第04章 元素的遷移和分異

1、第四章 元素的遷移和分異規(guī)律靜止=元素結合是特定條件下暫時的存在形式運動=元素遷移是普遍的、絕對的元素的遷移和分異規(guī)律定義：元素從一種存在形式轉變?yōu)榱硪环N形式，并在運動過程中伴隨著再分配稱為元素的遷移。方式：固態(tài)（擴散和機械形式），氣態(tài)，液態(tài)（水溶液、膠體、熔體等）元素的遷移和分異規(guī)律（一）內因（元素和化合物的狀態(tài)）1.原子的性質（惰性氣體，單質元素）原子質量、半徑、地球化學親和性元素的遷移和分異規(guī)律2.化合物的性質（1）化學鍵；a.分子化合物（CO2,HCl,H2O,H2S）b.離子化合物(NaCl)c.共價化合物（ZnS）元素的遷移和分異規(guī)律（2）離子的電價和半徑 一價化合物：易溶(NaC

2、l,Na2SO4等） 二價化合物：較難溶解（CaSO4等） 三價化合物：極難溶解（Al(OH)3等） 離子電位的概念： = W/R元素的遷移和分異規(guī)律 元素的遷移和分異規(guī)律 Ca2+ + 2OH- = 2.5-8.0 為兩性離子，BeO + H2O = Be2+ + 2OH- 8.0奪取水中的O 2-形成絡陰離子，并使H + 游離：SO2 + H2O = 2H+ +SO32- 元素的遷移和分異規(guī)律（二）外因1.溫度（熔融，溶解）元素的遷移和分異規(guī)律2.壓力（熔融，溶解，尤其含揮發(fā)組分） CaCO3 + SiO2 =CaSiO3 +CO2 方解石 石英 硅灰石元素的遷移和分異規(guī)律3.濃度（如配位

3、體Cl,F等） AgCl(s) + Cl- = AgCl2 -4.Eh(影響價態(tài)=溶解度) Fe(OH)3 410-38 ; Fe(OH)2 4.810-165.PH（作用過程有H+或OH-） 3KAlSi3O8 +2H+ = KAl2AlSi3O10(OH) 2 + 2K + +6SiO2元素的遷移和分異規(guī)律（一）水的性質重要性：控制溶解度、熔點 性質： O：3.5；H：2.1 高沸點（氫鍵） 高介電常數(shù)（81，偶極分子，溶劑）元素的遷移和分異規(guī)律（二）元素溶于水中的形式1.氣體分子在水中的溶解及存在形式 控制因素：偶極分子/非偶極分子 水性質的變化氣體在水中的溶解度（20，1大氣壓，L/L

4、水）溫度對氣體溶解于水中的影響 溫度越高，溶解度越低元素的遷移和分異規(guī)律2.元素在水中的溶解及存在形式（1）強電解質化合物（簡單離子） NaCl =Na + + Cl - KCl = K + + Cl - Na2SO4 = 2Na+ + SO42-元素的遷移和分異規(guī)律元素的遷移和分異規(guī)律(2)弱電離化合物（溶解物中有分子和簡單離子）CaCO3 (s) = CaCO3 (aq)CaCO3 (s) = Ca2+ (aq) + CO32- (aq)溶度積：Ksp = Ca2+CO32-元素的遷移和分異規(guī)律元素的遷移和分異規(guī)律3.水溶液中絡合物的作用（1）絡離子的形成和性質 AgNO3 + NaCl

5、=AgCl (s)+ NaNO3 AgCl(s) + Cl- = AgCl2 - Am B Xnp Am:陽離子; B:中心離子; X配位體 :離子鍵； ：配位鍵元素的遷移和分異規(guī)律 配位體：Cl-,F-,O2-,S2-,OH-,HS-,HCO3-,CO32-,SO42-, NH3, Br-,I-,CN-元素的遷移和分異規(guī)律絡合物穩(wěn)定性的一般規(guī)律：（1）中心離子的性質：a.親石元素離子電位大者其絡合離子較穩(wěn)定b.親銅元素與配位離子的電負性差小的穩(wěn)定。元素的遷移和分異規(guī)律（2）配位體的性質：c.與親石元素的電負性差大者較穩(wěn)定如 FClBrI, OSSeTed.與親銅元素的電負性差小者較穩(wěn)定如 F

6、ClBrI, OOF元素遷移和分異規(guī)律三、酸堿反應和PH的作用（一）自然水溶液PH值的控制反應1.溶解酸性物質（CO2、H2S、SO2、HCl、HF）SO2+H2O H2SO3 2H+ + SO32-元素遷移和分異規(guī)律2.自然水溶解堿性物質（K、Na、Ca、Mg等）Mg2SiO4 + 4H2O 2Mg2+ +4 OH- +H4SiO43.自然水的中和作用元素遷移和分異規(guī)律(二）介質PH值對元素遷移的控制1.溶液PH值增大時，具堿性元素的化合物溶解度降低,如：CaO + H2O Ca2+ +2OH-2.溶液PH值降低時，具有酸性元素的化合物溶解度降低,如：SiO2 + 2H2O H4SiO4 H

7、+H3SiO4-元素遷移和分異規(guī)律3.意義：（1）酸性障和堿性障定義：由于水溶液中PH發(fā)生變化而改變元素原有的遷移狀態(tài)。（2）元素的分異元素遷移和分異規(guī)律四、元素遷移過程中的氧化-還原反應1.標準電極電位及地球化學意義地球化學作用中，相互作用的離子間發(fā)生電子的轉移稱為氧化-還原作用。例如：Fe2+ - e =Fe3+ 氧化 Eo：0.77VV5+ +e =V4+ 還原 Eo ：1.00VFe2+ + V5+ =Fe3+ + V4+ 氧化-還原元素遷移和分異規(guī)律（1）金屬或離子的電極電位(失去和得到電子的趨勢，右圖)（2）標準電極電位: H2 = 2H+ + 2e（3）任意條件下的電極電位:E

8、= Eo +（RT/nF）ln(C氧化態(tài)/C還原態(tài))M Mn+ + ne Eo ：25oC, 1atm下標準電極電位（25oC，酸性溶液中,單位：伏）元素遷移和分異規(guī)律氧化-還原電位資料的應用：（1）Eo低的還原態(tài)給出電子， Eo高的氧化態(tài)得電子而還原。（2）溫度增高，E增大，0.2V/100oC。（3）E與體系中的氧化態(tài)和還原態(tài)離子濃度有關。（4）在有酸堿變化的反應中， E = Eo - 0.059PH (RT/F=0.059)例如：Fe2+ - e =Fe3+ Eo：0.77V是V5+的還原劑，但自身被氧化。V5+ +e =V4+ Eo ：1.00V是Fe2+的氧化劑，但自身被還原。Fe2

9、+ + V5+ =Fe3+ + V4+ 元素遷移和分異規(guī)律2.環(huán)境的氧化-還原電位及其極限定義：體系以外部分占主導組分的氧化-還原電位，表示為Eh。（1）天然水的Eh-PH范圍純水的氧化-還原反應由以下反應限制：H2O 0.5 O2 + 2H+ +2e(水氧化反應)2H+ +2e H2（水還原反應）元素遷移和分異規(guī)律 元素遷移和分異規(guī)律3.氧化-還原反應的意義（1）氧化障與還原障氧化障和還原障的定義：由于氧化或還原反應而改變元素原有的遷移狀態(tài)稱為氧化障或還原障。（2）元素的分異元素遷移和分異規(guī)律五、元素在膠體中的遷移定義：一種物質的細小質點分散在另一種物質中所組成的不均勻分散系。1.膠體的性質

10、及結構（1）性質：質點細小（10-3-10-5mm），比表面積大，表面能大。（2）質點帶電元素遷移和分異規(guī)律膠體粒子的結構 吸附離子反離子反離子膠核 吸附層 （固定層）擴散層| 膠粒 | 膠團元素遷移和分異規(guī)律如負膠體：mSiO2 nSiO32- 2(n-x)H+- 2xH+ 正膠體：m Fe(OH)3 nFeO+ (n-x)Cl-+ xCl- 元素遷移和分異規(guī)律元素遷移和分異規(guī)律 元素遷移和分異規(guī)律2.膠體對元素的吸附規(guī)律(1)膠體優(yōu)先吸附構晶離子。例如，F(xiàn)e(OH)3膠核的溶液中含有Mn2+, Fe3+和OH- ,Al3+,F-,Cl-,SO42-時，F(xiàn)e(OH)3優(yōu)先吸附Fe3+元素遷移

11、和分異規(guī)律(2)離子電價越高越易被吸附，如： Fe 3+ Fe 2+; Al 3+ Ca 2+; Ca 2+ Na+。元素遷移和分異規(guī)律(3)同價離子，離子半徑越大或水合離子半徑越小越易被 吸附，如：Cs+ Rb+ K+ Na+ Li+Ba 2+ Ca 2+ Mg 2+元素遷移和分異規(guī)律3.膠體的聚沉（1）電解質濃度增高（2）正負膠體混合（3）溫度增高（離子碰撞，離子水化降低）元素遷移和分異規(guī)律4.膠體及其吸附的地球化學意義（1）使溶解度小的元素遷移如Al, Fe等（2）頁巖中金屬成礦元素的初步富集（黑色頁巖中相對富集Cu、Pb、Zn）（3）元素在表生條件下的地球化學分離（大陸地殼中富K,Rb

12、）元素遷移和分異規(guī)律六、元素在巖漿熔體中的遷移（一）元素在巖漿熔體中的存在形式1巖漿熔體的結構元素遷移和分異規(guī)律2.熔體的聚合程度與巖漿熔體有關的概念（1）橋氧（BO）：連接兩個硅-氧四面體的氧，表示為Si-O-Si 或Oo。元素遷移和分異規(guī)律（2）非橋氧（NBO）：連接Si4+和一個非四面體陽離子的氧，表示為 Me-O-Si或O-。元素遷移和分異規(guī)律（3）自由氧（FO）：連接非四面體的陽離子的氧，表示為：Me-O-Me或O2-。 熔體的聚合程度： NBO/T NBO/T越大聚合程度越低，其值可由下式計算： NBO/T = (O 2 - T 4) / T元素遷移和分異規(guī)律 熔體的聚合程度示例

13、元素遷移和分異規(guī)律熔體聚合程度的轉化： 2SiO2 + O 2- Si2O52- 架狀 層狀 Si2O5 2- + O 2- 2SiO32- （鏈狀） 2SiO3 + O 2- Si2O76- （啞鈴狀） Si2O76- + O 2- 2SiO44- （島狀）元素遷移和分異規(guī)律3.巖漿熔體中陽離子的結構作用（1）名詞概念 造網(wǎng)元素（polymer,聚合元素）：四面體的中心離子，離子電位高（電價高，半徑小）的元素。 變網(wǎng)元素(modifier,去聚合元素)：介于硅氧四面體之間，離子電位較小。元素遷移和分異規(guī)律（2）主要元素的結構作用Si4+：造網(wǎng)元素，離子電位為10.26元素遷移和分異規(guī)律 Al

14、3+：離子電位為5.26，體系中離子電位低的元素增多時，其造網(wǎng)離子增多，如：Na/Al=1, Al3+全部進入四面體Na/Al CO32- + Oo使非橋氧的數(shù)量減少。(3)硫的作用巖漿中的硫呈S2-，可與Fe,Ni,Co等元素形成硫化物熔體。元素遷移和分異規(guī)律（二）巖漿的基本物理化學性質1.巖漿的溫度：700-1300oC 酸性巖：700-900oC 中性巖：900-1000oC 基性巖：1000-1300oC元素遷移和分異規(guī)律2.巖漿的粘度 成分、結構、溫度和壓力對粘度的影響成分決定熔體結構=粘度 粘度對運移能力和元素分異能力影響元素遷移和分異規(guī)律3.巖漿的氧化-還原條件（1）氧化還原條件

15、的判斷 變價元素（2）對元素的影響 高價=造網(wǎng)離子 影響巖漿的聚合程度元素遷移和分異規(guī)律（三）部分熔融作用與巖漿的形成1.部分熔融作用中元素的分異元素遷移和分異規(guī)律（1）共熔或共結系元素遷移和分異規(guī)律(2)固溶體系列元素遷移和分異規(guī)律（3）相容元素與不相容元素（微量元素）a.分配系數(shù)的概念： 簡單分配系數(shù)Kd=C固相/C熔體相 總分配系數(shù)Di=KiDX=K/LD(i) X +K/LD(i) X +.元素遷移和分異規(guī)律b. 相容元素：分配系數(shù)大于1如Ni，Cr, Co等為相容元素。c. 不相容元素：分配系數(shù)小于1如Th,Ba,Rb,U,REE 等。元素遷移和分異規(guī)律2.影響部分熔融作用的因素（1）化學成分 易熔組分：K2O,Na2O,Al2O3 難熔組分：MgO,CaO,FeO,TiO2,P2O5 揮發(fā)分：H2O, CO2元素遷移和分異規(guī)律(2)溫度和壓力影響熔融程度3.巖漿產(chǎn)生的地質條件（1）地殼：原物質基性-中性，構造作用（2）上地幔：源區(qū)巖石類型，俯沖帶，地幔柱元素遷移和分異規(guī)律（四）主要造巖元素在巖漿結晶分異中的演化礦物結晶的一般順序： 暗色系列：Ol = Py = Am = Bi 淺色系列：Or = Ms = Q SiO44-= SiO32- = Si4O116- = Si2O52- =AlSi3O8- Mg=Fe=Ca=Na=K元素遷移和分異規(guī)律（五）巖漿不