第三章_地表地球化学作用与元素迁移
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第三章_地表地球化学作用与元素迁移
第三章 地表地球化学作用与元素迁移
内容提要
化学作用与化学迁移 水-岩化学作用
物理化学条件特征 作用的基本类型 天然水的类型 迁移形式
水-岩化学作用影响因素
内因—体系组成 外因—物理化学环境
实例分析与讨论
风化作用 硫化物矿床风化 沉积过程
元素迁移过程中的热力学规律和动力学控制
自然界的物质是不断运动的，元素也必然包含其中 。地球自形成以来，其化学组成的演化就从未停止。因 此组成地球的各圈层和各圈层内部不同尺度物质体系的 化学组成是时间的函数。
2.水-岩化学作用的物理化学条件
根据水-岩化学作用温度范围的差异，将其分为低温和高 温两类水-岩化学作用。它们的物理化学条件分别具有如 下特点：
低温水-岩化学反应 体系中水过量(水圈直接作用) 活性强(水富含作用剂、具有流动性)
有生物和有机质的参加 富氧和富二氧化碳
温度(<200C)和压力相对较低
不同尺度体系的化学不均一性是驱使化学作用发生的 原因之一，如高含量矿体成矿元素的含量呈中心式向周 边围岩扩散；环境物理化学条件的改变也是导致化学作 用产生的重要因素，如地表条件下岩浆岩的风化蚀变、 不同地幔深度温度和压力的差异引进的地幔物质对流等 。地球化学组成和环境条件的持续演化意示了地球的化 学作用的普遍性，而不同圈层边界在化学组成和环境条 件上的显著差异，导致了强烈的化学作用产生。
(2)等阴离子法：假设元素迁移前后体系中氧离子的数量没有 变化，以160个氧离子为基础，分别计算出元素迁移前后 与其结合的阳离子的数量，以判断发生迁移的元素及变化 量；
(3)稳定元素法：假设元素迁移过程中，某(些)元素没有发生 明显的变化，即该元素的绝对含量保持了相对稳定。通过 对比在体系变化前后该元素相对含量的变化，确定出校正 因子，进而对其它元素的含量进行校正。这类元素有Ti(或 其它HFSE)、V等。
内容提要
化学作用与化学迁移 水-岩化学作用
物理化学条件特征 作用的基本类型 天然水的类型 迁移形式
水-岩化学作用影响因素
内因—体系组成 外因—物理化学环境
实例分析与讨论
风化作用 硫化物矿床风化 沉积过程
元素迁移过程中的热力学规律和动力学控制
自然界的物质是不断运动的，元素也必然包含其中 。地球自形成以来，其化学组成的演化就从未停止。因 此组成地球的各圈层和各圈层内部不同尺度物质体系的 化学组成是时间的函数。
2.水-岩化学作用的物理化学条件
根据水-岩化学作用温度范围的差异，将其分为低温和高 温两类水-岩化学作用。它们的物理化学条件分别具有如 下特点：
低温水-岩化学反应 体系中水过量(水圈直接作用) 活性强(水富含作用剂、具有流动性)
有生物和有机质的参加 富氧和富二氧化碳
温度(<200C)和压力相对较低
不同尺度体系的化学不均一性是驱使化学作用发生的 原因之一，如高含量矿体成矿元素的含量呈中心式向周 边围岩扩散；环境物理化学条件的改变也是导致化学作 用产生的重要因素，如地表条件下岩浆岩的风化蚀变、 不同地幔深度温度和压力的差异引进的地幔物质对流等 。地球化学组成和环境条件的持续演化意示了地球的化 学作用的普遍性，而不同圈层边界在化学组成和环境条 件上的显著差异，导致了强烈的化学作用产生。
(2)等阴离子法：假设元素迁移前后体系中氧离子的数量没有 变化，以160个氧离子为基础，分别计算出元素迁移前后 与其结合的阳离子的数量，以判断发生迁移的元素及变化 量；
(3)稳定元素法：假设元素迁移过程中，某(些)元素没有发生 明显的变化，即该元素的绝对含量保持了相对稳定。通过 对比在体系变化前后该元素相对含量的变化，确定出校正 因子，进而对其它元素的含量进行校正。这类元素有Ti(或 其它HFSE)、V等。
《地球化学》章节笔记
《地球化学》章节笔记第一章：导论一、地球化学概述1. 地球化学的定义：地球化学是应用化学原理和方法，研究地球及其组成部分的化学组成、化学性质、化学作用和化学演化规律的学科。
它是地质学的一个分支，同时与物理学、生物学、大气科学等多个学科有着密切的联系。
2. 地球化学的研究对象：- 地球的固体部分，包括岩石、矿物、土壤等；- 地球的流体部分，包括大气、水体、地下水等；- 地球生物体，包括植物、动物、微生物等；- 地球内部，包括地壳、地幔、地核等。
3. 地球化学的研究内容：- 地球物质的化学组成及其时空变化；- 地球内部和外部的化学过程；- 元素的迁移、富集和分散规律；- 地球化学循环及其与生物圈的相互作用；- 地球化学在资源、环境、生态等领域的应用。
二、地球化学的研究方法与意义1. 地球化学的研究方法：- 野外调查与采样：包括地质填图、钻孔、槽探、岩心采样等；- 实验室分析：包括光学显微镜观察、X射线衍射、电子探针、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）等；- 地球化学数据处理：包括统计学分析、多元回归、聚类分析等；- 地球化学模型：建立地球化学过程的理论模型和数值模型；- 同位素示踪：利用稳定同位素和放射性同位素研究地球化学过程。
2. 地球化学研究的意义：- 揭示地球的形成和演化历史；- 了解地球内部结构、成分和动力学过程；- 探索矿产资源的形成机制和分布规律；- 评估和治理环境污染问题；- 理解地球生物圈的化学循环和生态平衡；- 为可持续发展提供科学依据。
三、地球化学的发展历程与现状1. 地球化学的发展历程：- 起源阶段：19世纪初，地质学家开始关注矿物的化学组成；- 形成阶段：19世纪末至20世纪初，维克托·戈尔德施密特等科学家奠定了地球化学的基础；- 发展阶段：20世纪中叶，地球化学在理论、方法、应用等方面取得显著进展；- 现代阶段：20世纪末至今，地球化学与分子生物学、环境科学等学科交叉，形成新的研究领域。
第三章 自然界中地球化学元素迁移
12
5）Sn的活化与地球化学迁移模型 ） 的活化与地球化学迁移模型
第一阶段：花岗岩发生自变质作 第一阶段： 长石钠长石化， 用——长石钠长石化，黑云母蚀变 长石钠长石化 为白云母， > 为白云母，T>300°C和pH>8，作用 ° 和 > ， 后从长石和黑云母中析出Fe、 和 后从长石和黑云母中析出 、Mg和 Sn，Sn溶解进入溶液以氟锡络合物 溶解进入溶液以氟锡络合物 ， 溶解进入溶液以 形式存在 存在。 形式存在。
8
4.元素迁移现象的观察 4.元素迁移现象的观察: 元素迁移现象的观察:
可以通过现代测试手段进行
测定作用前后元素赋存状态、组合和含量的变化； 测定作用前后元素赋存状态、组合和含量的变化； 赋存状态 的变化 引用基础科学理论和方法进行综合分析 综合分析； 引用基础科学理论和方法进行综合分析； 在一定的条件下进行定量计算 建立作用的数学模 定量计算、 在一定的条件下进行定量计算、建立作用的数学模 型，定量研究元素的迁移。 定量研究元素的迁移。 例如：巴尔苏科夫对锡矿脉的研究 例如：巴尔苏科夫对锡矿脉的研究(1968) 锡石-石英脉型热液矿床系统的地球化学研究， 锡石-石英脉型热液矿床系统的地球化学研究，元 系统的地球化学研究 素迁移成矿的化学作用机制。 素迁移成矿的化学作用机制。
5．研究元素迁移的三个理论层次
化学模型：总结出地质成矿作用的化学机理－ 化学模型：总结出地质成矿作用的化学机理－定性或半定量的 关系； 关系； 热力学模型：进行定量的热力学计算， 热力学模型：进行定量的热力学计算，编制出说明研究区作用 机制的相图；作为地质成矿过程的理论参照模型； 机制的相图；作为地质成矿过程的理论参照模型； 动力学模型：构筑考虑多种因素定量影响关系的数学模型， 动力学模型：构筑考虑多种因素定量影响关系的数学模型，对 未知地区有一定的预测性。 未知地区有一定的预测性。 （本课程以前两个层次为重点，为基础性研究） 本课程以前两个层次为重点，为基础性研究） 以前两个层次为重点
5）Sn的活化与地球化学迁移模型 ） 的活化与地球化学迁移模型
第一阶段：花岗岩发生自变质作 第一阶段： 长石钠长石化， 用——长石钠长石化，黑云母蚀变 长石钠长石化 为白云母， > 为白云母，T>300°C和pH>8，作用 ° 和 > ， 后从长石和黑云母中析出Fe、 和 后从长石和黑云母中析出 、Mg和 Sn，Sn溶解进入溶液以氟锡络合物 溶解进入溶液以氟锡络合物 ， 溶解进入溶液以 形式存在 存在。 形式存在。
8
4.元素迁移现象的观察 4.元素迁移现象的观察: 元素迁移现象的观察:
可以通过现代测试手段进行
测定作用前后元素赋存状态、组合和含量的变化； 测定作用前后元素赋存状态、组合和含量的变化； 赋存状态 的变化 引用基础科学理论和方法进行综合分析 综合分析； 引用基础科学理论和方法进行综合分析； 在一定的条件下进行定量计算 建立作用的数学模 定量计算、 在一定的条件下进行定量计算、建立作用的数学模 型，定量研究元素的迁移。 定量研究元素的迁移。 例如：巴尔苏科夫对锡矿脉的研究 例如：巴尔苏科夫对锡矿脉的研究(1968) 锡石-石英脉型热液矿床系统的地球化学研究， 锡石-石英脉型热液矿床系统的地球化学研究，元 系统的地球化学研究 素迁移成矿的化学作用机制。 素迁移成矿的化学作用机制。
5．研究元素迁移的三个理论层次
化学模型：总结出地质成矿作用的化学机理－ 化学模型：总结出地质成矿作用的化学机理－定性或半定量的 关系； 关系； 热力学模型：进行定量的热力学计算， 热力学模型：进行定量的热力学计算，编制出说明研究区作用 机制的相图；作为地质成矿过程的理论参照模型； 机制的相图；作为地质成矿过程的理论参照模型； 动力学模型：构筑考虑多种因素定量影响关系的数学模型， 动力学模型：构筑考虑多种因素定量影响关系的数学模型，对 未知地区有一定的预测性。 未知地区有一定的预测性。 （本课程以前两个层次为重点，为基础性研究） 本课程以前两个层次为重点，为基础性研究） 以前两个层次为重点
地球化学——元素的地球化学迁移,
6、在给定初始值和设定近似解的条件下，用反应 自由能ΔGr＝0法或平衡常数法求解方程： T-p 、 T-p-a关系式。编制热力学相图： T-p 、T-p-a。 或得出结果，解出数值解。 7、在本工作区对照地质问题检验计算结果，并对 未知区进行预测；在有条件时可进行一定的模拟 实验，检验和修定计算程序。
1．地球化学热力学体系的特点和理论参照模型 自然地质作用过程复杂性和非线性特点是热力学理 论应用的难点。几十年探索取得了一些解决方法， 达到“理论参照模型”的成果。要点如下： 1、自然化学反应的平衡性问题与局域平衡理论。 2、多组分体系的特点和处理原则：固溶体热力学。 3、地质成矿热力学体系的开放性－分期、分带，子体 系的划分。 4、自然热力学过程的自发性、多阶段演化性、和作用 不彻底性。
§ 3-5 元素迁移中的热力学
30多年来引入化学热力学和化学动力学理论研 究自然过程，形成了系统的地球化学理论，称为 地球化学热力学、地球化学动力学；可作为地球 化学分析自然过程性质和条件的理论参照模型 。
一．化学热力学在研究地质课题中的应用意义和方 法 基础科学理论和方法引入是地球化学支撑和学科 优势所在。地球化学把任一地质和成矿作用都看成 是一种自然热力学体系，体系反应过程中有物质形 态转化、能量得失，形成一定产物；引入化学热力 学研究复杂自然作用，可以编制出研究区相图－构 筑理论参照模型；加深对地质作用性质和条件认识， 并使地质研究向定量化和预测化方向深入 。
2.反应平衡常数的计算和意义
3．吉布斯自由能的定义和计算方法：
定义公式： ΔG = ΔH －TΔ S 自由能是体系中能 转化为有用功的能量 任意态反应自由能 ΔGR.T.P =ΔG0R.T +∫1PΔVR.PdP + RT lnK 反应达到平衡时有： ΔGR.T.P = 0 温压变化的反应自由能： ΔG0R.T = -∫1PΔVR.PdP - RT lnK 设反应前后体积不变，ΔV＝0，得： ΔG0R.T = - RT lnK
地理环境中元素的迁移
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地理环境中元素迁移-地理环境中元素迁移地理环境中元素迁移-正文元素及其化合物在地理环境中发生的空间位置移动及由此引起的富集和分散过程。
迁移方式元素在地理环境中的迁移有机械迁移、物理化学迁移和生物迁移3种方式。
机械迁移根据机械搬运营力又可分为：水的机械迁移作用，气的机械迁移作用，重力的机械迁移作用。
物理化学迁移指元素以简单的离子、络离子及可溶性分子的形式，在地理环境中通过一系列的物理化学作用(如溶解-沉淀、氧化还原、水解、络合与螯合、吸附-解吸等)所实现的迁移。
物理化学迁移又可分为水迁移和大气迁移。
物理化学迁移是元素在地理环境中迁移的最重要形式。
这种迁移的结果决定着元素在地理环境中的存在形式和富集状况。
生物迁移指元素通过生物体的吸收、代谢、生长、死亡，以及迁徙等过程所实现的迁移。
这是一种非常复杂的迁移形式。
某些生物对环境中的元素有选择吸收和积累作用。
生物通过食物链对某些元素的积累放大作用是生物迁移的一种重要形式。
迁移特点元素在地表环境中的迁移不同于在地壳内部的迁移，具有如下特点：①地理环境是内能和外能（太阳辐射能）的交锋地带，而外能占优势。
由于外能的分布有周期性、地带性和地区性，所以地理环境中元素的迁移过程具有明显的周期性、地带性和地区性。
②在地理环境中，水以气态、液态、固态三种状态存在，而以液态为主。
水在大气圈、岩石圈、水圈之间进行着不断的迁移循环，因此在地理环境中进行着以淋溶作用和淀积作用为主要内容的元素的水迁移过程。
③地理环境是生物有机体活动的场所，进行着以有机质的形成和分解为内容的物质生物循环过程。
生物体的化学组成受地理环境条件的控制，而生物体的遗传性和生物循环本身又给地理环境中元素的迁移以巨大的影响。
④在地理环境中具有高低起伏的地貌条件，进行着以化学元素按地貌部位重分配和重组合为中心内容的物质地质循环过程。
Chapt 3第二讲
2Fe2SiO4+ O2+4H2O → 2 Fe2O3+2H4 SiO4
又如硫化物的氧化：
2FeS2+7O2+2H2O → 2 Fe3O4+2H2SO4
氧化结果形成硫酸，提高了水的氧化作 用能力，进一步加速岩石的氧化。
还原作用是氧化作用的逆过程。如三价 铁还原为亚铁，硫酸盐的高价硫被还原为 负二价硫等：
5、pH值仍主要在3 ～ 9之间变化 水溶液中 H+ 和 OH- 的浓度积与溶液的 温度有关， 230℃条件下， [H+]×[OH-] 为 10-12.3 ，据此可以计算高温热液的 pH 值和中性点。朱训等对德兴铜矿主成矿 期温度（ 200℃~400℃）热液 pH 值的中 性点的计算值为5.7～6.2。 6、生物和有机质的作用不如低温条件下 活跃。
第三章 地球化学作用 和元素迁移
→ 第二讲
第一节 水-岩化学作用
水-岩化学作用是地壳中最广泛和最活跃 的化学作用，这类作用还可以延伸到上地幔。 水-岩化学作用发生的温度和压力范围为0-400℃和1~10000×105Pa，水流体的pH值 在3~10之间，氧逸度(fo2)变化范围较广，可 在10-100 ~ 0.2 ×105 Pa 之间变化。水-岩化 学作用又可以分为低温水-岩作用和高温水岩作用。
2Fe2O3〃3H2O+C0→4FeO+ C
4+O 2+3H2O
细菌常参与氧化和还原反应，喜氧细菌 中存在一种嗜铁杆菌能把 Fe2+ 氧化为 Fe3+ ， 另一类嗜硫杆菌能把硫化物的硫氧化成硫 酸盐。起还原作用的厌氧细菌，能把 SO42 －还原为H S。 2
2、脱水和水解反应
水解作用的实质是水电离的H+ 或OH－进入矿物 晶格，分别取代其中的阳离子或阴离子，从而使 矿物解体形成新的矿物。如在氧化带盐类的水解
又如硫化物的氧化：
2FeS2+7O2+2H2O → 2 Fe3O4+2H2SO4
氧化结果形成硫酸，提高了水的氧化作 用能力，进一步加速岩石的氧化。
还原作用是氧化作用的逆过程。如三价 铁还原为亚铁，硫酸盐的高价硫被还原为 负二价硫等：
5、pH值仍主要在3 ～ 9之间变化 水溶液中 H+ 和 OH- 的浓度积与溶液的 温度有关， 230℃条件下， [H+]×[OH-] 为 10-12.3 ，据此可以计算高温热液的 pH 值和中性点。朱训等对德兴铜矿主成矿 期温度（ 200℃~400℃）热液 pH 值的中 性点的计算值为5.7～6.2。 6、生物和有机质的作用不如低温条件下 活跃。
第三章 地球化学作用 和元素迁移
→ 第二讲
第一节 水-岩化学作用
水-岩化学作用是地壳中最广泛和最活跃 的化学作用，这类作用还可以延伸到上地幔。 水-岩化学作用发生的温度和压力范围为0-400℃和1~10000×105Pa，水流体的pH值 在3~10之间，氧逸度(fo2)变化范围较广，可 在10-100 ~ 0.2 ×105 Pa 之间变化。水-岩化 学作用又可以分为低温水-岩作用和高温水岩作用。
2Fe2O3〃3H2O+C0→4FeO+ C
4+O 2+3H2O
细菌常参与氧化和还原反应，喜氧细菌 中存在一种嗜铁杆菌能把 Fe2+ 氧化为 Fe3+ ， 另一类嗜硫杆菌能把硫化物的硫氧化成硫 酸盐。起还原作用的厌氧细菌，能把 SO42 －还原为H S。 2
2、脱水和水解反应
水解作用的实质是水电离的H+ 或OH－进入矿物 晶格，分别取代其中的阳离子或阴离子，从而使 矿物解体形成新的矿物。如在氧化带盐类的水解
地表元素迁移
1．污水的农业灌溉与土地处理系统工程
2．湿地利用与污水净化工程
3．污水库的氧化塘改造工程 4．淀区生物操纵与水产养殖工程
第15页/共17页
第16页/共17页
谢谢您的观看！
第17页/共17页
①大气搬运；②气 溶胶和蒸气从土 壤表面进入大气 圈；③来自大气 的固态和水溶态 沉降物的进入； ④元素的生物循 环；⑤地表径流； ⑥地下径流
单元景观中元素迁移循环示意图
第10页/共17页
二、地表元素迁移过程中形态的变化
地表环境是一个多变的复杂体系，干湿条件、生物变化与人类活 动都会引起不同环境介质特别是水和沉积物的pH值、Eh值的改变， 促使许多金属元素的价态、化合态与结合态的变化，进而会改变元素 的环境化学行为与生态环境毒性。如水中的溶解态元素不但易被生物 吸收，增加毒性，而且也有利于元素迁移，扩大影响范围。
大气圈 物质存在的形态：气、液、固（气溶胶与微粒物质）
风成气溶胶 破裂的泡沫 水面蒸发
降尘 降雨 降雪
水面表层（50～100µm）
生物作用
光化学反应
对流上涌的上升运动 扩散作用 泡沫反应
风浪作用 溶解作用 沉降作用
水体 物质存在的形式：溶解态、悬浮微粒态
水—气界面处物质的转换机理
第8页/共17页
Back
水样通过0.45µm滤膜 过滤
颗粒态金属
溶解态金属
可
与
交
碳
换
酸
的
盐
离
结
子
合
态
态
的与 结水 合合 态氧
化 物
结与 合有 态机
质 及 硫 化 物
不稳定态
的原
游
残生
离
2．湿地利用与污水净化工程
3．污水库的氧化塘改造工程 4．淀区生物操纵与水产养殖工程
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①大气搬运；②气 溶胶和蒸气从土 壤表面进入大气 圈；③来自大气 的固态和水溶态 沉降物的进入； ④元素的生物循 环；⑤地表径流； ⑥地下径流
单元景观中元素迁移循环示意图
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二、地表元素迁移过程中形态的变化
地表环境是一个多变的复杂体系，干湿条件、生物变化与人类活 动都会引起不同环境介质特别是水和沉积物的pH值、Eh值的改变， 促使许多金属元素的价态、化合态与结合态的变化，进而会改变元素 的环境化学行为与生态环境毒性。如水中的溶解态元素不但易被生物 吸收，增加毒性，而且也有利于元素迁移，扩大影响范围。
大气圈 物质存在的形态：气、液、固（气溶胶与微粒物质）
风成气溶胶 破裂的泡沫 水面蒸发
降尘 降雨 降雪
水面表层（50～100µm）
生物作用
光化学反应
对流上涌的上升运动 扩散作用 泡沫反应
风浪作用 溶解作用 沉降作用
水体 物质存在的形式：溶解态、悬浮微粒态
水—气界面处物质的转换机理
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水样通过0.45µm滤膜 过滤
颗粒态金属
溶解态金属
可
与
交
碳
换
酸
的
盐
离
结
子
合
态
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的与 结水 合合 态氧
化 物
结与 合有 态机
质 及 硫 化 物
不稳定态
的原
游
残生
离
地球化学第三章篇-元素迁移
VS
氧化还原反应
元素在氧化或还原条件下，发生电子得失 反应，改变了其存在形式和迁移能力。
生物迁移
生物吸收和排泄
植物和动物通过吸收和排泄作用，将元素从环境中富集到体内，然后在死亡后 将元素以有机物形式固定下来。
生物活动
动物和植物的活动，如啃食、挖掘等，可以改变元素在环境中的分布和迁移路 径。
03
CATALOGUE
05
CATALOGUE
未来研究方向与展望
深入研究元素迁移机制
深入研究元素在地球化学过程中的迁移机制， 包括物理迁移、化学迁移和生物迁移等，揭示 元素迁移的内在规律和影响因素。
探索元素在复杂环境中的迁移行为，如土壤、 水体、大气等环境介质中元素的迁移转化过程 ，建立更加精准的迁移模型。
深入研究元素在地球化学循环中的迁移机制， 揭示元素在地球各圈层之间的循环规律和相互 影响。
元素迁移影响因素
物理因素
温度变化
温度变化可以影响元素的溶解度、扩散速度 和活动性，从而影响元素在地球化学体系中 的迁移。
压力变化
压力变化可以改变元素的溶解度和活动性，从而影 响元素在地球化学体系中的迁移。
地壳运动
地壳运动如地震、火山喷发等，可以导致元 素在地球化学体系中的重新分布和迁移。
化学因素
加强元素迁移与环境变化关系的研究
深入研究元素迁移与全球气候变化、环境污染、生态退化等环境问题之间 的关系，揭示元素迁移对环境变化的响应和影响。
开展跨学科合作，综合运用地球化学、环境科学、气候学等多学科理论和 方法，深入探究元素迁移与环境变化之间的相互作用机制。
针对全球环境问题，开展跨国界的合作研究，共同应对全球环境挑战，推 动地球科学的发展。
元素的地球化学迁移.ppt
Fe2+ → Fe3+ + e Eh0=0.77 (伏特）
V4+→ V5+ + e Eh0=1.00(伏特）
河南理工大学-机械与动力学院
1100
水-岩化学作用的影响因素
2） 判断反应进行的顺序和强度
Eh 愈大，反应进行愈彻底。 Eh <0.3，反应缓慢而不 完全。同时发生几对反应时，电位表上下距离最大的
水-岩化学作用的影响因素
1溶液中离子活度的乘积
为一常数，这一常数称为活度积；
2）共同离子效应：当在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
合物的溶解度将会降低；
3）盐效应：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；
2）酸性离子在碱性溶液中溶解度增高，有利于迁移， 在酸性条件发生沉淀；碱性元素离子性质相反；
3）在自然地球化学作用中，凡在反应方程式中有H+或 OH-出现作用，受热液介质pH值控制。
4）pH值影响元素共生或分离（Fe、Mn）
5) 影响两性元素的迁移形式；
6) 盐河南类理水工大解学-机反械应与动多力学生院成酸而受pH值的控制。
22
水-岩化学作用的影响因素
3.地球化学中的氧化－还原反应
同一化学反应中，某物质失去电子，发生氧化， 称 为还原剂， 同时必然有另一物质获得同量电子发生 还原，称为氧化剂。还原剂必然同氧化剂同时存在， 氧化和还原反应相互联系，同时发生， 这种有电子 得失的反应，叫做氧化还原反应。
氧化－还原反应在元素的迁移和沉淀活动中起着十 分重要的作用。
河南理工大学-机械与动力学院
55
水-岩化学作用的影响因素
第三章 自然体系中元素的地球化学迁移(9.22)
（1）低温水-岩作用的物理化学环境 ①过量水的体系：地球表面水、岩体积比：水总量>岩 石总量。 ②水-岩间长期化学作用导致水体系中含有大量作用剂 （O2、CO2、H+、OH-)和电解质盐类（Na、K、Ca、 Mg的盐），水还有很好的流动性。既是作用介质， 又是良好的溶剂和搬运剂。 ③ 常有生物和有机质参与。加快速度或有选择性、方 向性。 ④地表富氧和富CO2 。 ⑤地表温度低（-75~+200℃），但变化快(昼夜及季节 变化），温度影响水岩作用速率。 ⑥一般处于低压状态（ 1~200) × 105 Pa。
(UO2)2+的形式被有机质吸附，用15%的稀盐酸溶液进行浸泡
(不破坏矿物的晶格，可使80%的U被萃取出来)。
化学键类型
化学键的类型是影响元素及化合物能否发生分解的重要因
素。 具有分子晶格的化合物，在晶格结点上的单个分子内部， 原子常常以共价键或极性键相联系，但在各个分子之间则是由 较弱的分子间力联结的。破坏分子晶格，只需的能量较小。因 此，分子晶格的物质较易变成液态或气态。 具有离子键化合物，虽然其熔点和沸点一般较高，但多数 化合物易溶于水，并在水中解离为离子。 具有共价键的化合物，由于这种键性很强，所以化合物的 熔点和沸点均较高，物理硬度也较大，故此类化合物一般难以 溶解。
离子的电价和半径
金属离子的电价愈高，就形成愈难溶解的化合物。
一般碱金属的化合物通常是易溶的，如: NaCl, Na2SO4
等；二价碱土金属则形成较难溶解的化合物，如： CaCO3，CaSO4等；三价金属，如Al、Fe的化合物更难 溶解。阴离子也有同样的规律性，三价阴离子PO43-产生 的化合物比二价阴离子SO42-和一价阴离子产生的化合物 更难溶解。 另外，同一元素不同电价的离子具有不同的溶解能 力。一般低价目 的离子比高价的离子易溶，例如： Fe2+>Fe3+, V3+>V5+等。
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花岗岩岩体风化剖面
§2 元素在水溶液中的迁移形式
地表条件以地壳与水圈直接接触为 特征。流体相对自然界元素的迁移具 有重要影响，其特点表现为：
H2O
➢ H2O在各地球化学体系，尤其是地表环境中普遍存 在，为过剩组份；
➢ H2O的存在对环境的性质起着明显的控制作用(如干 旱与潮湿环境)；
➢ 不同的元素与H2O反应表现出复杂的行为，影响着 元素的迁移和沉淀、富集与分散。
5.大洋沉积物；6. 岩浆；7. 大洋
地表条件下岩体被抬升、剥蚀和发生风化作用的过程
引言
地球自形成以来，其化学组成的演化就从未停止。因此组 成地球的各圈层和各圈层内部不同尺度物质体系的化学组 成是时间的函数。
不同尺度体系的化学不均一性是驱使化学作用发生的原因 之一，如高含量矿体成矿元素的含量呈中心式向周边围岩 扩散(地球化学找矿勘查的重要依据)。
元素地球化学迁移的概念包括以下含义： ① 空间上的位移表现为元素发生了重新分配，使得不同 元素发生相对分散或集中； ② 元素的迁移由多个环节组成，即元素存在形式的非稳 定化(活化)、以新的形式发生化学迁移、以与新环境平衡的 形式沉淀或结晶而进入新的体系；
③ 元素的化学迁移存在于各种地质过程(大至圈层尺度的物 质运动，如地幔对流、板块俯冲，小至单个矿物的蚀变)，以 化学形式组成和记录了地质事件；
物理迁移—以岩石和矿物碎屑形式发生 的物质迁移。如河流的机械搬运。
生物迁移—以有机物形式发生的物质迁 移。如植物从土壤吸取元素而生长。
上述作用类型通常相互伴随，如河流上游搬运的河砂到了大海 沉积物中可能仅剩下石英砂，化学沉淀的碳酸盐在浊积岩中变成了 角砾状灰岩，土壤中生物生长导致了化学风化的加速等。
2Mg3Si2O5 (OH )4 3CO2 Mg3Si4O10(OH )2 3MgCO3 3H2O
蛇纹石
滑石
菱镁矿
•定量测量
对研究的体系(对象)进行元素含量对比分析，可定量 地了解元素在体系中发生迁移的特征，即带入或带出的元 素及其程度。
由于元素迁移将引起样品密度、体积的变化，不能简 单地将迁移前后的样品直接进行元素含量的比较，需要建 立可比较的参照指标。目前采用的方法主要有三种：
第三章 地表地球化学作用与元素迁移
内容提要
化学作用与化学迁移 水-岩化学作用
物理化学条件特征 作用的基本类型 天然水的类型 迁移形式
水-岩化学作用影响因素
内因—体系组成 外因—物理化学环境
实例分析与讨论
风化作用 硫化物矿床风化 沉积过程
碳元素的地表迁移及壳-幔物质交换 1.软流圈地幔；2.岩石圈地幔；3.大陆地壳；4.大洋地壳；
环境物理化学条件的改变也是导致化学作用产生的重要因 素，如地表条件下岩浆岩的风化蚀变、不同地幔深度条件 下温度和压力的差异引发的地幔物质对流等。
地球化学组成和环境条件的持续演化意示了地球的化学作 用的普遍性，而不同圈层边界在化学组成和环境条件上的 显著差异，导致了强烈的化学作用产生。
地壳表层是地壳与水圈和生物圈接触的边界，是元素发生 重新分配的重要场所，也是人类生产和生活的环境。认识 地表条件下元素的地球化学行为，对了解地球的化学作用 过程、物质循环及其影响，具有重要的理论和应用意义。
水溶液中元素的存在形式
根据水中分散质点的大小，可将含水流体分为以下类型： 溶液：以单分子或离子状态存在（D＜10-6mm） 胶体：分子或微粒子（D：10-3～10-6mm） 悬浮液：D＞10-3mm
1. 离子或分子
不同化合物因其结合的键性不同，当其进入水溶液后 也以不同的状态存在于溶液中： 离子化合物：在水中电离为离子 分子晶体化合物：受极性分子的吸引，分解为极性分子 原子晶体化合物：具共价键，只能分解为分子
§1．地球系统的化学作用与化学迁移
1. 地球系统的化学作用类型
➢ 水-岩反应和水介质中的化学作用 ➢ 水-气化学作用 ➢ 熔体-岩石和岩浆化学作用 ➢ 岩-岩化学作用(如陨石轰击地壳) ➢ 有机化学作用
生
当体系与环境处于不平衡条件时，元素将从一种赋存状 态转变为另一种赋存状态，并伴随着元素组合和分布上的变 化及空间上的位移，以达到与新环境条件的平衡，该过程称 为元素的地球化学迁移。
4. 元素迁移的标志
新鲜橄榄岩
宏观观察
岩石发生了矿物组合的变化， 如橄榄岩因交代作用发生的蛇纹 石化。在蛇纹石化过程中橄榄石 多变为利蛇纹石，斜方辉石多变 为绢石(具斜方辉石假象的蛇纹 石 )。
蛇纹石化橄榄岩
3Mg2SiO4 4H2O SiO2 2Mg3Si2O5 (OH )4
橄榄石
蛇纹石
(1)等体积法：通过对比元素迁移前后体系密度的变化，计算 出体积校正因子，再对元素含量进行修正；
(2)等阴离子法：假设元素迁移前后体系中氧离子的数量没有 变化，以160个氧离子为基础，分别计算出元素迁移前后 与其结合的阳离子的数量，以判断发生迁移的元素及变化 量；
(3)稳定元素法：假设元素迁移过程中，某(些)元素没有发生 明显的变化，即该元素的绝对含量保持了相对稳定。通过 对比在体系变化前后该元素相对含量的变化，确定出校正 因子，进而对其它元素的含量进行校正。这类元素有Ti(或 其它HFSE)、V等。
离子电位与水溶液中的离子
离子电位(π) 定义为： π = 离子电价 / 离子半径
第(3)种方法在实际应用中可操作性较强。
•条件界面
体系发生元素迁移的外部 原因是环境条件的改变。因此， 当研究对象处于不同的条件界 面后，将发生元素的迁移。如 岩体或地层与流动水体系的接 触、矿体出露于含水层等。这 种观察将提醒研究者采集地质 样品时，注意样品的代表意义： 不同变化特征(蚀变程度)的样 品，其所代表的地质意义不同。
④ 元素的化学迁移是联系元素分布与分配的桥梁。如元素 在地球中的分布是通过元素的地球化学迁移而实现其在不同 圈层中的分配；成矿作用是在地壳元素分布的背景下，通过 元素的迁移，以较高浓度的分配形式集中富集的结果。
3. 物质迁移的类型
化学迁移—以熔体、溶液或气态形式发 生的物质迁移。如碳酸盐的溶解。
§2 元素在水溶液中的迁移形式
地表条件以地壳与水圈直接接触为 特征。流体相对自然界元素的迁移具 有重要影响，其特点表现为：
H2O
➢ H2O在各地球化学体系，尤其是地表环境中普遍存 在，为过剩组份；
➢ H2O的存在对环境的性质起着明显的控制作用(如干 旱与潮湿环境)；
➢ 不同的元素与H2O反应表现出复杂的行为，影响着 元素的迁移和沉淀、富集与分散。
5.大洋沉积物；6. 岩浆；7. 大洋
地表条件下岩体被抬升、剥蚀和发生风化作用的过程
引言
地球自形成以来，其化学组成的演化就从未停止。因此组 成地球的各圈层和各圈层内部不同尺度物质体系的化学组 成是时间的函数。
不同尺度体系的化学不均一性是驱使化学作用发生的原因 之一，如高含量矿体成矿元素的含量呈中心式向周边围岩 扩散(地球化学找矿勘查的重要依据)。
元素地球化学迁移的概念包括以下含义： ① 空间上的位移表现为元素发生了重新分配，使得不同 元素发生相对分散或集中； ② 元素的迁移由多个环节组成，即元素存在形式的非稳 定化(活化)、以新的形式发生化学迁移、以与新环境平衡的 形式沉淀或结晶而进入新的体系；
③ 元素的化学迁移存在于各种地质过程(大至圈层尺度的物 质运动，如地幔对流、板块俯冲，小至单个矿物的蚀变)，以 化学形式组成和记录了地质事件；
物理迁移—以岩石和矿物碎屑形式发生 的物质迁移。如河流的机械搬运。
生物迁移—以有机物形式发生的物质迁 移。如植物从土壤吸取元素而生长。
上述作用类型通常相互伴随，如河流上游搬运的河砂到了大海 沉积物中可能仅剩下石英砂，化学沉淀的碳酸盐在浊积岩中变成了 角砾状灰岩，土壤中生物生长导致了化学风化的加速等。
2Mg3Si2O5 (OH )4 3CO2 Mg3Si4O10(OH )2 3MgCO3 3H2O
蛇纹石
滑石
菱镁矿
•定量测量
对研究的体系(对象)进行元素含量对比分析，可定量 地了解元素在体系中发生迁移的特征，即带入或带出的元 素及其程度。
由于元素迁移将引起样品密度、体积的变化，不能简 单地将迁移前后的样品直接进行元素含量的比较，需要建 立可比较的参照指标。目前采用的方法主要有三种：
第三章 地表地球化学作用与元素迁移
内容提要
化学作用与化学迁移 水-岩化学作用
物理化学条件特征 作用的基本类型 天然水的类型 迁移形式
水-岩化学作用影响因素
内因—体系组成 外因—物理化学环境
实例分析与讨论
风化作用 硫化物矿床风化 沉积过程
碳元素的地表迁移及壳-幔物质交换 1.软流圈地幔；2.岩石圈地幔；3.大陆地壳；4.大洋地壳；
环境物理化学条件的改变也是导致化学作用产生的重要因 素，如地表条件下岩浆岩的风化蚀变、不同地幔深度条件 下温度和压力的差异引发的地幔物质对流等。
地球化学组成和环境条件的持续演化意示了地球的化学作 用的普遍性，而不同圈层边界在化学组成和环境条件上的 显著差异，导致了强烈的化学作用产生。
地壳表层是地壳与水圈和生物圈接触的边界，是元素发生 重新分配的重要场所，也是人类生产和生活的环境。认识 地表条件下元素的地球化学行为，对了解地球的化学作用 过程、物质循环及其影响，具有重要的理论和应用意义。
水溶液中元素的存在形式
根据水中分散质点的大小，可将含水流体分为以下类型： 溶液：以单分子或离子状态存在（D＜10-6mm） 胶体：分子或微粒子（D：10-3～10-6mm） 悬浮液：D＞10-3mm
1. 离子或分子
不同化合物因其结合的键性不同，当其进入水溶液后 也以不同的状态存在于溶液中： 离子化合物：在水中电离为离子 分子晶体化合物：受极性分子的吸引，分解为极性分子 原子晶体化合物：具共价键，只能分解为分子
§1．地球系统的化学作用与化学迁移
1. 地球系统的化学作用类型
➢ 水-岩反应和水介质中的化学作用 ➢ 水-气化学作用 ➢ 熔体-岩石和岩浆化学作用 ➢ 岩-岩化学作用(如陨石轰击地壳) ➢ 有机化学作用
生
当体系与环境处于不平衡条件时，元素将从一种赋存状 态转变为另一种赋存状态，并伴随着元素组合和分布上的变 化及空间上的位移，以达到与新环境条件的平衡，该过程称 为元素的地球化学迁移。
4. 元素迁移的标志
新鲜橄榄岩
宏观观察
岩石发生了矿物组合的变化， 如橄榄岩因交代作用发生的蛇纹 石化。在蛇纹石化过程中橄榄石 多变为利蛇纹石，斜方辉石多变 为绢石(具斜方辉石假象的蛇纹 石 )。
蛇纹石化橄榄岩
3Mg2SiO4 4H2O SiO2 2Mg3Si2O5 (OH )4
橄榄石
蛇纹石
(1)等体积法：通过对比元素迁移前后体系密度的变化，计算 出体积校正因子，再对元素含量进行修正；
(2)等阴离子法：假设元素迁移前后体系中氧离子的数量没有 变化，以160个氧离子为基础，分别计算出元素迁移前后 与其结合的阳离子的数量，以判断发生迁移的元素及变化 量；
(3)稳定元素法：假设元素迁移过程中，某(些)元素没有发生 明显的变化，即该元素的绝对含量保持了相对稳定。通过 对比在体系变化前后该元素相对含量的变化，确定出校正 因子，进而对其它元素的含量进行校正。这类元素有Ti(或 其它HFSE)、V等。
离子电位与水溶液中的离子
离子电位(π) 定义为： π = 离子电价 / 离子半径
第(3)种方法在实际应用中可操作性较强。
•条件界面
体系发生元素迁移的外部 原因是环境条件的改变。因此， 当研究对象处于不同的条件界 面后，将发生元素的迁移。如 岩体或地层与流动水体系的接 触、矿体出露于含水层等。这 种观察将提醒研究者采集地质 样品时，注意样品的代表意义： 不同变化特征(蚀变程度)的样 品，其所代表的地质意义不同。
④ 元素的化学迁移是联系元素分布与分配的桥梁。如元素 在地球中的分布是通过元素的地球化学迁移而实现其在不同 圈层中的分配；成矿作用是在地壳元素分布的背景下，通过 元素的迁移，以较高浓度的分配形式集中富集的结果。
3. 物质迁移的类型
化学迁移—以熔体、溶液或气态形式发 生的物质迁移。如碳酸盐的溶解。