第七章 風(fēng)化作用地球化學(xué)

1、第七章 風(fēng)化作用地球化學(xué) 風(fēng)化作用地球化學(xué) 一、風(fēng)化作用條件的特點和研究意義 （一）特點 低而速變的溫度（-75 - +85oC） 低壓（常壓） 處于大氣圈游離氧和二氧化碳作用下 水的作用 生物和有機(jī)質(zhì)的參與 營力：太陽能為主 風(fēng)化作用地球化學(xué) （二）研究意義 1.風(fēng)化殼型礦床的形成 Fe Al Mn TR, Nb, Ta, U 風(fēng)化作用地球化學(xué) 2.尋找盲礦的標(biāo)志 風(fēng)化作用產(chǎn)物掩蓋了礦床，但同時在礦 床的土壤及其蓋層存在著次生地球化學(xué) 異常。 風(fēng)化作用地球化學(xué) 3.土壤成分與農(nóng)業(yè)的關(guān)系 煙臺的蘋果 黑云片麻巖優(yōu)于碳酸巖類巖石形成的土壤 溫州蜜桔 長石砂巖和花崗巖優(yōu)于頁巖和砂頁巖形成的土壤 貴

2、州茶葉 砂巖分布區(qū)優(yōu)于碳酸巖區(qū) 風(fēng)化作用地球化學(xué) 二、風(fēng)化過程中元素遷移的一般規(guī)律 （一）影響風(fēng)化作用的因素 物理風(fēng)化 化學(xué)風(fēng)化 生物風(fēng)化 決定于氣候環(huán)境 風(fēng)化作用地球化學(xué) 1.水、氧及CO2 (1) 水的作用 溶劑 參與對巖石的破壞作用（水合和水解） Fe2O3 + nH2O = Fe2O3nH2O 2KAlSi3O8 + 2H2O + CO2 = H2Al2Si2O8 H2O(高嶺石) + K2CO3 + SiO2 風(fēng)化作用地球化學(xué) 2KAlSi3O8 + 3H2O = 2KOH + H2Al2Si2O8 H2O(高嶺石) + 4SiO2 風(fēng)化作用地球化學(xué) 調(diào)節(jié)環(huán)境的pH和Eh 通過與水的

3、反應(yīng)調(diào)節(jié)pH 通過水的氧化還原限制Eh： H2 = 2H+ +2e (水中H+ 被還原） 2H2O =O2 + 4H+ +4e（水中氧被氧化） 風(fēng)化作用地球化學(xué) （2）氧的作用 大氣中的游離氧 21%（體積） PO2 = 0.21大氣壓 溶解于水中的氧，隨溫度降低含量增加 作用：低價離子=高價離子 風(fēng)化作用地球化學(xué) 某些氣體在不同溫度下的溶解度 氣體0 oC20 oC60 oC100 oC H20.02148 0.01819 0.01600.0160 O20.04889 0.03103 0.01950.0172 CO21.7130.8780.359- NH31176702- 風(fēng)化作用地球化學(xué)

4、（3）CO2的作用 大氣中CO2：0.03%（體積） 雨水中CO2：2.14% （體積） 作用： 控制pH值 3CO2 +3H2O = H2CO3 + 3H+ + CO32- + HCO3- 碳酸巖的溶解 CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2 風(fēng)化作用地球化學(xué) 2.pH值 表生帶天然溶液的pH值為：4-9 硫化物礦床氧化帶：2-3 火山地區(qū)強(qiáng)酸性水：1-2 沙漠和堿性湖水：10-12 河水： 7 雨水： 6 海水： 8.5 風(fēng)化作用地球化學(xué) pH值對元素遷移的控制 一般規(guī)律： 低場強(qiáng)元素在酸性條件下易遷移 高場強(qiáng)元素在堿性條件下易遷移 風(fēng)化作用地球化學(xué) 3.Eh值 改變元素的遷移

5、性質(zhì)，如Fe2+, Fe3+ 風(fēng)化作用地球化學(xué) 4.礦物和巖石的耐風(fēng)化能力 礦物：氧化物（鋯石，金紅石，剛玉，尖晶石， 錫石，鈦鐵礦，磁鐵礦等） 硅酸鹽（橄欖石，輝石，長石，云母） 碳酸巖（石灰?guī)r等） 硫化物（黃鐵礦等） 一般規(guī)律：形成條件與表生條件差別大者易風(fēng)化。 風(fēng)化作用地球化學(xué) 5.氣候條件 雨量：決定水與礦物和巖石的接觸 溫度：控制反應(yīng)速率 風(fēng)化作用地球化學(xué) 巖石在溫帶和熱帶化學(xué)風(fēng)化的變化對比 英格蘭閃長巖（溫帶） 印度閃長巖（熱帶） 新鮮巖石上覆黏土新鮮巖石上覆黏土 SiO249.347.350.40.7 Al2O317.418.522.250.5 Fe2O32.714.69.923

6、.4 FeO8.3-3.6- MgO4.75.21.5- CaO8.71.58.4- Na2O4.00.30.9- K2O1.82.51.8- H2O2.97.20.925.0 風(fēng)化作用地球化學(xué) 6.地形和排水條件 山區(qū)： 平原：流水緩慢，存在水的永久飽和帶 風(fēng)化作用地球化學(xué) （二）風(fēng)化過程的化學(xué)反應(yīng)類型 1.水解 2KAlSi3O8 + 3H2O = 2KOH + H2Al2Si2O8 H2O(高嶺石) + 4SiO2 風(fēng)化作用地球化學(xué) 2.氧化反應(yīng)(放熱反應(yīng)) 4FeSiO3 + O2 = 2Fe2O3 +4SiO2 +2144kJ PbS + 2O2 = PbSO4(鉛礬) ZnS +

7、2O2 +7H2O = PbSO4 7H2O(皓礬) 風(fēng)化作用地球化學(xué) 3.水合反應(yīng) Fe2O3 + nH2O = Fe2O3 nH2O 赤鐵礦 水赤鐵礦 Mn2O3 + H2O = Mn2O3 H2O 褐錳礦 水錳礦 CaSO4 + 2H2O = CaSO42H2O 硬石膏 石膏 風(fēng)化作用地球化學(xué) 4.碳酸鹽化 CO32-和HCO3- 2CaAl2Si2O8 + 4H2O + 2CO2 = Al4Si4O10(OH)8 + 2CaCO3 風(fēng)化作用地球化學(xué) 5.陽離子交換反應(yīng) 黏土-2Na+ + CaSO4 Na2SO4 + 黏土-Ca2+ 風(fēng)化作用地球化學(xué) 某些黏土和土壤的離子交換能力(mo

8、l/100kg) 礦物及土壤離子交換能 力 礦物及土壤離子交換能 力 高嶺石3-15土壤的有機(jī)部分 150-500 埃洛石5-50灰化土(美國)2-25 蒙脫石80-150黑鈣土（蘇聯(lián)） 30-60 伊利石10-40黑色印度土50-80 綠泥石10-40潛育土(贊比亞)2-10 蛭石100-150 風(fēng)化作用地球化學(xué) （三）元素的生物地球化學(xué)遷移 1.對大氣中O2和CO2的控制 2.有機(jī)酸對礦物和巖石的風(fēng)化影響 3.植物對元素的選擇性攝取 風(fēng)化作用地球化學(xué) （四）風(fēng)化過程中元素遷移的一般規(guī)律 水遷移系數(shù)： Kx = mx 100/(a nx) 式中mx ：河水中元素x的含量（毫克/升） nx ：

9、匯水區(qū)巖石中x的含量（%） a含于水中的礦物質(zhì)或殘渣總量（毫克/升） 風(fēng)化作用地球化學(xué) 某些元素水遷移系數(shù)計算情況 測量單位 SiCaZnCuFe Mx 毫克/升 1050510-2310-31 nx%29.52.968.310-34.710-34.65 kx0.073.31.20.120.04 計算中 a 為 500 毫克/升，巖石中元素含量為克拉克值 風(fēng)化作用地球化學(xué) 元素的表生遷移性質(zhì) 很活動 kx=n10-100陰離子 S Cl B Br 活動 kx=n Ca Na Mg Sr RaF 弱活動 kx= 0.n K Ba Rb Li Be Cs Tl 陰離子形式 Si P Sn Ge Sb 氧化環(huán)境活動和弱活動 在氧化環(huán)境的酸性和酸性堿性都強(qiáng)烈遷移 (kx= n-0.n ) 弱酸性水中強(qiáng)烈遷移（呈陰離子） 強(qiáng)還原中惰性中性和堿性活動性低 V U Mo Se Re kx 0.1Zn Ni Cu Pb Cd Hg Ag 風(fēng)化作用地球化學(xué) 在還原環(huán)境中活 動或弱活動 kx = n