第七章 风化作用地球化学

1、第七章 风化作用地球化学 风化作用地球化学 一、风化作用条件的特点和研究意义 （一）特点 低而速变的温度（-75 - +85oC） 低压（常压） 处于大气圈游离氧和二氧化碳作用下 水的作用 生物和有机质的参与 营力：太阳能为主 风化作用地球化学 （二）研究意义 1.风化壳型矿床的形成 Fe Al Mn TR, Nb, Ta, U 风化作用地球化学 2.寻找盲矿的标志 风化作用产物掩盖了矿床，但同时在矿 床的土壤及其盖层存在着次生地球化学 异常。 风化作用地球化学 3.土壤成分与农业的关系 烟台的苹果 黑云片麻岩优于碳酸岩类岩石形成的土壤 温州蜜桔 长石砂岩和花岗岩优于页岩和砂页岩形成的土壤 贵

2、州茶叶 砂岩分布区优于碳酸岩区 风化作用地球化学 二、风化过程中元素迁移的一般规律 （一）影响风化作用的因素 物理风化 化学风化 生物风化 决定于气候环境 风化作用地球化学 1.水、氧及CO2 (1) 水的作用 溶剂 参与对岩石的破坏作用（水合和水解） Fe2O3 + nH2O = Fe2O3nH2O 2KAlSi3O8 + 2H2O + CO2 = H2Al2Si2O8 H2O(高岭石) + K2CO3 + SiO2 风化作用地球化学 2KAlSi3O8 + 3H2O = 2KOH + H2Al2Si2O8 H2O(高岭石) + 4SiO2 风化作用地球化学 调节环境的pH和Eh 通过与水的

3、反应调节pH 通过水的氧化还原限制Eh： H2 = 2H+ +2e (水中H+ 被还原） 2H2O =O2 + 4H+ +4e（水中氧被氧化） 风化作用地球化学 （2）氧的作用 大气中的游离氧 21%（体积） PO2 = 0.21大气压 溶解于水中的氧，随温度降低含量增加 作用：低价离子=高价离子 风化作用地球化学 某些气体在不同温度下的溶解度 气体0 oC20 oC60 oC100 oC H20.02148 0.01819 0.01600.0160 O20.04889 0.03103 0.01950.0172 CO21.7130.8780.359- NH31176702- 风化作用地球化学

4、（3）CO2的作用 大气中CO2：0.03%（体积） 雨水中CO2：2.14% （体积） 作用： 控制pH值 3CO2 +3H2O = H2CO3 + 3H+ + CO32- + HCO3- 碳酸岩的溶解 CaCO3 + H2CO3 = Ca(HCO3)2 风化作用地球化学 2.pH值 表生带天然溶液的pH值为：4-9 硫化物矿床氧化带：2-3 火山地区强酸性水：1-2 沙漠和碱性湖水：10-12 河水： 7 雨水： 6 海水： 8.5 风化作用地球化学 pH值对元素迁移的控制 一般规律： 低场强元素在酸性条件下易迁移 高场强元素在碱性条件下易迁移 风化作用地球化学 3.Eh值 改变元素的迁移

5、性质，如Fe2+, Fe3+ 风化作用地球化学 4.矿物和岩石的耐风化能力 矿物：氧化物（锆石，金红石，刚玉，尖晶石， 锡石，钛铁矿，磁铁矿等） 硅酸盐（橄榄石，辉石，长石，云母） 碳酸岩（石灰岩等） 硫化物（黄铁矿等） 一般规律：形成条件与表生条件差别大者易风化。 风化作用地球化学 5.气候条件 雨量：决定水与矿物和岩石的接触 温度：控制反应速率 风化作用地球化学 岩石在温带和热带化学风化的变化对比 英格兰闪长岩（温带） 印度闪长岩（热带） 新鲜岩石上覆黏土新鲜岩石上覆黏土 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 风化作用地球化学 6.地形和排水条件 山区： 平原：流水缓慢，存在水的永久饱和带 风化作用地球化学 （二）风化过程的化学反应类型 1.水解 2KAlSi3O8 + 3H2O = 2KOH + H2Al2Si2O8 H2O(高岭石) + 4SiO2 风化作用地球化学 2.氧化反应(放热反应) 4FeSiO3 + O2 = 2Fe2O3 +4SiO2 +2144kJ PbS + 2O2 = PbSO4(铅矾) ZnS +

7、2O2 +7H2O = PbSO4 7H2O(皓矾) 风化作用地球化学 3.水合反应 Fe2O3 + nH2O = Fe2O3 nH2O 赤铁矿 水赤铁矿 Mn2O3 + H2O = Mn2O3 H2O 褐锰矿 水锰矿 CaSO4 + 2H2O = CaSO42H2O 硬石膏 石膏 风化作用地球化学 4.碳酸盐化 CO32-和HCO3- 2CaAl2Si2O8 + 4H2O + 2CO2 = Al4Si4O10(OH)8 + 2CaCO3 风化作用地球化学 5.阳离子交换反应 黏土-2Na+ + CaSO4 Na2SO4 + 黏土-Ca2+ 风化作用地球化学 某些黏土和土壤的离子交换能力(mo

8、l/100kg) 矿物及土壤离子交换能 力 矿物及土壤离子交换能 力 高岭石3-15土壤的有机部分 150-500 埃洛石5-50灰化土(美国)2-25 蒙脱石80-150黑钙土（苏联） 30-60 伊利石10-40黑色印度土50-80 绿泥石10-40潜育土(赞比亚)2-10 蛭石100-150 风化作用地球化学 （三）元素的生物地球化学迁移 1.对大气中O2和CO2的控制 2.有机酸对矿物和岩石的风化影响 3.植物对元素的选择性摄取 风化作用地球化学 （四）风化过程中元素迁移的一般规律 水迁移系数： Kx = mx 100/(a nx) 式中mx ：河水中元素x的含量（毫克/升） nx ：

9、汇水区岩石中x的含量（%） a含于水中的矿物质或残渣总量（毫克/升） 风化作用地球化学 某些元素水迁移系数计算情况 测量单位 SiCaZnCuFe Mx 毫克/升 1050510-2310-31 nx%29.52.968.310-34.710-34.65 kx0.073.31.20.120.04 计算中 a 为 500 毫克/升，岩石中元素含量为克拉克值 风化作用地球化学 元素的表生迁移性质 很活动 kx=n10-100阴离子 S Cl B Br 活动 kx=n Ca Na Mg Sr RaF 弱活动 kx= 0.n K Ba Rb Li Be Cs Tl 阴离子形式 Si P Sn Ge Sb 氧化环境活动和弱活动 在氧化环境的酸性和酸性碱性都强烈迁移 (kx= n-0.n ) 弱酸性水中强烈迁移（呈阴离子） 强还原中惰性中性和碱性活动性低 V U Mo Se Re kx 0.1Zn Ni Cu Pb Cd Hg Ag 风化作用地球化学 在还原环境中活 动或弱活动 kx = n