元素的地球化学迁移课件

元素的地球化学迁移元素的地球化学迁移水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素2.体系物理化学环境对水岩化学作用的影响1）不同元素氢氧化物在水介质中的迁移能力不同，同一种元素不同价态离子的氢氧化物迁移能力也不同；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)盐类水解反应多生成酸而受pH值的控制。水水-岩化学作用的影响因素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。两个金属电极插入被多孔隔板分隔的ZnSO4和CuSO4溶液中，每个锌原子释放两个电子成为Zn2+溶解在溶液中，电子流动至阳极，每个Cu2+获得两个电子成为金属Cu沉淀到金属板上，硫酸根通过隔板迁移以维持溶液电中性。随电子从Zn电极流向Cu电极，Zn2+活动性增大，Cu2+活动性降低，直到电子流动停止时达到平衡。Zn-Cu电化学电池示意图水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素离子浓度为1mol/L，气体压强为101.3kPa，温度为25我们把2H+/H2的电位人为地定为零，这样通过测定H+/H2与其他电对之间的电位差，就可以相对确定每一种电对的电极电位这样测得的电极电位叫做标准电极电位或标准氧化-还原电位，以Eh0标示。标准条件下：Fe2+V5+Fe3+V4+分解为两个半反应，各自标准电极电位为Eh0 Fe2+Fe3+e Eh0=0.77(伏特）V4+V5+e Eh0=1.00(伏特）两个半反应构成自然电池的两个电极：负极上Fe2+给出一个电子，正极V5+获得一个电子。水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素1.电对：Ag+/Ag、Cu2+/Cu、Zn2+/Zn、2H+/H2；2.在Mn+ne=M电极反应中，M叫做物质的还原态。Mn+叫做物质的氧化态；3.电对的电位越低，电对中较低氧化数的物质是越强的还原剂，而较高氧化数的物质则是越弱的氧化剂；4.标准电极电位的正、负数值，不因电极反应进行的方向而改变；注意：水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素4.电对的电极电位数值越小，物质的还原态的还原能力越强，电对的电极电位数值越大，物质的氧化态的氧化能力越强。5.物质的还原态的还原能力越强，其对应的氧化态的氧化能力就越弱；6.只有电极电位数值较小的物质的还原态与电极电位数值较大的物质的氧化态之间才能发生氧化还原反应，两者电极电位的差别越大，反应就进行得越完全。水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素1.if a reaction has positive Eh,the metal ion will be reduced by hydrogen gas to the metal.2.If a reaction has negative Eh,the metal will be oxidized to the ion and H+reduced.水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素标准电极电位表的应用标准电极电位表的应用 1）确定电子转移的方向，即反应进行的方向。确定电子转移的方向，即反应进行的方向。根据标准电极电位表，任一对氧化还原反应，位于表上方的半反应为()极，下方的半反应为()极，反应驱动力取决于电位差：Eh=EhEh=Eh0 0()EhEh0 0()Eh0：反应向相反方向进行。Fe2+Fe3+e Eh0=0.77(伏特）V4+V5+e Eh0=1.00(伏特）水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素2 2）判断反应进行的顺序和强度判断反应进行的顺序和强度 愈大，反应进行愈彻底。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两个半反应间先反应，直到一个反应物耗完，再发生下一对Eh值较小的反应：SnSn2+2+SnSn4+4+2e-+2e-EhEh0 0=0.15 V=0.15 V (1)(1)U U4+4+UU6+6+2e-+2e-EhEh0 0=0.334 V=0.334 V (2)(2)FeFe2+2+FeFe3+3+e-+e-EhEh0 0=0.77 V=0.77 V (3)(3)反应先在(1)和(3)间进行(Eh=-0.62v)，直到Sn2+或Fe3+耗完。反应在(2)，(3)或(1)，(2)间进行，直到U4+或Fe3+之一耗尽为止。3 3）反应进行限度和产物共生组合）反应进行限度和产物共生组合氧化-还原反应进行的强度与反应物浓度有关。氧化-还原反应电位Eh值随反应进展和反应物浓度变化而变化。体系中作用物浓度变低，Eh值变小，反应无限缓慢进行。氧化-还原反应具有不彻底性。反应:FeFe2+2+V+V5+5+FeFe3+3+V+V4+4+，产物组合有两种，一是耗尽V5+，组合为Fe2+Fe3+V4+，二是耗尽Fe2+，组合为Fe3+V4+V5+，Fe2+和V5+不能共生。由于Fe丰度高，V5+被耗尽的可能性更大。自然界常见组合：FeFe2+2+Fe+Fe3+3+V+V4+4+.水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素自然氧化还原环境的极限水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素前述氧化还原反应是在溶液中进行的。地壳中极端氧化还原条件界限由水的稳定场确定。强氧化条件上限由H2O分解为O2的Eh0确定：H2O=1/2O2+2H+2e-Eh0=1.23v地壳氧化还原条件的下限为H2O的还原反应：H2=2H+2e-Eh0=0.00v如表所示：在反应如表所示：在反应H2H+以上各半反应中的还原物质以上各半反应中的还原物质(Te2、U3+、Fe0、Se2-、V2+、Sn0等等)在地壳范围内不稳定。在地壳范围内不稳定。水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素在反应在反应H2OO2之下的各半反之下的各半反应的氧化态物质应的氧化态物质(Cr6+、Pb4+、Cl0等等)在地壳范围内不稳定。在地壳范围内不稳定。水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素氧化还原反应的地球化学意义1）介质氧化还原电位决定了离子在水中的状态及其共生关系:酸性介质中：FeFe2+2+FeFe3+3+e-+e-EhEh0 0=0.77 V=0.77 V MnMn2+2+2H+2H2 2OMnOOMnO2 2+4H+4H+2e-+2e-EhEh0 0=1.28v=1.28vEh0.77vEhEh0.77v1.28vEh0.77v的氧化环境中，Fe2+氧化为Fe3+,Fe3+与Mn2+共生；碱性介质中:Fe(OH)Fe(OH)2 2+OH+OH-=Fe(OH)=Fe(OH)3 3+e-+e-EhEh0 0=-0.56v=-0.56v Mn(OH)Mn(OH)2 2+2OH+2OH-=MnO=MnO2 2+2H+2H2 2O+2e-O+2e-EhEh0 0=-0.05v=-0.05v Eh-0.56vEhEh-0.56v-0.05vEh-0.56v时，Fe(OH)3与Mn(OH)2共生；Eh-0.05vEh-0.05v时，Fe(OH)3将与MnO2共生；表明Mn2+在碱性介质中比在酸性介质中更易氧化为MnO2。但任何时期都见不到Fe(OH)2与MnO2共生；水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素2）根据矿物共生组合推测作用的氧化还原条件。地球化学中把常见的变价及其相应矿物作为氧化还原条件的标型物。在不同的氧化还原环境中，将形成不同的代表性矿物，以铁为准：水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素离子离子浓浓度度代表代表环环境境代表性代表性矿矿物物Fe2+还还原原环环境境菱菱铁矿铁矿（FeCO3）、）、鲕绿鲕绿泥石泥石Fe2+Fe3+弱弱还还原原环环境境鳞绿鳞绿泥石泥石(Mg,Fe)3(Fe2+,Fe3+)3Al2Si2O10(OH)8Fe2+Fe3+过过渡渡环环境境Fe2+硅酸盐碳酸盐和硫化物（2）介质因素：水、氧气、二氧化碳等 没有水，化学风化作用就无法进行。（3）环境条件：温度、酸碱度、Eh等水水-岩化学作用实例岩化学作用实例3)风化壳的分带及硅、铝和铁的分异演化暴露在地表的岩石经风化后，不稳定矿物发生分解，可溶性物质随水流失，剩下物质残留原地，与经生物风化形成的土壤在陆地上形成不连续的薄壳，称为风化壳。反应类型：溶解反应和氧化还原反应；元素迁移包括：淋滤和聚积两个方面。岩石风化过程呈阶段性：碎屑阶段、饱和硅铝阶段、酸型硅铝阶段、铝铁土阶段。矿物风化过程呈阶段性：钾长石绢云母水云母高岭石；辉石角闪石绿泥石水绿泥石蒙脱石多水高岭石高岭石；黑云母蛭石蒙脱石高岭石。水水-岩化学作用实例岩化学作用实例风化壳分带性(由下而上)（1）半分解带和部分淋滤的基岩，pH值8.59（2）不完全风化带或硅铝岩（粘土矿物）带，pH值58.5（3）风化残余带，pH值300，pH8，长石发生钠长石化，锡从黑云母中析出来，形成氟锡络合物形式。第二阶段：沿压力降低的方向，氟锡络合物向上运移。第三阶段：t300，pH7.5，氟锡络合物发生水解析出锡石的同时，矿脉内和围岩附近结晶出萤石、黄玉、毒砂、电气石等矿物。水水-岩化学作用实例岩化学作用实例水水-岩化学作用实例岩化学作用实例3）交代变质作用（1）热液蚀变：含多种成分的热水溶液与岩石直接发生作用，热液中的活动组分进入围岩，对围岩进行改造，使围岩中形成新的矿物组合。水水-岩化学作用实例岩化学作用实例（2）矽卡岩化：在酸性或中酸性岩浆和碳酸盐岩石的接触带上，通过交代作用将引发矽卡岩的形成，称矽卡岩化。单交代矽卡岩：围岩裂隙发育，压力差显著，迁移元素单向运移。双交代矽卡岩：围岩裂隙不发育，压力差小，迁移元素双向运移。活性组份：发生迁移，含量变化的元素。惰性组分：含量基本不变的元素。水水-岩化学作用实例岩化学作用实例双交代作用图解双交代作用图解11石灰岩；石灰岩；22石灰石灰岩中之砂岩层；岩中之砂岩层；33花岗岩；花岗岩；44矽卡岩矽卡岩带；带；55矽卡岩带中矽卡岩带中原来的接触面；原来的接触面；66各区的界线；各区的界线；77溶溶液流动方向；液流动方向；88惰惰性组份扩散方向性组份扩散方向、系双交代作系双交代作用为主；用为主；接触渗接触渗滤交代作用占优势滤交代作用占优势水水-岩化学作用实例岩化学作用实例双交代作用图解双交代作用图解至石英闪长质岩浆侵入碳酸盐岩中后，在接触带两侧发生交代作用的进程。-化学位；c-浓度1石灰岩；2辉石矽卡岩；3蚀变闪长岩；4透辉石-斜长石矽卡岩；5石榴子矽卡岩；6辉石-石榴子石矽卡岩；7石英闪长岩元素迁移过程物理化学条件元素迁移过程物理化学条件 某些矿物形成的同质多相转变、固熔体分解、矿物晶形的变化等都是发生在一定物理化学条件下，为此这些矿物学现象可以作为地球化学过程物化条件的反映。1.矿物对地质温度的指示矿物固熔体分解也指示一定的温度元素迁移过程物理化学条件元素迁移过程物理化学条件矿物晶形也常常反映形成时的温度和成分元素迁移过程物理化学条件元素迁移过程物理化学条件2.成岩、成矿压力的测定1.气液包裹体测压 2.微量元素地质压力计 实验表明：在3007000C范围内，闪锌矿中FeS的含量为压力的函数，压力越高，FeS的含量越低，由图可见，测得闪锌矿中FeS的含量后，就可在图上查出闪锌矿形成的压力。3.T-P 之间的热力学计算元素迁移过程物理化学条件元素迁移过程物理化学条件3.成矿介质酸碱性的确定1.应用某些已知矿物形成时介质酸碱度范围作指示 例如：铝硅酸盐风化最终产物：高岭石酸性和弱酸性介质中；蒙托石碱性环境中 2.根据矿物交代关系判断介质酸碱度变化趋势：溶液酸性的增高，将有利于较强的碱被较弱的碱所交代；反之，溶液酸性降低，则引起较弱的碱被较强的碱所交代。3.矿物包裹体测定pH值元素迁移过程物理化学条件元素迁移过程物理化学条件4.介质的氧化还原环境的确定 1.1.利利用用含含有有变变价价元元素素的的矿矿物物及及矿矿物物组组合合来来判判断断介介质质的的氧化还原环境。氧化还原环境。矿物和矿物组合中Fe离子价态和比例，划分介质的氧化还原环境等级:Fe2+还原/菱铁矿/鲕绿泥石 Fe2+Fe3+弱还原/磷绿泥石 Fe2+Fe3+过渡 Fe2+Fe3+弱氧化/海绿石 Fe3+氧化/赤铁矿/褐铁矿元素迁移过程物理化学条件元素迁移过程物理化学条件5.介质成分的确定1.根据矿物及其组合的化学成分推测成矿溶液的成分。从围岩的成分特征推测哪些是围岩提供成分，哪些是 热液携带来的组分。2.矿物气液包裹体成分测定：(液相成分,气相成分)区域变质石英流体包裹体成分