16第六章水岩化学作用和水介质中元素的迁移1课件讲解

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1、o自然界的物质是不断运动的，自然界的物质是不断运动的，元素也包含于其中。元素也包含于其中。引引言言2007年5月28日1*第一页，编辑于星期一：八点 二十一分。o水水-岩作用的最主要原因：二者存在特性岩作用的最主要原因：二者存在特性/环境差异环境差异。 o如：元素的初始存在形式不同、元素的地如：元素的初始存在形式不同、元素的地球化学活性差别；系统的环境因素、水球化学活性差别；系统的环境因素、水岩作用强度、元素的迁移形式、迁移能力岩作用强度、元素的迁移形式、迁移能力以及迁移结果等都有很大差别以及迁移结果等都有很大差别。 2007年5月28日2*第二页，编辑于星期一：八点 二十一分。q无论从总体还

2、是从各子系统来看，地球系统无论从总体还是从各子系统来看，地球系统的化学组成都是不均一的，而且系统的物理的化学组成都是不均一的，而且系统的物理化学条件也在不断地发生改变，这是引起化化学条件也在不断地发生改变，这是引起化学作用的主要导因。学作用的主要导因。2007年5月28日3*第三页，编辑于星期一：八点 二十一分。地球及其外部圈层的物质循环地球及其外部圈层的物质循环2007年5月28日4*第四页，编辑于星期一：八点 二十一分。地球的层圈界面、岩石界面和矿物相界地球的层圈界面、岩石界面和矿物相界面的物质循环面的物质循环2007年5月28日5*第五页，编辑于星期一：八点 二十一分。q一方面会使一些岩

3、石脱离其形成时或曾经一方面会使一些岩石脱离其形成时或曾经稳定存在过的物理化学环境，导致化学作稳定存在过的物理化学环境，导致化学作用发生；用发生；q另一方面构造运动使一些地段产生异常的另一方面构造运动使一些地段产生异常的物理化学环境（如温度、压力的变化），物理化学环境（如温度、压力的变化），会使化学作用加剧。会使化学作用加剧。构造运动构造运动2007年5月28日6*第六页，编辑于星期一：八点 二十一分。u元素的迁移常通过元素在气相、溶液、熔元素的迁移常通过元素在气相、溶液、熔浆等介质中的运移来实现。浆等介质中的运移来实现。u水溶液是元素迁移的重要介质，水又是地水溶液是元素迁移的重要介质，水又是地

4、球表层分布最广的组分之一，在各种地球球表层分布最广的组分之一，在各种地球化学作用中，水总是积极参与者，它的参化学作用中，水总是积极参与者，它的参加往往加剧了化学作用和促进过程的进行。加往往加剧了化学作用和促进过程的进行。2007年5月28日7*第七页，编辑于星期一：八点 二十一分。第第6章章 水水- -岩化学作用和水介质中岩化学作用和水介质中元素迁移元素迁移u6.1地球系统的化学作用和化学迁移地球系统的化学作用和化学迁移u6.2水水-岩化学作用岩化学作用u6.3水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素u6.4元素迁移过程介质性质和条件的判断元素迁移过程介质性质和条件的判断u6.5水水-岩

5、化学作用的实例岩化学作用的实例2007年5月28日8*第八页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.1地球系统的化学作用和地球系统的化学作用和化学迁移化学迁移o6.1.1地球系统的化学作用类型地球系统的化学作用类型o6.1.2元素的地球化学迁移元素的地球化学迁移2007年5月28日9*第九页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.1.1地球系统的化学作用类型地球系统的化学作用类型地球系统中的化学作用按发生作用和生成物质的相态可以分为以地球系统中的化学作用按发生作用和生成物质的相态可以分为以下几种下几种：o1.水水-岩反应和水介质中的化学作用岩反应和水介质中的化学作用o2.熔熔-岩反应和熔浆化学作用岩反

6、应和熔浆化学作用o3.水水-气化学作用气化学作用o4.岩岩-岩化学作用岩化学作用o5.有机化学作用有机化学作用2007年5月28日10*第十页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.1.2元素的地球化学迁移元素的地球化学迁移u1物质迁移的类型物质迁移的类型u2元素地球化学迁移的概念和进程元素地球化学迁移的概念和进程u3元素迁移的标志元素迁移的标志u4元素在水介质中迁移能力的影响因素元素在水介质中迁移能力的影响因素2007年5月28日11*第十一页，编辑于星期一：八点 二十一分。1物质迁移的类型物质迁移的类型q基于运移营力和物质存在形式分类基于运移营力和物质存在形式分类：化学和物理化学迁移化学和物理

7、化学迁移生物和生物化学迁移生物和生物化学迁移机械迁移机械迁移2007年5月28日12*第十二页，编辑于星期一：八点 二十一分。前苏联远东地区锡石石英脉2007年5月28日13*第十三页，编辑于星期一：八点 二十一分。o元素地球化学迁移概念元素地球化学迁移概念 当当体体系系所所处处的的环环境境其其物物理理化化学学条条件件发发生生变变化化时时，为为了了适适应应环环境境条条件件的的变变化化、与与环环境境达达到到新新的的平平衡衡，元元素素间间原原来来的的结结合合关关系系将将自自动动解解体体，转转变变成成一一种种新新的的相相对对稳稳定定的的结结合合方方式式，在在元元素素赋赋存存状状态态发发生生变变化化的

8、的同同时时，伴伴随随有有元元素素的的空空间间位位移移和和元元素素组组合合的的变变化化时，称为元素的地球化学迁移。时，称为元素的地球化学迁移。2元素地球化学迁移的概念元素地球化学迁移的概念2007年5月28日14*第十四页，编辑于星期一：八点 二十一分。o1）空间上的位移表现为元素发生了重新分空间上的位移表现为元素发生了重新分配、元素的分散和集中的分带性；配、元素的分散和集中的分带性；o2）时间上变化应涉及到从元素形成、演时间上变化应涉及到从元素形成、演化发展到目前阶段的整个历史，也包含某化发展到目前阶段的整个历史，也包含某个时期元素活化、搬运和沉淀的阶段性；个时期元素活化、搬运和沉淀的阶段性；

9、o3）寓于各种作用之中，为其有机的组成部寓于各种作用之中，为其有机的组成部分，元素的迁移（量和质的变化）记录着分，元素的迁移（量和质的变化）记录着作用的过程；作用的过程；深入理解元素元素迁移的概念深入理解元素元素迁移的概念2007年5月28日15*第十五页，编辑于星期一：八点 二十一分。4）“量量”、“质质”和和“动动”的的关系： 从定义的深入理解，我们可以将自然界元素的丰度(量)和元素赋存形式（质）与元素迁移（动）的关系，一是事实基础，另一是理论指导。查明元素在不同地区、地质体、岩石和矿物的分布、分配、集中、分散及赋存形式的实际情况，是研究元素地球化学迁移的事实基础；而搞清楚元素迁移的途径、

10、机制和物理化学条件，则又是阐明元素分布、分配、集中、分散规律的理论指导。2007年5月28日16*第十六页，编辑于星期一：八点 二十一分。o5）自然界元素迁移的主要特点是有流体相参加自然界元素迁移的主要特点是有流体相参加(气相、水溶液相、熔体相及生物相）。气相、水溶液相、熔体相及生物相）。o水溶液相在自然界对元素的迁移具有极其重要水溶液相在自然界对元素的迁移具有极其重要的意义：的意义：oaH2O在各地球化学体系中普遍存在，为过剩在各地球化学体系中普遍存在，为过剩组份；组份；obH2O有控制环境性质的作用；有控制环境性质的作用；oc元素与元素与H2O反应表现出复杂的行为，影响着反应表现出复杂的行

11、为，影响着元素的迁移和沉淀。元素的迁移和沉淀。2007年5月28日17*第十七页，编辑于星期一：八点 二十一分。q1）首先，元素从原来固定（稳定的结合）状态首先，元素从原来固定（稳定的结合）状态转化为活动（非稳定结合）状态，并进入迁移转化为活动（非稳定结合）状态，并进入迁移介质；介质；2）其次，元素在介质发生空间迁移，在这一阶其次，元素在介质发生空间迁移，在这一阶段元素的迁移形式可以发生变化，但不发生形段元素的迁移形式可以发生变化，但不发生形成稳定固相的化学反应；成稳定固相的化学反应；3）最后，元素迁移到新的空间，由于物理化学最后，元素迁移到新的空间，由于物理化学条件的明显改变，元素在介质中的

12、存在形式变得条件的明显改变，元素在介质中的存在形式变得不稳定了，在新的环境、新的条件下元素形成新不稳定了，在新的环境、新的条件下元素形成新的稳定结合，即沉淀或结晶。的稳定结合，即沉淀或结晶。元素的地球化学迁移过程元素的地球化学迁移过程2007年5月28日18*第十八页，编辑于星期一：八点 二十一分。3元素迁移的标志元素迁移的标志识别元素迁移的方法识别元素迁移的方法：o通过矿物组合来判断；通过矿物组合来判断；o通过岩石中元素含量的系统测定和定量通过岩石中元素含量的系统测定和定量计算来判定：计算来判定：1）等体积计算法等体积计算法2）等阴离子计算法等阴离子计算法o通过物理化学界面来判断通过物理化学

13、界面来判断。2007年5月28日19*第十九页，编辑于星期一：八点 二十一分。4元素在水介质中迁移能力的影响因素元素在水介质中迁移能力的影响因素u元素迁移前的存在形式；元素迁移前的存在形式；u元素所在晶体的化学键类型；元素所在晶体的化学键类型；u元素的地球化学性质；元素的地球化学性质；u体系中相伴组分的类型和浓度；体系中相伴组分的类型和浓度；u体系中物理化学强度参数的空间变化；体系中物理化学强度参数的空间变化；u环境的环境的pH和和Eh值值。2007年5月28日20*第二十页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.2水水-岩化学作用岩化学作用o6.2.1水水-岩化学作用的物理化学条件岩化学作用的物

14、理化学条件o6.2.2水水-岩化学作用的基本类型岩化学作用的基本类型o6.2.3地球中天然水的类型地球中天然水的类型o6.2.4水溶液中元素的搬运形式水溶液中元素的搬运形式2007年5月28日21*第二十一页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.2.1水水-岩化学作用的物理化学条件岩化学作用的物理化学条件o1低温水低温水-岩化学作用的物理化学环境岩化学作用的物理化学环境o2高温水高温水-岩化学作用的物理化学环境岩化学作用的物理化学环境2007年5月28日22*第二十二页，编辑于星期一：八点 二十一分。1低温水低温水-岩化学作用的物理化学环境岩化学作用的物理化学环境o.过量水的体系；过量水的体系；

15、o.含有大量的作用剂和各类电解质盐类，同含有大量的作用剂和各类电解质盐类，同时水又有很好的流动性，因此表生地球化学过时水又有很好的流动性，因此表生地球化学过程中水既是作用介质，又是良好的溶剂和搬运程中水既是作用介质，又是良好的溶剂和搬运剂；剂；o.生物和有机质参加作用；生物和有机质参加作用；o.地表富氧和富地表富氧和富CO2的环境；的环境；2007年5月28日23*第二十三页，编辑于星期一：八点 二十一分。u.温度偏低（温度偏低（75200），但温度变），但温度变化迅速；化迅速；u.一般处于低压一般处于低压(通常通常1200atm，深海成岩作用，深海成岩作用可达可达5000atm)条件下。条件

16、下。2007年5月28日24*第二十四页，编辑于星期一：八点 二十一分。2高温水高温水-岩化学作用的物理化学环境岩化学作用的物理化学环境u.相对少量水的体系；相对少量水的体系；u.含有大量的作用剂和各类电解质盐类，含有大量的作用剂和各类电解质盐类，深源水含有大量的成矿物质，高温水的组成深源水含有大量的成矿物质，高温水的组成变化大。高温水变化大。高温水-岩作用过程中的水既是作岩作用过程中的水既是作用介质，又是溶剂和搬运剂；用介质，又是溶剂和搬运剂；2007年5月28日25*第二十五页，编辑于星期一：八点 二十一分。u.可以有生物和有机质参加作用，但不如低可以有生物和有机质参加作用，但不如低温下活

17、跃；温下活跃；u.氧逸度相对较低，且变化范围宽，主体氧逸度相对较低，且变化范围宽，主体是相对富是相对富CO2和和SO2的环境，地表富氧和富的环境，地表富氧和富CO2的环境的环境；2007年5月28日26*第二十六页，编辑于星期一：八点 二十一分。u温度主要在温度主要在200400范围内，温度上限范围内，温度上限可以达到可以达到700，压力的变化范围宽（，压力的变化范围宽（1002000atm），作用过程的压力不仅取决于），作用过程的压力不仅取决于深度，而且与参与作用的岩石结构和地质构深度，而且与参与作用的岩石结构和地质构造环境有关；造环境有关；upH变化于变化于39之间，水溶液的中性点位之间，

18、水溶液的中性点位置与溶液的温度有关。置与溶液的温度有关。2007年5月28日27*第二十七页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.2.2水水-岩化学作用的基本类型岩化学作用的基本类型u1.氧化还原反应氧化还原反应u2.脱水和水解反应脱水和水解反应u3.水合作用水合作用u4.碳酸盐化和脱碳酸盐化反应碳酸盐化和脱碳酸盐化反应u5.阳离子交换反应阳离子交换反应2007年5月28日28*第二十八页，编辑于星期一：八点 二十一分。1氧化还原反应氧化还原反应o2Fe2SiO4+O2+4H2O2Fe2O3+2H4SiO4o4FeS2+9O2+4H2O2Fe2O3+4H2SO4o2Fe2O33H2O+C=4Fe

19、O+CO2+3H2Oo好好氧和厌氧细菌对氧化还原的贡献氧和厌氧细菌对氧化还原的贡献 2007年5月28日29*第二十九页，编辑于星期一：八点 二十一分。u4KAlSi3O8(Kf)+6H2OAl4Si4O10(OH)8(Kao)+8SiO2+4KOHu风化产物受体系的风化产物受体系的pH控制：控制：uKAl2AlSi3O10(OH)2pH=7.89.5伊利石伊利石upH=7.58.5贝得石贝得石upH=7.08.5蒙脱石蒙脱石upH=6.07.0埃洛石埃洛石2.水解和脱水反应水解和脱水反应2007年5月28日30*第三十页，编辑于星期一：八点 二十一分。o高岭土高岭土+石英石英=叶腊石叶腊石+

20、水水Al2Si2O5(OH)4+2SiO2Al2Si4O10(OH)2+H2Oo叶腊石进一步脱水，转变成红柱石或蓝晶叶腊石进一步脱水，转变成红柱石或蓝晶石石：oAl2Si4O10(OH)2Al2SiO5+3SiO2+H2O2007年5月28日31*第三十一页，编辑于星期一：八点 二十一分。3水合作用水合作用u水合作用的实质是水分子整体进入矿物晶水合作用的实质是水分子整体进入矿物晶格中，从而使矿物的体积增大格中，从而使矿物的体积增大。uFe2O3+nH2OFe2O3.nH2Ou赤铁矿赤铁矿水针铁矿水针铁矿uCaSO4+2H2OCaSO42H2Ou硬石膏硬石膏石膏石膏u4碳酸盐化和脱碳酸盐化反应碳

21、酸盐化和脱碳酸盐化反应2007年5月28日32*第三十二页，编辑于星期一：八点 二十一分。5.阳离子交换反应阳离子交换反应u阳离子交换主要发生在黏土矿物或胶体的交换阳离子交换主要发生在黏土矿物或胶体的交换吸附过程中。因为它们一般带有负电荷，容易吸附过程中。因为它们一般带有负电荷，容易吸附周围介质中的阳离子，当遇到溶液中另一吸附周围介质中的阳离子，当遇到溶液中另一种自由阳离子时，二者就发生交换吸附，称为种自由阳离子时，二者就发生交换吸附，称为阳离子交换反应。阳离子交换反应。2007年5月28日33*第三十三页，编辑于星期一：八点 二十一分。o阳离子交换阳离子交换容量o不同黏土矿物进行阳离子交换时

22、能发生交换的不同黏土矿物进行阳离子交换时能发生交换的最大阳离子量称为最大阳离子量称为阳离子交换容量阳离子交换容量。2007年5月28日34*第三十四页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.2.3地球中天然水的类型地球中天然水的类型o1地球中的流体地球中的流体o2地壳中水流体相的形成地壳中水流体相的形成2007年5月28日35*第三十五页，编辑于星期一：八点 二十一分。地球中的流体地球中的流体o天然水的成因和来源划分为六种成因类型：天然水的成因和来源划分为六种成因类型：o大气降水；大气降水；o深循环海水；深循环海水；o经过演变的同生水；经过演变的同生水；o变质水；变质水；o岩浆水；岩浆水；o初生水

23、；初生水；o一般天然水溶液都不是单一成因，即大部分是混合一般天然水溶液都不是单一成因，即大部分是混合水。水。2007年5月28日36*第三十六页，编辑于星期一：八点 二十一分。2地壳中水流体相的形成地壳中水流体相的形成u地质过程中流体相形成途径：地质过程中流体相形成途径：u沉积物的沉积物的“去流体去流体”作用；作用；u变质作用放出流体；变质作用放出流体；u岩浆作用产生流体；岩浆作用产生流体；u海水、天水和地下水海水、天水和地下水2007年5月28日37*第三十七页，编辑于星期一：八点 二十一分。o根据水中分散质点的大小，可分为根据水中分散质点的大小，可分为6.2.4水溶液中元素的搬运形式水溶液

24、中元素的搬运形式2007年5月28日38*第三十八页，编辑于星期一：八点 二十一分。水溶液中元素迁移形式 o元素的迁移形式主要有：元素的迁移形式主要有：离子离子、分子、胶体、分子、胶体和悬浮体和悬浮体 简单离子简单离子or络离子络离子与离子对氧离子的争夺能力有关，可用离子电位的大小来衡量。与离子对氧离子的争夺能力有关，可用离子电位的大小来衡量。2007年5月28日39*第三十九页，编辑于星期一：八点 二十一分。1简单离子简单离子o值小的离子，争夺氧离子的能力弱，主要以简单离值小的离子，争夺氧离子的能力弱，主要以简单离子形式存在。子形式存在。 2007年5月28日40*第四十页，编辑于星期一：八

25、点 二十一分。2007年5月28日41*第四十一页，编辑于星期一：八点 二十一分。2络离子络离子 o值大的离子，争夺氧离子的值大的离子，争夺氧离子的能力强，常以络离子形式存在。能力强，常以络离子形式存在。o络合物类型络合物类型o1）无机络合物）无机络合物o2）有机络合物（螯合物）有机络合物（螯合物）o在表生作用中有机络合物是一在表生作用中有机络合物是一些重金属元素迁移的主要形式些重金属元素迁移的主要形式。2007年5月28日42*第四十二页，编辑于星期一：八点 二十一分。络离子的稳定性络离子的稳定性不稳定常数(k不不)oMen+Axm-y-Men+ XAm-oMe:中心离子 A:配位体oK不

26、= Men+Am-X/MeAxm-y-o络合物的平衡常数称为络合物的平衡常数称为络合物离解常数络合物离解常数，亦，亦称络合物的不稳定常数，用称络合物的不稳定常数，用K不不来表示来表示2007年5月28日43*第四十三页，编辑于星期一：八点 二十一分。oK不不表示了络合物稳定性的大小，对于表示了络合物稳定性的大小，对于相同配位体的络合物，相同配位体的络合物，K不不值越大，络值越大，络合物在溶液中越不稳定（易离解），迁移合物在溶液中越不稳定（易离解），迁移越近；越近；K不不值越小，络合物越稳定，搬值越小，络合物越稳定，搬运得越远运得越远。2007年5月28日44*第四十四页，编辑于星期一：八点 二

27、十一分。自然界络合物形成的环境自然界络合物形成的环境o富含挥发份的热液、热卤水溶液富含挥发份的热液、热卤水溶液o富含高电负性的配位体环境富含高电负性的配位体环境o高浓度碱性阳离子的存在（高浓度碱性阳离子的存在（Na+、K+、Ca2+）有利于络合作用的发生）有利于络合作用的发生2007年5月28日45*第四十五页，编辑于星期一：八点 二十一分。研究络合物稳定性的意义研究络合物稳定性的意义o1）确定元素沉淀的分离和空间上的分带性确定元素沉淀的分离和空间上的分带性o不稳定常数不稳定常数K不不确定其活动性的顺序：确定其活动性的顺序：oFeCoZnPbCdCuNbF72oK不不HfF72ZrF72oCe

28、(CO3)33Y(CO3)33oNb较较Ta，Zr较较Hf和和Y较较Ce的迁移能力大，从而的迁移能力大，从而造成了性质相似的造成了性质相似的NbTa、ZrHf、CeY的分离。的分离。 2007年5月28日47*第四十七页，编辑于星期一：八点 二十一分。举举例例1.石英石英黑钨矿脉产在花岗黑钨矿脉产在花岗岩裂隙带中；岩裂隙带中；2.石英脉下部富集硫化物石英脉下部富集硫化物(PbS、FeS2)，而在，而在石英脉上部黑钨矿石英脉上部黑钨矿(Fe、Mn)WO4明显富集；明显富集；3.黑钨矿富集处两侧围岩黑钨矿富集处两侧围岩中具中具萤石化萤石化和含和含氟电气氟电气石化。石化。2007年5月28日48*第

29、四十八页，编辑于星期一：八点 二十一分。讨讨 论论n1.W元素可能的迁移形式；元素可能的迁移形式；n2.为什么会形成下部硫化物和上为什么会形成下部硫化物和上部黑钨矿空间分带？部黑钨矿空间分带？2007年5月28日49*第四十九页，编辑于星期一：八点 二十一分。 分分析析o1.从黑钨矿富集处两侧围岩中蚀变矿物从黑钨矿富集处两侧围岩中蚀变矿物（CaF2，含氟电气石，含氟电气石)成分推测，成分推测，W6+在热液在热液中迁移形式：中迁移形式：(K,Na)2WO3F2，而它们的沉，而它们的沉淀环境是需要较富氧的环境才能形成淀环境是需要较富氧的环境才能形成WO42化合物的沉淀；化合物的沉淀；o2.早期，深

30、部裂隙中含矿热液中有较多量的早期，深部裂隙中含矿热液中有较多量的S2存在（存在（H2S)，这时这时O2是不足的。是不足的。2007年5月28日50*第五十页，编辑于星期一：八点 二十一分。o3.晚期，溶液运移到浅部裂隙带，游离氧晚期，溶液运移到浅部裂隙带，游离氧的浓度大大增加，促使络合物离解的浓度大大增加，促使络合物离解： 2007年5月28日51*第五十一页，编辑于星期一：八点 二十一分。oF离子配位体全部撤换成离子配位体全部撤换成O2，形成钨酸，形成钨酸根根WO42，与溶液中，与溶液中Fe2+、Mn2+、Ca2+结结合而发生沉淀（黑钨矿、白钨矿），配位合而发生沉淀（黑钨矿、白钨矿），配位体

31、体F形成萤石，含氟电气石。形成萤石，含氟电气石。2007年5月28日52*第五十二页，编辑于星期一：八点 二十一分。2元素迁移形式的研究方法元素迁移形式的研究方法o气液包裹体成分研究气液包裹体成分研究o蚀变矿物组合法蚀变矿物组合法o过滤法过滤法2007年5月28日53*第五十三页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.3水水-岩化学作用的影响因素岩化学作用的影响因素o6.3.1体系组成对水体系组成对水-岩化学作用的影响岩化学作用的影响(自学自学)o6.3.2体系物理化学环境对水体系物理化学环境对水-岩化学作用的影响岩化学作用的影响2007年5月28日54*第五十四页，编辑于星期一：八点 二十一分。

32、6.3.1体系组成对水体系组成对水-岩化学作用的影响岩化学作用的影响u6.3.1.1活度积原理活度积原理u6.3.1.2共同离子效应共同离子效应u6.3.1.3盐效应盐效应u6.3.1.4胶体的作用胶体的作用2007年5月28日55*第五十五页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.3.1.1活度积原理活度积原理o1.何谓活度积何谓活度积o当温度一定时，难溶化合物当温度一定时，难溶化合物/强电解质溶液中强电解质溶液中离子活度的乘积为一常数，这一常数称为活度离子活度的乘积为一常数，这一常数称为活度积。积。o由于难溶化合物的溶解度很小，其浓度与活度由于难溶化合物的溶解度很小，其浓度与活度相当，因而溶度

33、积与活度积都为常数，以相当，因而溶度积与活度积都为常数，以Ksp表示。表示。2007年5月28日56*第五十六页，编辑于星期一：八点 二十一分。o例如:CaF2(萤石)是难溶化合物oCaF2Ca2+2Fo根据质量作用定律，其平衡常数：oK=Ca2+F2/CaF2 (CaF2是固体，其浓度为常数)oKsp = Ca2+F22007年5月28日57*第五十七页，编辑于星期一：八点 二十一分。氯化物溶解度大于硫酸盐氯化物溶解度大于硫酸盐2007年5月28日58*第五十八页，编辑于星期一：八点 二十一分。2007年5月28日59*第五十九页，编辑于星期一：八点 二十一分。2007年5月28日60*第六

34、十页，编辑于星期一：八点 二十一分。o各种化合物的理论溶度积相差悬殊，达几十个级次，各类溶度积由大到小的顺序为： o S2PO43CO32SO42 2007年5月28日61*第六十一页，编辑于星期一：八点 二十一分。o当溶液中某物质的离子积达到或超过该化合物的活度积时，该物质沉淀；小于该物质的活度积时该物质溶解，这种溶解-沉淀关系称为活度积原理活度积原理。2.活度积原理活度积原理2007年5月28日62*第六十二页，编辑于星期一：八点 二十一分。o活度积原理可用于确定各类溶液中元活度积原理可用于确定各类溶液中元素的最大浓度及判断化合物迁移能力的素的最大浓度及判断化合物迁移能力的大小；大小；oK

35、sp氯化物氯化物Ksp硫酸盐硫酸盐Ksp碳酸盐碳酸盐Ksp磷酸盐磷酸盐Ksp硫化物硫化物，3.活度积原理应用活度积原理应用2007年5月28日63*第六十三页，编辑于星期一：八点 二十一分。o当溶液中出现能够形成更低活度积的其他离当溶液中出现能够形成更低活度积的其他离子时，会发生活度积更低化合物的沉淀和已子时，会发生活度积更低化合物的沉淀和已沉淀的原有矿物的溶解，也就是通常所说的沉淀的原有矿物的溶解，也就是通常所说的“交代作用交代作用”。判断元素溶解和沉淀方向判断元素溶解和沉淀方向2007年5月28日64*第六十四页，编辑于星期一：八点 二十一分。oCaF2的活度积为的活度积为1010.53.

36、161011，oCa3(PO4)2活度积为活度积为3.51033 。o溶液中加入PO4则CaF2溶解， Ca3(PO4)2沉淀。2007年5月28日65*第六十五页，编辑于星期一：八点 二十一分。例例1u硫硫化化物物矿矿床床的的氧氧化化带带经经常常见见到到白白铅铅矿矿（PbCO3）、铅铅矾矾（PbSO4），），其它地方少见其它地方少见；u而而在在炭炭质质页页岩岩、煤煤层层中中黄黄铁铁矿矿和和方铅矿等硫化物常见方铅矿等硫化物常见。u为什么呢？为什么呢？2007年5月28日66*第六十六页，编辑于星期一：八点 二十一分。oKspPbCO3=1.51013oKspPbSO4=2108o因此，在合适的

37、条件下很容易形成白铅矿和铅矾。因此，在合适的条件下很容易形成白铅矿和铅矾。o而在自然界中，由于硫化物的而在自然界中，由于硫化物的Ksp很小很小PbS(11029)、FeS2（11019）)，凡是只要有，凡是只要有S2离子的存在，一般离子的存在，一般情况都能形成黄铁矿、方铅矿等硫化物。情况都能形成黄铁矿、方铅矿等硫化物。o可见在成岩水中可见在成岩水中Pb2、Fe2、Zn2离子浓度是很低离子浓度是很低的。的。2007年5月28日67*第六十七页，编辑于星期一：八点 二十一分。2007年5月28日68*第六十八页，编辑于星期一：八点 二十一分。例例 2 2o原溶液中原溶液中：SrSO4Sr2+SO4

38、2o当水溶液体系中出当水溶液体系中出CO32络阴离子时：络阴离子时：oSr2+CO32SrCO3o则发生了则发生了SrCO3交代交代SrSO4的现象的现象o为什么？为什么？2007年5月28日69*第六十九页，编辑于星期一：八点 二十一分。o如如SrSO4的的活活度度积积为为2.8107，SrCO3的的活活度度积积为为1.6109。o在在 已已 沉沉 淀淀 的的 SrSO4溶溶 液液 里里 假假 定定 SO42=110 2（mol/l），根根据据活活度度积积概概念念，溶溶液液中中Srmax=2.8105（mol/l）。）。o若若加加入入CO32，并并使使CO32的的浓浓度度与与SO42相相同同

39、即即1102（mol/l）。则则发发生生SrCO3沉沉淀淀，同同时时SrSO4将将变变得得不不稳稳定定而而发发生生溶溶解解。这这种种SrSO4溶溶解解和和SrCO3沉沉淀淀一一直直持持续续到到，溶溶液液中中三三个个离离子子浓浓度度符符合合各各自自化化合合物物的溶度积为止的溶度积为止。2007年5月28日70*第七十页，编辑于星期一：八点 二十一分。SrSO4和和SrCO3两者的活度积相差两者的活度积相差175倍，因此倍，因此只有溶液中只有溶液中SO42与与CO32-的离子活度之比为的离子活度之比为175时，将不再发生两者溶解和沉淀。时，将不再发生两者溶解和沉淀。计算获得计算获得Sr=1.411

40、05（mol/l），），SO42=1.989102（mol/l）CO32=1.137104（mol/l）2007年5月28日71*第七十一页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.3.1.2共同离子效应共同离子效应1.1.概念：当在难溶化合物的饱和溶液中加入与该概念：当在难溶化合物的饱和溶液中加入与该化合物有化合物有相同离子相同离子的易溶化合物时，原难溶化的易溶化合物时，原难溶化合物的溶解度将会降低，称为合物的溶解度将会降低，称为共同离子效应共同离子效应。2.2.本质：共同离子效应实质也受活度积原理的本质：共同离子效应实质也受活度积原理的制约，是活度积原理在特定条件下的表现。制约，是活度积原理在特

41、定条件下的表现。2007年5月28日72*第七十二页，编辑于星期一：八点 二十一分。难溶化合物溶解度降低难溶化合物溶解度降低o如在如在CaF2溶液中加入溶液中加入CaCO3时，前者时，前者溶解度就将降低。溶解度就将降低。oSrCO3溶液中加入溶液中加入SrSO4，前者溶解度，前者溶解度也将降低也将降低。3.共同离子效应现象共同离子效应现象2007年5月28日73*第七十三页，编辑于星期一：八点 二十一分。分级沉淀分级沉淀o假定一种物质的加入可以使两种以上难溶盐从假定一种物质的加入可以使两种以上难溶盐从溶液中析出，但如果该物质的加入量还不足以溶液中析出，但如果该物质的加入量还不足以将两种难溶盐都

42、同时析出，则较难溶的（溶解将两种难溶盐都同时析出，则较难溶的（溶解度较低的）化合物先行析出；进一步加大这种度较低的）化合物先行析出；进一步加大这种物质的加入量，才可能导致较易溶盐类沉淀析物质的加入量，才可能导致较易溶盐类沉淀析出，这就造成出，这就造成分级沉淀作用。分级沉淀作用。2007年5月28日74*第七十四页，编辑于星期一：八点 二十一分。o例如例如Sr、Ca共存，加入共存，加入SO4后沉淀顺序后沉淀顺序2007年5月28日75*第七十五页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.3.1.3盐效应盐效应1何谓盐效应？何谓盐效应？当溶液中存在当溶液中存在易溶盐类易溶盐类（强电解质）时，溶（强电解质

43、）时，溶液的含盐度对化合物的溶解度会产生影响，液的含盐度对化合物的溶解度会产生影响，表现为随溶液中易溶电解质浓度的增大将导表现为随溶液中易溶电解质浓度的增大将导致其他致其他难溶化合物的溶解度增大难溶化合物的溶解度增大，称为称为盐效盐效应应。2007年5月28日76*第七十六页，编辑于星期一：八点 二十一分。2水的离子强度和溶液中离子的水的离子强度和溶液中离子的活度系数活度系数u离子强度（离子强度（I I）u天然水的离子强度是指天然水溶液中离子的浓度与天然水的离子强度是指天然水溶液中离子的浓度与电价平方乘积的总和。电价平方乘积的总和。u其数学表达式为：其数学表达式为：uI=0.5（C1Z12+C

44、2Z22+C3Z32+CnZn2） 2007年5月28日77*第七十七页，编辑于星期一：八点 二十一分。离子的活度离子的活度au溶液中离子的活度即离子的有效浓度（溶液中离子的活度即离子的有效浓度（溶液中溶液中离子表现出的具反应能力的浓度离子表现出的具反应能力的浓度）。）。u离子的活度（离子的活度（a a）相当离子的浓度（）相当离子的浓度（c c）与离）与离子的活度系数（子的活度系数（g g）之乘积。）之乘积。u即有：即有：a=c 2007年5月28日78*第七十八页，编辑于星期一：八点 二十一分。离子的活度系数（离子的活度系数（g g）随天然水的离子强度）随天然水的离子强度（I I）变化的总规

45、律是：）变化的总规律是：当当I值小时，值小时，1；I值增大，值增大，值降低。也就值降低。也就是说，天然水的离子强度的增大，有利于难是说，天然水的离子强度的增大，有利于难溶元素的溶解迁移。溶元素的溶解迁移。3盐效应在地球化学中的表现为高盐度溶液溶解盐效应在地球化学中的表现为高盐度溶液溶解矿物、淋滤元素的能力强。矿物、淋滤元素的能力强。2007年5月28日79*第七十九页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.3.1.4胶体的作用胶体的作用o1.胶体存在条件：分散系中，质点颗粒直胶体存在条件：分散系中，质点颗粒直径为径为106m109m之间所形成的均相体系。之间所形成的均相体系。颗粒直径介于真溶液（颗

46、粒直径介于真溶液（109m）和悬溶液）和悬溶液（106m）之间。）之间。o2.胶体结构：总体呈球形胶体结构：总体呈球形2007年5月28日80*第八十页，编辑于星期一：八点 二十一分。n胶核胶核吸附层吸附层扩散层扩散层n胶粒胶粒2007年5月28日81*第八十一页，编辑于星期一：八点 二十一分。2007年5月28日82*第八十二页，编辑于星期一：八点 二十一分。3 胶体种类胶体种类2007年5月28日83*第八十三页，编辑于星期一：八点 二十一分。4.胶体特点胶体特点胶体带电胶体带电胶体为多相体系胶体为多相体系胶体具有吸附性胶体具有吸附性稳定存在和迁移稳定存在和迁移2007年5月28日84*第

47、八十四页，编辑于星期一：八点 二十一分。5.影响胶体凝聚和沉淀的因素影响胶体凝聚和沉淀的因素异种电荷的胶体相遇，由于电荷的中和会发生异种电荷的胶体相遇，由于电荷的中和会发生凝凝聚与沉淀。聚与沉淀。胶体溶液中加入电解质，可使胶体发生凝聚沉胶体溶液中加入电解质，可使胶体发生凝聚沉淀。淀。胶体溶液浓度增大，可以促使胶体凝聚。胶体溶液浓度增大，可以促使胶体凝聚。溶液的酸碱度对胶体的搬运与沉积有很大影响。溶液的酸碱度对胶体的搬运与沉积有很大影响。放射线照射、毛细管的作用、剧烈的振荡以及大气放射线照射、毛细管的作用、剧烈的振荡以及大气放电等，也都可以导致胶体的凝聚作用放电等，也都可以导致胶体的凝聚作用。2

48、007年5月28日85*第八十五页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.3.2体系物理化学环境对水体系物理化学环境对水-岩化岩化学作用的影响学作用的影响6.3.2.1pH对元素迁移的影响对元素迁移的影响6.3.2.2氧化还原电位氧化还原电位Eh的影响的影响6.3.2.3温度和压力的影响温度和压力的影响6.3.2.4地球化学障地球化学障2007年5月28日86*第八十六页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.3.2.1酸碱度酸碱度pH对元素迁移的影响对元素迁移的影响在自然界中引起溶液酸碱变化的原因有两个：溶液的稀释； 溶液和矿物、岩石之间发生中和 反应 。2007年5月28日87*第八十七页，编辑于

49、星期一：八点 二十一分。1 1 水溶液水溶液pH值影响化合物的溶解和沉淀值影响化合物的溶解和沉淀 u对于Fe2+和Fe3+来说它们的氢氧化物的pH值要求不同：uFeSO4+2H2O Fe(OH)2+ 2H2SO4 u (pH=5.5)uFe2(SO4)3+6H2O 2Fe(OH)3+ 3H2SO4u (pH=2.48) 2007年5月28日88*第八十八页，编辑于星期一：八点 二十一分。2007年5月28日89*第八十九页，编辑于星期一：八点 二十一分。2 pH值的作用能使得自然界某些元素共生或分离 2007年5月28日90*第九十页，编辑于星期一：八点 二十一分。它们是在什么样的酸碱度水溶液

50、条件下形成的？它们是在什么样的酸碱度水溶液条件下形成的？自然界Fe帽类型：纯铁帽和铁锰帽.2007年5月28日91*第九十一页，编辑于星期一：八点 二十一分。 oFe沉淀的沉淀的pH5.5，为酸性条件，为酸性条件oMn(OH)2沉淀沉淀pH值为值为9，是碱性条件，是碱性条件o因此：因此：o在表生作用过程中，当水介质为偏酸在表生作用过程中，当水介质为偏酸性时，性时，Mn大部分淋失，而大部分淋失，而Fe(OH)2、Fe(OH)3是稳定的，形成纯铁帽；是稳定的，形成纯铁帽；o而当水介质呈弱碱性时，而当水介质呈弱碱性时，Fe、Mn氢氧氢氧化物都沉淀，而形成化物都沉淀，而形成Fe-Mn帽；帽； 2007

51、年5月28日92*第九十二页，编辑于星期一：八点 二十一分。天然水的酸碱度（pH值）取决于什么？2007年5月28日93*第九十三页，编辑于星期一：八点 二十一分。 u取决于溶解于水中的物质其总的电离平衡取决于溶解于水中的物质其总的电离平衡关系中关系中H+OH浓度，一般情况下地表浓度，一般情况下地表pH值变化范围在值变化范围在4-9。u少数特殊情况下：少数特殊情况下：u酸性水酸性水：火山口湖水，海底热卤水，：火山口湖水，海底热卤水，硫化硫化物矿床氧化带水；物矿床氧化带水；u碱性水碱性水：干旱地区碱性土壤水。：干旱地区碱性土壤水。2007年5月28日94*第九十四页，编辑于星期一：八点 二十一分

52、。pH值对元素行为的影响值对元素行为的影响u影响氢氧化物是否自溶液中沉淀；影响氢氧化物是否自溶液中沉淀；u影响元素的共生与分离；影响元素的共生与分离；u影响两性元素的迁移形式；影响两性元素的迁移形式；u影响低温水影响低温水-岩作用中常见的盐类的水解反岩作用中常见的盐类的水解反应。应。2007年5月28日95*第九十五页，编辑于星期一：八点 二十一分。举举 例例u风化淋滤型富铁矿形成的地球化学机制风化淋滤型富铁矿形成的地球化学机制？u原生矿床是前寒武纪铁、硅建造（条带状磁原生矿床是前寒武纪铁、硅建造（条带状磁铁石英岩），铁石英岩），矿层矿物组合矿层矿物组合：u一类一类是不含硅酸盐矿物或少含硅酸盐

53、矿物的磁铁石英是不含硅酸盐矿物或少含硅酸盐矿物的磁铁石英岩岩；u另另一类一类是含硅酸盐矿物的磁铁、赤铁石英岩。是含硅酸盐矿物的磁铁、赤铁石英岩。2007年5月28日96*第九十六页，编辑于星期一：八点 二十一分。o化学成分：化学成分：Fe3O4、Fe2O3、Al2O3和和Fe、Al、Ca、K、Mg 等硅酸盐类。等硅酸盐类。o有利条件有利条件：o湿润热带、亚热带气候，水、热条件充足，生湿润热带、亚热带气候，水、热条件充足，生物活动旺盛，化学风化和生物风化剧烈，矿物物活动旺盛，化学风化和生物风化剧烈，矿物破坏强度大，破坏强度大， 形成几十到几百米风化壳，准形成几十到几百米风化壳，准平原地形有利于淋

54、滤及风化壳的保存。平原地形有利于淋滤及风化壳的保存。2007年5月28日97*第九十七页，编辑于星期一：八点 二十一分。地球化学机制地球化学机制 o首先, 矿源层中不稳定、易分解的角闪石、方解石发生分解；o然后，磁铁矿被赤铁矿所交代, 形成假象赤铁矿: oFe3O4Fe2O3Fe2O3o随之进行的是铁硅酸盐（绿泥石）分解：Fe(OH)3和高岭土等粘土矿物 。2007年5月28日98*第九十八页，编辑于星期一：八点 二十一分。o最后，在风化过程中，未被分解的矿物只剩下石英和氧化铁了. 当溶液为碱性或弱碱性时, 最有利于SiO2 淋失（图6.6各种化合物在不同pH下沉淀规律）, 从而铁质不断富集逐

55、渐由贫变富(Fe提高了1.51.9 倍), 形成大型富铁矿。 2007年5月28日99*第九十九页，编辑于星期一：八点 二十一分。2007年5月28日100*第一百页，编辑于星期一：八点 二十一分。转变为氧化富铁矿的地球化学实质转变为氧化富铁矿的地球化学实质o经强烈风化，在弱碱性或碱性条件下，碱金属，碱土金属和SiO2的大量淋滤流失，Fe、Al、Ti等组分残留富集。2007年5月28日101*第一百零一页，编辑于星期一：八点 二十一分。2007年5月28日102*第一百零二页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.3.2.2氧化还原电位氧化还原电位Eh的影响的影响1.标准氧化还原电位标准氧化还原电

56、位E0氧化氧化-还原反应过程中必然有电子的还原反应过程中必然有电子的“得得”与与“失失”，或，或电子的转移，也就是发生了氧化反应和还原反应两电子的转移，也就是发生了氧化反应和还原反应两个反应，这一对反应就构成了一个自然化学电池。个反应，这一对反应就构成了一个自然化学电池。负极给出电子，正极得到电子，两极产生了电动势负极给出电子，正极得到电子，两极产生了电动势/电压电压/电位差。如果反应在电位差。如果反应在25，参与反应的氧化，参与反应的氧化态态/还原态的量都是还原态的量都是1摩尔，每极都形成各自的标准摩尔，每极都形成各自的标准电位电位E0（V）。）。2007年5月28日103*第一百零三页，编

57、辑于星期一：八点 二十一分。实际的自然体系，常常是多组分，并且实际的自然体系，常常是多组分，并且参与反应的物质并非标准参与反应的物质并非标准1mol，即非标，即非标准条件下的氧化还原电位，以准条件下的氧化还原电位，以E表示。表示。E=E0+(0.059/n)log(c氧化态氧化态/c还原态还原态)。2.非标准条件下的氧化还原电极电位非标准条件下的氧化还原电极电位E2007年5月28日104*第一百零四页，编辑于星期一：八点 二十一分。o研究体系中所有组分的氧化研究体系中所有组分的氧化-还原的还原的E值，通常用值，通常用Eh表示，即环境的氧化还表示，即环境的氧化还原电位。原电位。o根据电化学原理

58、，作用结果总体体系的电根据电化学原理，作用结果总体体系的电位位Eh，取决于占主导地位的，取决于占主导地位的过剩组分的氧过剩组分的氧化还原电位化还原电位。3、环境氧化还原电位、环境氧化还原电位Eh2007年5月28日105*第一百零五页，编辑于星期一：八点 二十一分。o如在与大气接触的各种地表环境中如在与大气接触的各种地表环境中O2是过剩组是过剩组分，在开阔的海面及表层水中分，在开阔的海面及表层水中pO2=0.21，Eh=+0.3V。海底有机质堆积造成缺氧环境海底有机质堆积造成缺氧环境，强还，强还原有机质占主导原有机质占主导，Eh=0.6V。从环境的从环境的Eh大小大小可以反应氧化、还原环境的可

59、以反应氧化、还原环境的相对强弱，一般来说相对强弱，一般来说Eh越负，体系的还原性越强越负，体系的还原性越强。不同不同pH值的体系，达到氧化或还原环境的值的体系，达到氧化或还原环境的Eh值是不同。值是不同。2007年5月28日106*第一百零六页，编辑于星期一：八点 二十一分。6.3.2.3温度和压力的影响温度和压力的影响o温度与蒸发作用对易溶盐类矿物的沉积有特温度与蒸发作用对易溶盐类矿物的沉积有特殊的影响；殊的影响；o温度的升高和降低可以改变反应进行的方向；温度的升高和降低可以改变反应进行的方向；o压力也影响反应进行的方向压力也影响反应进行的方向。2007年5月28日107*第一百零七页，编辑

60、于星期一：八点 二十一分。2007年5月28日108*第一百零八页，编辑于星期一：八点 二十一分。o在元素迁移途中，如果环境的物理化学条件发生了急剧变化，导致介质中原来稳定迁移的元素其迁移能力下降，元素因形成大量化合物而沉淀，则这些引起元素沉淀的条件或因素就称为地球化学障地球化学障。o大部分元素在以氢氧化物形式存在时，低价易迁移，当环境突然转变为氧化环境时，元素迁移能力急剧降低，环境突然转变处就构成氧化障氧化障；o当元素呈酸根或络合物形式存在时，高价易迁移，当环境突然转变为还原环境时，元素迁移能力急剧降低，环境突然转变处就构成还原障还原障。6.3.2.4地球化学障地球化学障2007年5月28日109*第一百零九页，编辑于星期一：八点 二十一分。2007年5月28日110*第一百一十页，编辑于星期一：八点 二十一分。