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(jié)合是特定條件下暫時(shí)的存在形式運(yùn)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(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，并在運(yùn)動過程中伴隨著再分配稱為元素的遷移。方式：固態(tài)（擴(kuò)散和機(jī)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(nèi)因（元素和化合物的狀態(tài)）1.原子的性質(zhì)（惰性氣體，單質(zhì)元素）原子質(zhì)量、半徑、地球化學(xué)親和性元素的遷移和分異規(guī)律2.化合物的性質(zhì)（1）化學(xué)鍵；a.分子化合物（CO2,HCl,H2O,H2S）b.離子化合物(NaCl)c.共價(jià)化合物（ZnS）元素的遷移和分異規(guī)律（2）離子的電價(jià)和半徑 一價(jià)化合物：易溶(NaC

2、l,Na2SO4等） 二價(jià)化合物：較難溶解（CaSO4等） 三價(jià)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(luò)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(jià)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(zhì)重要性：控制溶解度、熔點(diǎn) 性質(zhì)： O：3.5；H：2.1 高沸點(diǎn)（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(zhì)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(qiáng)電解質(zhì)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(luò)合物的作用（1）絡(luò)離子的形成和性質(zhì) 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(luò)合物穩(wěn)定性的一般規(guī)律：（1）中心離子的性質(zhì)：a.親石元素離子電位大者其絡(luò)合離子較穩(wěn)定b.親銅元素與配位離子的電負(fù)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(zhì)：c.與親石元素的電負(fù)性差大者較穩(wěn)定如 FClBrI, OSSeTed.與親銅元素的電負(fù)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(yīng)和PH的作用（一）自然水溶液PH值的控制反應(yīng)1.溶解酸性物質(zhì)（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(zhì)（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(zhì)PH值對元素遷移的控制1.溶液PH值增大時(shí)，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(shí)，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(yīng)1.標(biāo)準(zhǔn)電極電位及地球化學(xué)意義地球化學(xué)作用中，相互作用的離子間發(fā)生電子的轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(guān)。（4）在有酸堿變化的反應(yīng)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(dǎo)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(yīng)由以下反應(yīng)限制：H2O 0.5 O2 + 2H+ +2e(水氧化反應(yīng))2H+ +2e H2（水還原反應(yīng)）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(yīng)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(yīng)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(zhì)的細(xì)小質(zhì)點(diǎn)分散在另一種物質(zhì)中所組成的不均勻分散系。1.膠體的性質(zhì)

10、及結(jié)構(gòu)（1）性質(zhì)：質(zhì)點(diǎn)細(xì)?。?0-3-10-5mm），比表面積大，表面能大。（2）質(zhì)點(diǎn)帶電元素遷移和分異規(guī)律膠體粒子的結(jié)構(gòu) 吸附離子反離子反離子膠核 吸附層 （固定層）擴(kuò)散層| 膠粒 | 膠團(tuán)元素遷移和分異規(guī)律如負(fù)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(gòu)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(shí)，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(jià)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(jià)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(zhì)濃度增高（2）正負(fù)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(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)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(guān)的概念（1）橋氧（BO）：連接兩個(gè)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(gè)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(jì)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jià)高，半徑?。┑脑?。 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(jié)構(gòu)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(shí)，其造網(wǎng)離子增多，如：Na/Al=1, Al3+全部進(jìn)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(xué)性質(zhì)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(jié)構(gòu)、溫度和壓力對粘度的影響成分決定熔體結(jié)構(gòu)=粘度 粘度對運(yùn)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(jià)元素（2）對元素的影響 高價(jià)=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(jié)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(xué)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(zhì)條件（1）地殼：原物質(zhì)基性-中性，構(gòu)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(jié)晶分異中的演化礦物結(jié)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