第三章-地球化学.ppt

1、1,2,第三章 水岩化学作用和水介质中元素的迁移,地球系统的化学作用和化学迁移 水岩化学作用 水岩化学作用的影响因素 水岩化学作用的实例 元素迁移过程物理化学条件的判断标志,3,一、地球系统的化学作用和化学迁移,1、地球系统的化学作用类型,按发生作用和生成物质的相、态进行分类，可以分为： （1）水岩反应和水介质中的化学作用，如大气降水与地表岩石的相互作用，沉积盆地中的水岩作用 （2）熔岩反应和熔浆化学作用 （3）水气化学作用 （4）岩岩化学作用，如地外物质撞击地球表面的岩石、在构造断裂带中岩石间的相互作用 （5）有机化学作用，包括地表和地下的有机化学作用 ，如石油和天然气的形成过程。,4,一、

2、地球系统的化学作用和化学迁移,2、元素的地球化学迁移,2.1 元素地球化学迁移,自然界的物质是不断运动的！元素也必然包含其中！ 地壳中的元素互相结合组成各种矿物、岩石等，对于其元素的整个历史来看，只是一个暂时的片断，它是在某个物理化学条件下，元素相对稳定、相对静止的一个暂时形式。随着地壳物质的不断运动和物理化学环境的改变，这种相对稳定性将遭到破坏，元素将以各种方式发生活化转移，并以一种新的形式再相对稳定下来。元素在自然界（地壳）的这种作用就称为元素的地球化学迁移。也就是说当元素发生结合状态变化，并伴随有元素的空间位移时，元素就发生了地球化学迁移。,5,一、地球系统的化学作用和化学迁移,2、元素

3、的地球化学迁移,2.1 元素地球化学迁移,元素的地球化学迁移过程包括了三个过程： 元素从原来固定（稳定的结合）状态转化为活动（非稳定结合）状态，并进入迁移介质； 元素在介质中发生空间位移，在这一阶段可以发生形式变化，但不形成稳定的固相； 元素迁移到新的空间，形成稳定结合，沉淀或结晶出新的矿物。,6,一、地球系统的化学作用和化学迁移,2、元素的地球化学迁移,2.1 元素地球化学迁移,元素地球化学迁移的内涵： 空间上的位移表现为元素发生了重新分配、元素的分散和集中的分带性； 时间上变化应涉及到从元素形成、演化发展到目前阶段的整个历史，也包含某个时期元素活化、搬运和沉淀的阶段性； 元素的迁移（量和质

4、的变化）孕育在各种地质作用之中，为其有机的组成部分，记录着作用的过程。,7,一、地球系统的化学作用和化学迁移,2、元素的地球化学迁移,2.2 物质迁移的类型将物质的迁移按运动的营力和物质的存在形式进行分类： （1）化学和物理化学迁移，包括物质在硅酸盐熔体、水溶液和气相中的迁移，物质的质点小，通常呈分子、离子和胶体 （2）生物和生化学迁移，如光合作用、生物还原（硫）作用 （3）机械迁移，岩屑、矿物碎屑等形式。,8,一、地球系统的化学作用和化学迁移,2、元素的地球化学迁移,2.3 元素迁移的标志,（1） 通过矿物组合的变化来判断； （2） 通过岩石中元素含量的系统测定和定量计算来判定； 等体积计算

5、法， 等阴离子计算； （3） 物理化学界面。,9,一、地球系统的化学作用和化学迁移,2、元素的地球化学迁移,2.4 元素在水介质中迁移能力的影响因素,元素的存在形式；如吸附态、晶体 晶体化学键类型； 元素的地球化学性质；如电价、半径 体系的物理化学条件。,10,二、水岩化学作用,1、水岩化学作用的物理化学条件,2、水岩化学作用的基本类型,3、地球中天然水的类型,4、水溶液中元素的搬运形式,11,二、水岩化学作用,1、水岩化学作用的物理化学条件,1.1 低温水岩化学作用的物理化学环境,（1）过量水的体系； （2）水岩间长期的化学作用使水体系中含有大量的作用剂（O2、CO2、H、OH）和各类电解质

6、盐类； （3）常有生物和有机质参加作用； （4）富氧和富CO2； （5）温度偏低，但变化迅速（昼夜变化）； （6）一般处于低压环境。,12,二、水岩化学作用,1、水岩化学作用的物理化学条件,1.2 高温水岩化学作用的物理化学环境,（1）相对少量水的体系； （2）水体系中含有大量的作用剂和各类电解质盐类； （3）氧逸度相对较低，主体是相对富CO2或富SO2的还原环境； （4）温度主要在200400 ，可达700 ，压力与深度和构造环境有关； （5）PH值在39之间； （6）可以由生物和有机质参加作用，但不如低温条件下活跃。,13,二、水岩化学作用,2、水岩化学作用的基本类型,2.1 氧化还原反应

7、,实质就是电子转移，如铁橄榄石氧化（蚀变），硫铁矿氧化等：,14,二、水岩化学作用,2、水岩化学作用的基本类型,2.2 脱水和水解反应,水解作用的实质是H或OH进入矿物晶格，分别取代其中的阳离子或阴离子，从而形成新的矿物：,15,二、水岩化学作用,2、水岩化学作用的基本类型,2.2 脱水和水解反应,16,二、水岩化学作用,2、水岩化学作用的基本类型,2.2 脱水和水解反应,温度和压力升高，可以使粘土矿物脱水：,17,二、水岩化学作用,2、水岩化学作用的基本类型,2.3 水合反应,水合作用的实质是是分子整体进入矿物晶格，从而使矿物的体积增大：,18,二、水岩化学作用,2、水岩化学作用的基本类型,

8、2.4 碳酸盐化和脱碳酸盐反应,碳酸根（CO32）和重碳酸根（HCO32）离子与矿物或岩石间发生的作用称为碳酸盐化反应，结果是矿物被部分或全部溶解。,19,二、水岩化学作用,2、水岩化学作用的基本类型,2.4 碳酸盐化和脱碳酸盐反应,矿物或岩石间发生作用并放出碳酸根（CO32）和重碳酸根（HCO32）称为脱碳酸盐化反应，如：,2.5 阳离子交换,阳离子交换主要发生在粘土矿物或胶体的交换吸附过程中。,20,二、水岩化学作用,2、水岩化学作用的基本类型,2.5 阳离子交换,不同粘土矿物进行阳离子交换时，能发生交换的最大阳离子量称为阳离子交换容量。,流体相参加的交代过程，如钾长石的钠长石化：,21,

9、二、水岩化学作用,2、水岩化学作用的基本类型,2.6 高温水岩化学作用的特点,水岩比通常较小，盐度高，水动力条件变化大类型与低温水岩作用相似，但具有以下特点：,（1）在高温溶液中，络合物是成矿元素的主要存在形式。,（2）除CO2外，H2S、H2、NH4、F、B和PO43、H2O等高温射气元素和组分经常参与高温水岩作用。,（3）高温水溶液中存在大量的易溶盐类，增大了难熔元素的溶解度（盐效应）。,22,二、水岩化学作用,3、地球中天然水的类型,3.1 地球中的流体,地球中的流体不仅仅是指水溶液相，常见的主要有以下几种： （1）各类硅酸盐岩浆（或称硅酸盐熔融体），包括从酸性到超基性，以及碱性的各类火

10、成岩都是硅酸盐岩浆结晶形成的硅酸盐熔融体。 （2）以水为主的流体，包括岩浆水、变质水、同生水、海水、卤水、地表水、地热水等。 （3）以碳氢化合物为主的流体，如石油、天然气等。,23,二、水岩化学作用,3、地球中天然水的类型,3.2 地壳中水流体相的形成,除同生水、海水和地表水外，岩石圈中的水与地壳的“去流体”作用有关。 （1）沉积物的“去流体”作用，沉积物在压实成岩作用中释放流体是地壳中流体的一种来源。 （2）变质作用放出流体 （3）岩浆作用产生热液，岩浆中最多大约56的水和CO2等挥发分，这些挥发份随岩浆上升释放出来形成流体。,24,二、水岩化学作用,4、水溶液中元素的搬运形式,（1）易溶盐

11、类氯化物和硫酸盐。 （2）碱土金属的碳酸盐（CaCO3、MgCO3）和SiO2。 （3）Fe、Mn、P的化合物以及V、Cr、Ni、Co、Cu等元素。这些元素的化合物溶解度一般较小，除部分形成真溶液外，大多形成胶体。 （4）石英、硅酸盐和铝硅酸盐类矿物。溶解度极小，主要呈悬浮物或颗粒物状态。,溶解物质为主，地表水溶液中元素的搬运形式可划分为以下四种基本类型：,25,三、水岩化学作用的影响因素,1、体系组成对水岩化学作用的影响,影响因素有两个方面，一方面是与元素本身性质有关；另一方面与环境因素有关，体系组成和物理化学条件。,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,26,三、水岩化学作用的影响因素

12、,1、体系组成对水岩化学作用的影响,1.1 活度积原理,包括两个方面：一是化合物本身，二是其它化合物的影响，如盐效应和共同离子效应。,27,三、水岩化学作用的影响因素,1、体系组成对水岩化学作用的影响,1.1 活度积原理,根据质量作用定律，其平衡常数： K=Ca2+F-2/CaF2固 (CaF2是固体，其活度为1) Ksp = Ca2+F-2 (Ksp为活度积) 在一定温度下，难溶化合物中该化合物的离子活度乘积是一个常数， 这个常数称为活度积。,28,某些化合物的溶度积（25oC）（引自.别列尔曼，1968）,20oC时的溶度积,29,从表上可见，各种化合物的理论溶度积相差悬殊，达几十个级次，

13、各类溶度积由大到小的顺序为： S2 PO43 CO32 SO42 Cl-什么是溶度积原则？在天然水中金属元素首先选择形成活度积最小的化合物的阴离子化合，形成沉淀。这些阴离子称为对方的沉淀剂，如S2是大多数重金属的沉淀剂。,（续上表）,30,例1. 硫化物矿床的氧化带经常见到白铅矿（PbCO3）、铅矾（PbSO4），而在炭质页岩、煤层中黄铁矿和方铅矿等硫化物常见。为什么呢？,溶度积原则的应用：,31,溶度积原则的应用：,硫化物矿床氧化带由于原生硫化物的氧化，地下水中Pb2浓度很高，很容易达到沉淀PbCO3 (1.51013）、PbSO4（2108）的Ksp，因此，在合适的条件下很容易形成白铅矿和

14、铅矾。 而在自然界中，由于硫化物的Ksp很小PbS(11029)、FeS2（11019），凡是只要有S2离子的存在，一般情况都能形成黄铁矿、方铅矿等硫化物。可见在成岩水中Pb2、Fe2、Zn2离子浓度是很低的。,现象解释：,32,三、水岩化学作用的影响因素,1、体系组成对水岩化学作用的影响,1.2 共同离子效应,当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溶化合物时，原难溶化合物的溶解度会降低，称为共同离子效应。其实只受活度积制约。 当溶液中出现能够形成更低活度积矿物的其它离子时，会发生活度积更低矿物的沉淀和已沉淀原矿物的溶解，这就是常说的“交代作用”。,33,例2. 用溶度积原理产生

15、的同离子效应解释矿物的交代作用,活度积更低的菱锶矿矿物沉淀(SrCO3)，交代了原矿物天青石 （SrSO4）。 交代作用的方向和程度取决于溶液中沉淀 剂的活度比（SO42/ CO32）。,则发生了SrCO3交代SrSO4的现象。其原因是：SrSO4的Ksp（2.8107） SrCO3的Ksp（1.6109），,34,三、水岩化学作用的影响因素,1、体系组成对水岩化学作用的影响,1.3 盐效应,当溶液中存在易溶盐类（强电解质）时，溶液中的含盐度对化合物的溶解度会产生影响，表现为随溶液中的电解质浓度增大将导致其它难溶化合物的溶解度增大，称为盐效应。,I=0.5(m1z12+m2z22+mnzn2)

16、,a= c,35,三、水岩化学作用的影响因素,1、体系组成对水岩化学作用的影响,1.4 胶体作用,胶体的质点大小界于10-610-9m之间，它有两个基本特点： 胶体具有很大的比表面积（单位体积所具有的表面积），具有很大的表面能，致使它们具有很强的吸附作用；,胶体质点带有一定电荷。相同胶体质点，由于带有同种电荷，互相排斥，而使其保持悬浮状态。,36,三、水岩化学作用的影响因素,1、体系组成对水岩化学作用的影响,1.4 胶体作用,胶体分类：自然界胶体分为正、负两类，负胶体相对分布更广泛。,37,负胶体吸附溶液中的正离子，如：MnO2胶体吸附Cu、Pb、Zn、Co、Ni、Li、K、Ba、Ti等多种阳

17、离子（沉积锰矿石中元素组合特征）；Fe2O3n+胶体则主要吸附呈酸根阴离子存在元素，如HVO42-、H2VO4-、CrO42-、PO43-、AsO43-、GeO44-等。,三、水岩化学作用的影响因素,1、体系组成对水岩化学作用的影响,1.4 胶体作用,38,三、水岩化学作用的影响因素,1、体系组成对水岩化学作用的影响,1.4 胶体作用,（1）带有异种电荷的胶体发生“相互聚沉”,（2）电介质促使胶体凝聚沉淀，如三角洲沉积成矿,（3）胶体浓度增大时可以促使发生凝聚。蒸发作用成岩成矿,（4）pH值对胶体的搬运和沉积有很大影响。,39,实验：,1.5 元素易溶络合物及其稳定性,NaAgCl2的溶解度大

18、，从而大大增强了Ag在溶液中的迁移能力。 研究表明：在自然界的水溶液中，许多重金属元素是在一定的条件下形成易溶的、具有一定稳定性的络合物形式进行迁移的。,三、水岩化学作用的影响因素,1、体系组成对水岩化学作用的影响,40,对于地球化学来说，在自然界重要的络合物有两类： (1) 无机络合物：由一个中心阳离子和若干个配位体（可以是离子、络离子和分子）组成，每个配位体中只有一个原子与中心阳离子形成配价键。在自然界这类配位体有：Cl、F、O2、S2、OH、HS、HCO3、CO32、SO42、H2O、NH3、Br、I、CN等。 例如：Sn元素在自然界内生成矿作用中常以Na2SnF6 的形式迁移：,1.5

19、.1 络合物的类型,1.5 元素易溶络合物及其稳定性,41,(2) 有机络合物（螯合物）：是具有环状结构的配位化合物，配位体大多是有机物质：COO-， NH2，RS-，ROH，RO-，胶状高分子有机酸、腐殖酸等（R是有机分子团）。有机络合物的特征是：一个配位体至少提供两个配位原子与中心离子成键，使每个配位体与中心离子形成环状结构。例如：,1.5.1 络合物的类型,1.5 元素易溶络合物及其稳定性,在自然界，具环状结构的有机络合物一般比较稳定，在表生作用中有机络合物是一些重金属元素迁移的主要形式。,42,1.5.2 络离子的稳定性不稳定常数(k不) 络离子在水溶液中的稳定性取决于它的电离能力的大

20、小，这种电离可以表示为下面的一般形式: Men+Axm-y- Men+ XAm- Me:中心离子 A:配位体 当电离达到平衡时，离子浓度(严格地说是离子活度)之间存在着以下关系： K不 = Men+Am-X/MeAxy- 络合物的平衡常数称为络合物离解常数，亦称络合物的不稳定常数，用K不来表示。 K不表示了络合物稳定性的大小，对于相同配位体的络合物，K不值越大，络合物在溶液中越不稳定（易离解），迁移越近；K不值越小，络合物越稳定，搬运得越远。,1.5 元素易溶络合物及其稳定性,43,1.5.3 自然界络合物形成的环境 (1) 由于络合物必须在高浓度配位体环境中才能形成，因此在地壳中最发育络合反

21、应的环境有：岩浆期后富含挥发份的热液、热卤水溶液 (2) 富含高电负性的配位体环境；如：F-、Cl-、SO42-、CO32-等，高电负性配位体的化学性质活泼，可以取代化合物中弱电负性的阴离子或弱配位体，形成较稳定的络离子。 (3) 高浓度碱性阳离子的存在（Na+、K+、Ca2+）有利于络合作用的发生。碱性阳离子具有双重作用： 使介质呈碱性：具两性的成矿元素形成络阴离子的(BeO4)6形式； 作为阳离子，与络阴离子结合成溶解度大的络合物，如：K2WO2F4,1.5 元素易溶络合物及其稳定性,44,1.5.4 研究络合物稳定性的意义 (1) 确定元素沉淀的分离和空间上的分带性。 天然水中存在各种元

22、素的络合物， 由于其稳定性不同，其迁移能力就有差异，这就导致元素迁移时被搬运的距离和沉淀先后的不同，为此，可造成元素沉淀的分离和空间上的分带性。 用实验的方法研究重金属络合物Mex+(HS)nxn的搬运，根据这些络合物的不稳定常数K不确定其活动性的顺序： Fe Co Zn Pb Cd Cu Hg K不：大 小 这一顺序与一般热液矿中所观察到的元素从热液中析出的顺序以及它们在矿床和原生晕中的分带规律大致相似。,1.5 元素易溶络合物及其稳定性,45,1.5 元素易溶络合物及其稳定性,1.5.4 研究络合物稳定性的意义,46,地球化学思维实例分析:,江西修水香炉山钨矿 石英黑钨矿脉产在花岗岩裂隙带

23、中 ； 工程揭露表明，石英脉下部密集硫化物（PbS、FeS2）等，而在石英脉上部黑钨矿(Fe,Mn)WO4明显富集； 黑钨矿富集处两侧围岩中具萤石化和含氟电气石化。,47,请讨论：, W元素可能的迁移形式； 为什么会形成下部硫化物和上部黑钨矿空间分带？ 在与灰岩的接触带还可能形成什么岩石和矿化？ 分析： 1) 从黑钨矿富集处两侧围岩中蚀变矿物（CaF2 ，含氟电气石)成分推测，W6+在热液中迁移形式：(K.Na)2WO3F2或(K，Na)2WO3Cl2. 而它们的沉淀环境是需要较富氧的环境才能形成WO42- 化合物的沉淀。2) 早期，深部裂隙中含矿热液中有较多量的S2-存在（H2S)， 这时O

24、2-是不足的，由于硫化物的溶度积很低，溶液中Pb2+， Zn2+， Cu2+只需很低的浓度就能形成硫化物沉淀; 而钨仍呈络合物形式在溶液中迁移。,48,3) 晚期，溶液运移到浅部裂隙带，游离氧的浓度大大增加，促使络合物离解: 将它的同伴F-，Cl- 离子配位体全部撤换成 O2-，形成钨酸根 WO4 2-，与溶液中Fe2+、Mn2+、Ca2+结合而发生沉淀（黑钨矿、白钨矿），配位体F- 形成萤石， 含氟电气石。,(Mn,Fe)WO4,49,实例图解,50,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.1 pH值对元素迁移的影响,天然水中酸碱度（pH值）取决于什么？ 取

25、决于溶解于水中的物质其总的电离平衡关系中H+OH-浓度，一般情况下地表pH值变化范围在49。酸性水：火山口湖水，海底热卤水，硫化物矿床氧化带水； 碱性水：干旱地区碱性土壤水。,51,在自然界中引起溶液酸碱变化的原因有两个: 溶液的稀释; 溶液和矿物、岩石之间发生中和反应。 （1） 水溶液pH值影响化合物的溶解和沉淀对于Fe2+和Fe3+来说它们的氢氧化物的pH值要求不同： FeSO4+2H2O Fe(OH)2 + 2H2SO4 (pH=5.5) Fe2(SO4)3+6H2O 2Fe(OH)3+ 3H2SO4 (pH=2.48) Fe3+只能在强酸性(pH2.48)水溶液中迁移，一旦pH值增高，

26、 Fe(OH)3将会很快沉淀下来。,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.1 pH值对元素迁移的影响,52,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.1 pH值对元素迁移的影响,53,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.1 pH值对元素迁移的影响,54,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.1 pH值对元素迁移的影响,n,矿物沉淀pH值计算：,55,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.1 pH值对元素迁移的影响,56

27、,自然界有两种Fe帽类型：纯铁帽和铁锰帽。它们是在什么样的酸碱度水溶液条件下形成的？ Mn(OH)2 沉淀pH值为9，是碱性条件，因此： 在表生作用过程中，当水介质为偏酸性时，Mn大部分淋失，而Fe(OH)2、Fe(OH)3是稳定的，形成纯铁帽； 而当水介质呈弱碱性时， Fe、Mn氢氧化物都沉淀，而形成Fe-Mn帽。,（2） pH值的作用能使得自然界某些元素共生或分离,57,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.1 pH值对元素迁移的影响,（3） pH值影响两性元素的迁移形式,（4） pH值影响盐类水解,58,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境

28、对水岩化学作用的影响,2.2 氧化还原电位Eh的影响,（1） 环境的氧化还原电位Eh,根据能斯特方程，在某个平衡状态下，有着一个电位，即环境中各种离子间氧化还原反应达到平衡时的电位，称之为环境的氧化还原电位。,59,自然界氧化还原环境的极限是由水的稳定场来确定:,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.2 氧化还原电位Eh的影响,（1） 环境的氧化还原电位Eh,60,水稳定场的下限:,H22H+2e Eh0=0V，Eh=-0.059pH,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.2 氧化还原电位Eh的影响,水稳定场的上限: 2H

29、2O O2 + 4H+ + 4e Eh0=1.229V Eh=1.229-0.059pH,61,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,压力影响较小，pH值影响显著，但只有在H和OH参加反应的情况下才有影响。,2.2 氧化还原电位Eh的影响,（2） 非标准条件下氧化还原电位Eh的计算,62,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.2 氧化还原电位Eh的影响,（2） 非标准条件下氧化还原电位Eh的计算,非标准态,反应平衡时,标准态,63,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.3 E及Eh对化学作用

30、的影响,氢氧化物，低价易迁移；酸根或络合离子，高价易迁移。,64,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.3 E及Eh对化学作用的影响,1)写出所有可能的矿物相或水溶物种 2)写出所有可能的反应 3)计算EhpH方程 4)剔除亚稳相 5)作图,计算固体矿物和水溶物种EhpH稳定场的一般步骤如下：,65,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,以Fe-H2O体系为例,体系中可能存在的矿物：Fe、Fe(OH)2、 Fe(OH)3、Fe3O4、Fe2O3、FeO和FeOOH 可能存在的离子：Fe3、Fe(OH)2、 Fe(OH)30、

31、Fe(OH)2、 FeO2、Fe2、HFeO2等,2.3 E及Eh对化学作用的影响,66,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,以Fe-H2O体系为例,2.3 E及Eh对化学作用的影响,67,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,以Fe-H2O体系为例,2.3 E及Eh对化学作用的影响,68,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,酸性溶液中：Fe2Fe3e 0.77（V）,碱性溶液中： Fe（OH)2OHFe（OH)3e -0.55（V）,2.3 E及Eh对化学作用的影响,69,三、水岩化学作用的影

32、响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.4 温度和压力的影响,温度升高，加快蒸发作用和反应速度； 温度升高对吸热反应有利；降低对放热反应有利；,压力增加有利于向体积减小的方向移动。,重要组份：水和大气,70,71,72,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.5 晶体类型的影响,73,三、水岩化学作用的影响因素,2、体系物理化学环境对水岩化学作用的影响,2.6 地球化学障的影响,在元素迁移途中，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的元素迁移能力下降，元素因形成大量化合物而沉淀，则这些引起元素沉淀的条件或因素就称为地球化学障。,

33、74,四、水岩化学作用的实例,1、风化过程中的水岩化学作用 2、沉积地球化学作用 3、高温水岩化学作用,75,风化作用类型,物理风化：温度变化、矿物岩石的膨胀和破裂等 化学风化： 方解石的溶解（无固体风化残余，所有的离子均溶解于溶液中）：CaCO32H+ Ca2+H2OCO2（气体） 铁镁矿物的分解（风化残余矿物包括铁化合物和粘土）：FeMgSiO4（橄榄石）2H+ Mg2+十Fe(OH)2SiO22KMg2FeAlSi3O10(OH)2(黑云母)10H+1/2O2（气体） 2Fe(OH)3Al2Si2O5(OH)4（高岭石粘土）4SiO22K+4Mg2+2H2O 长石的分解（粘土是常见的风化

34、残余）： 2NaAlSi3O8（钠长石）2H+十H2OAl2Si2O5(OH)44SiO22Na+ 黄铁矿的溶解（形成溶解硫酸H2SO4）：2FeS2十5H2O15O2（气体）4H2SO4十Fe2O3H2O 以上各方程式中的SiO2常被溶液所搬走。 生物风化 ：植物根劈作用，动物活动等,四、水岩化学作用的实例,1、风化过程中的水岩化学作用,76,四、水岩化学作用的实例,1、风化过程中的水岩化学作用,1.1 风化作用的化学反应类型,化学风化是指岩石和矿物在表生水、二氧化氧碳等作用下的分解过程，涉及岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的相互作用以及元素的地球化学循环。 化学风化是由热力学上不稳定的矿物为适

35、应富含水和大气气体的地表环境而引起的。,（1）溶解作用 （2）氧化作用 （3）水解作用 （4）离子交换作用,Mg2SiO4（镁橄榄石）4H2O2Mg24OHH4SiO4,78,四、水岩化学作用的实例,1、风化过程中的水岩化学作用,1.2 影响化学风化的主要因素,（1）母岩的化学成分和矿物的耐风化能力氧化物硅酸盐碳酸盐和硫化物 （2）介质因素：水、氧气、二氧化碳等没有水，化学风化作用就无法进行。 （3）环境条件：温度、酸碱度、Eh等,79,四、水岩化学作用的实例,1、风化过程中的水岩化学作用,1.3 风化壳的分带及硅、铝和铁的分异演化,1.3.1 风化壳的形成和风化壳发育的阶段性,暴露在地表的岩

36、石经风化后，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薄壳，称为风化壳。反应类型：溶解反应和氧化还原反应；元素迁移包括：淋滤和聚积两个方面。 岩石风化过程呈阶段性：碎屑阶段、饱和硅铝阶段、酸型硅铝阶段、铝铁土阶段。 矿物风化过程呈阶段性： 钾长石绢云母水云母高岭石； 辉石角闪石绿泥石水绿泥石蒙脱石多水高岭石高岭石； 黑云母蛭石蒙脱石高岭石。,80,四、水岩化学作用的实例,1、风化过程中的水岩化学作用,1.3 风化壳的分带及硅、铝和铁的分异演化,1.3.1 风化壳的形成和风化壳发育的阶段性,钾长石云母高岭石三水铝矿间的平衡反应如下：,

37、81,四、水岩化学作用的实例,1、风化过程中的水岩化学作用,1.3 风化壳的分带及硅、铝和铁的分异演化,1.3.1 风化壳的形成和风化壳发育的阶段性,风化壳分带性（由下而上）：,（1）半分解带和部分淋滤的基岩，pH值8.59 （2）不完全风化带或硅铝岩（粘土矿物）带，pH值58.5 （3）风化残余带，pH值5,自下而上：酸度递增，硅的溶解度递减，氧化作用增强。,82,四、水岩化学作用的实例,1、风化过程中的水岩化学作用,1.3 风化壳的分带及硅、铝和铁的分异演化,1.3.2 红土化过程中硅、铝和铁的化学演化,红土或砖红壤成因机制的核心是热带土壤中粘土矿物的稳定性问题。热带土壤分为两类：一是以粘

38、土矿物为主的土壤；另一类是铁质红土和铝质红土，其中粘土矿物含量较少。,83,地球化学实例分析,风化淋滤型富铁矿形成的地球化学机制: 原生矿床是前寒武纪铁、硅建造（条带状磁铁石英岩），矿层矿物组合: 一类是不含硅酸盐矿物或少含硅酸盐矿物的磁铁石英岩； 另一类是含硅酸盐矿物的磁铁、赤铁石英岩。 化学成分: Fe3O4、Fe2O3、Al2O3 和 Fe、Al、Ca、K、Mg 等硅酸盐类。 有利条件: 湿润热带、亚热带气候，水、热条件充足，生物活动旺盛，化学风化和生物风化剧烈，矿物破坏强度大，形成几十到几百米风化壳，准平原地形有利于淋滤及风化壳的保存。,84,地球化学机制,首先, 矿源层中不稳定、易分

39、解的角闪石, 方解石发生分解； 然后，磁铁矿被赤铁矿所交代, 形成假象赤铁矿: Fe3O4 Fe2O3 Fe2O3 (磁铁矿) (磁赤铁矿) (赤铁矿) 等轴 等轴 三方 随之进行的是铁硅酸盐（绿泥石）分解为Fe(OH)3和高岭土等粘土矿物；最后，在风化过程中，未被分解的矿物只剩下石英和氧化铁了。当溶液为碱性或弱碱性时, 最有利于SiO2 淋失, 从而铁质不断富集逐渐由贫变富(Fe提高了1.51.9 倍), 形成大型富铁矿。,85,转变为氧化富铁矿的地球化学过程再现,经强烈风化，在弱碱性或碱性条件下，碱金属，碱土金属和SiO2的大量淋滤流失，Fe、Al、Ti等组分残留富集。,86,87,四、水

40、岩化学作用的实例,1、风化过程中的水岩化学作用,1.4 硫化物矿床的表生氧化作用,1.4.1 硫化物矿床氧化带的分带性,88,四、水岩化学作用的实例,1、风化过程中的水岩化学作用,1.4 硫化物矿床的表生氧化作用,1.4.2 硫化物在氧化带中的氧化方式,89,四、水岩化学作用的实例,1、风化过程中的水岩化学作用,1.4 硫化物矿床的表生氧化作用,1.4.3 次生硫化物富集亚带的形成,90,海洋水和大陆水中微量元素的种类和含量在各相中的组成有很大区别，河水中绝大部分分散元素集中在悬浮物质中，海洋中溶解态分散元素的比值较大，甚至一些不易呈溶解态的元素，如铅、钪、锆、钛、铬等，在海水中也主要以溶解态

41、出现。在河水和海水中元素的含量差异很明显，如在河水中的溴要比海水中低数千倍，硼低数百倍，锶、锂、铷、氟、碘低数十倍，但河水中的锰、钇、铅、钍却比海水中高几十倍也就是说，当河水进入海洋时，分散元素的溶解态发生了再分配。海洋水中绝对浓度明显增加的元素，相对浓度的增加也最强烈，相对浓度变化不大的元素，是那些在河流进人海洋时和铁一起在海洋边缘地带沉淀下来的元素，如钍、钪、锆、钛、钇等。,四、水岩化学作用的实例,2、沉积地球化学作用,2.1 河水流向海洋过程中元素组份的变化,包括：风化、搬运、沉积和埋藏成岩等过程。,91,四、水岩化学作用的实例,2、沉积地球化学作用,2.2 分散元素从海水中迁出的过程,

42、与元素的沉积和吸附过程过程有关。 两类沉积物：一类主要是浮游生物形成的生物淤泥，分布最广的是石灰质（碳酸盐的）软泥；二类是非生物成因的微粒组成，以粘土质淤泥为主体。根据沉积浓度系数：kcO/C，微量元素分布特征如下：,钍、锰、钇、锆、钛、铌、钪等在沉积物中含量最高； 重金属（铅、铬、铜、钴、镍、钒、锌），以及镓和锗，它们一部分进入非生物成因悬浮物中，大量以溶解态被强烈吸附在粘上质淤泥中； 一些在海水中易溶解的金属和非金属元素，如锂、铷、铀、氟、砷、汞、铜、锡、硒、锑、铯等，它的沉积主要与吸收或吸附作用有关。,92,四、水岩化学作用的实例,2、沉积地球化学作用,2.3 海洋沉积速率与金属元素迁移

43、的关系,沉积物共沉淀、交换吸附等表面反应获取金属元素。 局部还原环境，碳质页岩、岩质灰岩、沉积菱铁矿、鲕绿泥石、沉积黄铁矿等。 表生环境还原条件类型：（1）水阻隔缺氧（150m以下）；（2）生物和有机物还原作用。 过量元素：当元素在富有机质沉积物中的含量远高于他们在陆源沉积岩中的含量时，这些元素被定义为“过量元素”。 过量元素含量：富有机质沉积物中给定金属的总量相对该金属在陆源组分、蛋白石和钙质组分中的平均含量之差，定义为“过量元素的含量”。,93,四、水岩化学作用的实例,2、沉积地球化学作用,2.3 海洋沉积速率与金属元素迁移的关系,94,四、水岩化学作用的实例,2、沉积地球化学作用,2.3

44、 海洋沉积速率与金属元素迁移的关系,95,四、水岩化学作用的实例,2、沉积地球化学作用,2.3 海洋沉积速率与金属元素迁移的关系,研究结果表明，还原条件下有利于金属离子沉积，有机质及与其有成因关系的硫化物是重金属元素的富集剂。有机质通过三种方式富集金属： （1）有机质还原SO42生成S2，促使生成硫化物沉淀； （2）活的生物体吸收金属元素； （3）生物死后的有机质或有机碳吸附金属离子。 金属离子补给方式：（1）外海的补给；（2）陆源带入物的补给。 有利沉积环境：浅海海湾、泻湖、礁堤、近岸陆棚等。,96,97,98,四、水岩化学作用的实例,3、高温水岩化学作用,3.1 深源水溶液的类型及化学组成

45、,怀特及斯金纳根据水的化学成分、同位素组成和水中的气体成分等，将地下热水划分为六种成因类型：大气降水；深循环海水；经过演变的同生水；变质水；岩浆水；初生水。,（1）热泉水，特点：氢氧同位素表明来自大气降水深循环，矿物质（金属元素）含量高，盐度变化较大，可以成矿。,（2）海底热液，特点：氢氧同位素接近海水，盐度较大，SiO2、Fe、Mn和重金属含量高，热液呈酸性，富H2S，含大量硫化物。,（3）岩浆热液，来自经历结晶过程的酸性和中性岩浆，特点：含有大量的Si、Al、Fe等难熔元素和高温射气元素，矿物质（金属元素）含量与初始岩浆中的成矿元素含量和岩浆演化历程有关。,99,四、水岩化学作用的实例,3

46、、高温水岩化学作用,3.2 高温下元素迁移和成矿化学作用机制研究实例,（1）锡石石英脉型矿床的地质特征,80100的Sn分配在黑云母中 白云母中Sn含量远低于黑云母,100,四、水岩化学作用的实例,3、高温水岩化学作用,3.2 高温下元素迁移和成矿化学作用机制研究实例,（2）锡石石英脉型矿床成矿过程（巴尔苏科夫）,第一阶段：花岗岩发生自变质作用，t300，pH8，长石发生钠长石化，锡从黑云母中析出来，形成氟锡络合物形式。,第二阶段：沿压力降低的方向，氟锡络合物向上运移。,第三阶段： t300，pH7.5，氟锡络合物发生水解析出锡石的同时，矿脉内和围岩附近结晶出萤石、黄玉、毒砂、电气石等矿物。,

47、由矿物包裹体研究得知：pH：68.3；成矿温度：250300 ,101,锡石石英脉成矿机理演示,102,四、水岩化学作用的实例,3、高温水岩化学作用,3.3 交代变质作用,（1）热液蚀变,云英岩化：形成以白云母和石英为主要成分岩石的高温热液蚀变作用。常发生在花岗岩类侵入体中，由岩浆期后富水、硼、氟等挥发分和钾、硅的高温流体作用于酸性围岩而形成。矿物成分除白云母，石英以外常见有萤石、黄玉、锂云母、电气石等。并共生有钾长石化和钠长石化作用。云英岩多呈脉状产出，共生有云英岩型矿床，如黑钨矿、白钨矿、绿柱石、锂云母、锡石、辉钼矿以及铌、钽、稀土等。,103,四、水岩化学作用的实例,3、高温水岩化学作用

48、,3.3 交代变质作用,（2）矽卡岩化,单交代矽卡岩：围岩裂隙发育，压力差显著，迁移元素单向运移。,双交代矽卡岩：围岩裂隙不发育，压力差小，迁移元素双向运移。,活性组份：发生迁移，含量变化的元素。,惰性组分：含量基本不变的元素。,双交代作用图解 1石灰岩；2石灰岩中之砂岩层；3花岗岩；4矽卡岩带；5矽卡岩带中原来的接触面；6各区的界线；7溶液流动方向；8惰性组份扩散方向 、系双交代作用为主；接触渗滤交代作用占优势,105,106,四、水岩化学作用的实例,3、高温水岩化学作用,3.3 交代变质作用,（3）交代过程反应的类型及控制条件,离子交换、脱水反应、水解反应较多，也可发生碳酸盐化和脱碳酸盐化反应。,浓度差是交代的动力，温度、压力、pH值和Eh是控制反应强度、速度和限度外因。,107,五、 元素迁移过程物理化学条件 的判断标志,成岩成矿温度的确定 成岩、成矿压力的测定 成矿介质酸碱性的确定 介质的氧化还原环境的确定 介质成分的确定,