生結(jié)合狀態(tài)變化 ， 并伴隨有元素的空間位移時(shí) ， 元素就發(fā)生了 地球化學(xué)遷移 。 4 一、地球系統(tǒng)的化學(xué)作用和化學(xué)遷移 元素的地球化學(xué)遷移 元素地球化學(xué)遷移 元素的地球化學(xué)遷移過程包括了三個(gè)過程： ① 元素從原來(lái)固定 （ 穩(wěn)定的結(jié)合 ） 狀態(tài)轉(zhuǎn)化為活動(dòng) （ 非穩(wěn)定結(jié)合 ）狀態(tài) ， 并進(jìn)入遷移介質(zhì)； ② 元素在介質(zhì)中發(fā)生空間位移 ， 在這一階段可以發(fā)生形式變化 ， 但不形成穩(wěn)定的固相； ③ 元素遷移到新的空間 ， 形成穩(wěn)定結(jié)合 ， 沉淀或結(jié)晶出新的礦物 。 5 一、地球系統(tǒng)的化學(xué)作用和化學(xué)遷移 元素的地球化學(xué)遷移 元素地球化學(xué)遷移 元素地球化學(xué)遷移的內(nèi)涵： ① 空間上的位移表現(xiàn)為元素發(fā)生了重新分配 、 元素的分散和集中的分帶性； ② 時(shí)間上變化應(yīng)涉及到從元素形成 、 演化發(fā)展到目前階段的整個(gè)歷史 ， 也包含某個(gè)時(shí)期元素活化 、 搬運(yùn)和沉淀的階段性； ③ 元素的遷移 （ 量和質(zhì)的變化 ） 孕育在各種地質(zhì)作用之中 ， 為其有機(jī)的組成部分 ， 記錄著作用的過程 。 6 一、地球系統(tǒng)的化學(xué)作用和化學(xué)遷移 元素的地球化學(xué)遷移 物質(zhì)遷移的類型 將物質(zhì)的遷移按 運(yùn)動(dòng)的營(yíng)力 和 物質(zhì)的存在形式 進(jìn)行分類： （ 1）化學(xué)和物理化學(xué)遷移 ，包括物質(zhì)在硅酸鹽熔體、水溶液和氣相中的遷移，物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)小，通常呈分子、離子和膠體 （ 2）生物和生化學(xué)遷移 ，如光合作用、生物還原（硫）作用 （ 3）機(jī)械遷移 ，巖屑、礦物碎屑等形式。 7 一、地球系統(tǒng)的化學(xué)作用和化學(xué)遷移 元素的地球化學(xué)遷移 元素遷移的標(biāo)志 （ 1） 通過礦物組合的變化來(lái)判斷； （ 2） 通過巖石中元素含量的系統(tǒng)測(cè)定和定量計(jì)算來(lái)判定； ① 等體積計(jì)算法， ② 等陰離子計(jì)算； （ 3） 物理化學(xué)界面。 8 一、地球系統(tǒng)的化學(xué)作用和化學(xué)遷移 元素的地球化學(xué)遷移 元素在水介質(zhì)中遷移能力的影響因素 ? 元素的存在形式； 如吸附態(tài) 、 晶體 ? 晶體化學(xué)鍵類型； ? 元素的地球化學(xué)性質(zhì)； 如電價(jià) 、 半徑 ? 體系的物理化學(xué)條件 。 9 二、水－巖化學(xué)作用 水－巖化學(xué)作用的物理化學(xué)條件 水－巖化學(xué)作用的基本類型 地球中天然水的類型 水溶液中元素的搬運(yùn)形式 10 二、水－巖化學(xué)作用 水－巖化學(xué)作用的物理化學(xué)條件 低溫水－巖化學(xué)作用的物理化學(xué)環(huán)境 （ 1） 過量水的體系； （ 2） 水－巖間長(zhǎng)期的化學(xué)作用使水體系中含有大量的作用劑 （ OCO H＋ 、 OH－ ） 和各類電解質(zhì)鹽類； （ 3） 常有生物和有機(jī)質(zhì)參加作用； （ 4） 富氧和富 CO2； （ 5） 溫度偏低 ， 但變化迅速 （ 晝夜變化 ） ； （ 6） 一般處于低壓環(huán)境 。 11 二、水－巖化學(xué)作用 水－巖化學(xué)作用的物理化學(xué)條件 高溫水－巖化學(xué)作用的物理化學(xué)環(huán)境 （ 1） 相對(duì)少量水的體系； （ 2） 水體系中含有大量的作用劑和各類電解質(zhì)鹽類； （ 3） 氧逸度相對(duì)較低 ， 主體是相對(duì)富 CO2或富 SO2的還原環(huán)境； （ 4） 溫度主要在 200～ 400 ℃ ， 可達(dá) 700 ℃ ， 壓力與深度和構(gòu)造環(huán)境有關(guān)； （ 5） PH值在 3～ 9之間； （ 6） 可以由生物和有機(jī)質(zhì)參加作用 ， 但不如低溫條件下活躍 。 12 二、水－巖化學(xué)作用 水－巖化學(xué)作用的基本類型 氧化還原反應(yīng) 實(shí)質(zhì)就是電子轉(zhuǎn)移 ， 如鐵橄欖石氧化 （ 蝕變 ） ， 硫鐵礦氧化等： 13 二、水－巖化學(xué)作用 水－巖化學(xué)作用的基本類型 脫水和水解反應(yīng) 水解作用的實(shí)質(zhì)是 H＋ 或 OH－ 進(jìn)入礦物晶格 ， 分別取代其中的陽(yáng)離子或陰離子 ， 從而形成新的礦物： 鉀長(zhǎng)石 高嶺石 14 二、水－巖化學(xué)作用 水－巖化學(xué)作用的基本類型 脫水和水解反應(yīng) 白云母 pH值對(duì)水解過程的影響 15 二、水－巖化學(xué)作用 水－巖化學(xué)作用的基本類型 脫水和水解反應(yīng) 溫度和壓力升高，可以使粘土礦物脫水： 16 二、水－巖化學(xué)作用 水－巖化學(xué)作用的基本類型 水合反應(yīng) 水合作用的實(shí)質(zhì)是是分子整體進(jìn)入礦物晶格 ， 從而使礦物的體積增大： 17 二、水－巖化學(xué)作用 水－巖化學(xué)作用的基本類型 碳酸鹽化和脫碳酸鹽反應(yīng) 碳酸根 （ CO32－ ） 和重碳酸根 （ HCO32－ ） 離子與礦物或巖石間發(fā)生的作用稱為 碳酸鹽化反應(yīng) ， 結(jié)果是礦物被部分或全部溶解 。 18 二、水－巖化學(xué)作用 水－巖化學(xué)作用的基本類型 碳酸鹽化和脫碳酸鹽反應(yīng) 礦物或巖石間發(fā)生作用并放出碳酸根 （ CO32 － ） 和重碳酸根（ HCO32－ ） 稱為 脫碳酸鹽化反應(yīng) ， 如： 陽(yáng)離子交換 陽(yáng)離子交換主要發(fā)生在粘土礦物或膠體的交換吸附過程中 。 19 二、水－巖化學(xué)作用 水－巖化學(xué)作用的基本類型 陽(yáng)離子交換 不同粘土礦物進(jìn)行陽(yáng)離子交換時(shí) ， 能發(fā)生交換的最大陽(yáng)離子量稱為陽(yáng)離子交換容量 。 流體相參加的交代過程 ， 如鉀長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化： 20 二、水－巖化學(xué)作用 水－巖化學(xué)作用的基本類型 高溫水－巖化學(xué)作用的特點(diǎn) 水／巖比通常較小 ， 鹽度高 ， 水動(dòng)力條件變化大類型與低溫水－巖作用相似 ， 但具有以下特點(diǎn)： （ 1）在高溫溶液中，絡(luò)合物是成礦元素的主要存在形式。 （ 2）除 CO2外， H2S、 H NH F、 B和 PO43－ 、 H2O等高溫射氣元素和組分經(jīng)常參與高溫水－巖作用。 （ 3）高溫水溶液中存在大量的易溶鹽類，增大了難熔元素的溶解度（鹽效應(yīng)）。 21 二、水－巖化學(xué)作用 地球中天然水的類型 地球中的流體 地球中的流體不僅僅是指水溶液相 ， 常見的主要有以下幾種： （ 1） 各類硅酸鹽巖漿 （ 或稱硅酸鹽熔融體 ） ， 包括從酸性到超基性 ，以及堿性的各類火成巖都是硅酸鹽巖漿結(jié)晶形成的硅酸鹽熔融體 。 （ 2） 以水為主的流體 ， 包括巖漿水 、 變質(zhì)水 、 同生水 、 海水 、 鹵水 、地表水 、 地?zé)崴?。 （ 3） 以碳?xì)浠衔餅橹鞯牧黧w ， 如石油 、 天然氣等 。 22 二、水－巖化學(xué)作用 地球中天然水的類型 地殼中水流體相的形成 除同生水 、 海水和地表水外 ， 巖石圈中的水與地殼的 “ 去流體 ” 作用有關(guān) 。 （ 1） 沉積物的 “ 去流體 ” 作用 ， 沉積物在壓實(shí)成巖作用中釋放流體是地殼中流體的一種來(lái)源 。 （ 2） 變質(zhì)作用放出流體 （ 3） 巖漿作用產(chǎn)生熱液 ， 巖漿中最多大約 5～ 6％ 的水和 CO2等揮發(fā)分 ， 這些揮發(fā)份隨巖漿上升釋放出來(lái)形成流體 。 23 二、水－巖化學(xué)作用 水溶液中元素的搬運(yùn)形式 （ 1） 易溶鹽類 —— 氯化物和硫酸鹽 。 （ 2） 堿土金屬的碳酸鹽 （ CaCO MgCO3） 和 SiO2。 （ 3） Fe、 Mn、 P的化合物以及 V、 Cr、 Ni、 Co、 Cu等元素 。 這些元素的化合物溶解度一般較小 ， 除部分形成真溶液外 ， 大多形成膠體 。 （ 4） 石英 、 硅酸鹽和鋁硅酸鹽類礦物 。 溶解度極小 ， 主要呈懸浮物或顆粒物狀態(tài) 。 溶解物質(zhì)為主 ，地表水溶液中元素的搬運(yùn)形式可劃分為以下四種基本類型： 24 三、水－巖化學(xué)作用的影響因素 體系組成對(duì)水－巖化學(xué)作用的影響 影響因素有兩個(gè)方面 ， 一方面是與元素本身性質(zhì)有關(guān)；另一方面與環(huán)境因素有關(guān) ， 體系組成和物理化學(xué)條件 。 體系物理化學(xué)環(huán)境對(duì)水－巖化學(xué)作用的影響 25 三、水－巖化學(xué)作用的影響因素 體系組成對(duì)水－巖化學(xué)作用的影響 活度積原理 什么是溶度積？ 對(duì)于一個(gè)難溶化合物來(lái)說(shuō) ， 它的飽和溶液中固態(tài)物質(zhì)與溶液中的化合物離子之間存在著多相平衡 。 例如 :CaF2(螢石 )是難溶化合物 CaF2 Ca2+ + 2F 包括兩個(gè)方面：一是化合物本身，二是其它化合物的影響，如鹽效應(yīng)和共同離子效應(yīng)。 26 三、水－巖化學(xué)作用的影響因素 體系組成對(duì)水－巖化學(xué)作用的影響 活度積原理 根據(jù)質(zhì)量作用定律，其平衡常數(shù)： K=[Ca2+]〃[F ]2/[CaF2]固 (CaF2是固體，其活度為 1) Ksp = [Ca2+]〃[F ]2 (Ksp為活度積 ) 在一定溫度下，難溶化合物中該化合物的離子活度乘積是一個(gè)常數(shù)， 這個(gè)常數(shù)稱為 活度積 。 27 某些化合物的溶度積 （ 25oC） （引自 . 別列爾曼， 1968） 硫 酸 鹽B a S O4— 1 .1 101 0S r S O4— 107P bS O4— 2 108Ag2SO4— 105H g S O4— 5 107C a S O4— 105碳 酸 鹽Hg2CO3— 9 101 7C u C O3— 101 0P bC O3— 101 3S r C O3— 1 109C dC O3— 10 1 4C a C O3— 109Ag2CO3— 101 2B a