元素的迁移

第7章化学元素的迁移

物质的运动是绝对的，静止是相对的。地球化学体系中元素也是这样，随着时间的发展，体系物理化学环境的不断改变，早先形成的矿物、岩石及其组合将不断转变为新的矿物、新的岩石和新的组合，相应地元素也发生转移和再分配。地球化学体系中，元素的迁移明显表现为元素在空间上的运动，即元素在不同地圈、不同地质体或不同地段进行迁移。在迁移过程中，元素之间将发生分离与重新组合，即进行再分配，出现分散与富集。

在地球化学体系中，元素呈气态、液态、固态存在，气态或液态（包括岩浆与水溶液）为活动态，固态（包括各种矿物与岩石）为相对的稳定态。元素在固相中的扩散迁移速率极小，实际不起明显作用。某些固态化合物也可发生迁移，但都是借助其它流体的作用，例如砂矿物随水流共同迁移。因而地球化学体系中元素迁移规律的中心问题是元素的固态化合物与液态（气态）的转换问题，即主要为岩浆的形成和结晶问题与水溶液中化合物的溶解和沉淀问题。

元素的分布规律、元素的丰度值决定了硅酸盐岩浆及水溶液是元素地球化学迁移的最主要的两大体系。H2O对作为一种极性分子集合体及其与硅酸盐岩浆的不完全混溶特性又决定了水溶液与硅酸盐岩浆为两大有关的独立体系。此外，元素还可以以固相及气相形式迁移。本章将首先讨论元素的迁移形式，其后分别讨论元素在这液相、气相、固相和熔体中的迁移规律。

7.1 化学元素迁移形式

地壳中元素以不同的形式相互结合，组成各种矿物和岩石(包括土壤及有机质等)，这是元素在—定的物理、化学条件下相对稳定，暂时存在的一种形式。稳定是相对的，远动是绝对的。由于环境的改变，已经形成的矿物和岩石就会失去稳定性，构成它们的元素也会重新活动，并在新的条件下又会以新的方式重新组合，构成新的集合体固定下来。随时间的推移，物质不断组合，不断解体，组成它们的元素也随着环境的改变而不断转移。

元素的迁移是指元素从一种存在形式转变成另一种存在形式并伴随着一定的空间位移的运动过程。元素的迁移总是包含在各种地质作用之中的，是各种地质作用的有机组成部分。随着各种地质作用(如岩浆作用、热液作用、变质作用、各种表生作用等等)的发生，都伴随了不同程度元素的迁移。正是由于元素的不断迁移才形成了元素的再分配。因此查明不同地质体中元素的分布、分配、分散、集中的实际情况，便成为研究元素迁移的事实基础；搞清元素迁移的途径和化学机理是研究元素分布、分配、分散、集中的理论指导。

元素迁移可以通过不同的物质运动形式来实现。根据迁移机理及驱动力，地壳中元素的迁移可以分为三种基本形式，即物理迁移、化学迁移和生物迁移。

7.1.1 物理迁移

物理迁移是指物质（元素）以物理形式进行迁移，迁移过程中物质保持原有的化学性

质。物理迁移是地壳中元素的重要迁移形式之一，包括机械迁移、扩散与渗滤。

（1）机械迁移

机械迁移是由于物质（元素）在迁移过程中依靠外力或外部介质，本身的物质组成没有发生变化，如自然灾害中的崩塌、滑坡、泥石流等发生时，物质（元素）在势能及动能的作用下发生迁移，但这种迁移距离有限。另一种机械迁移方式如河流、湖泊、海洋中的泥砂随着水体由高处向低处迁移，这也是在水体的势能和动能共同作用下的迁移，但这种迁移一般距离较大。物质（元素）以悬浮物或气溶胶形式在气相中的迁移也是一种典型的机械迁移，它主要依靠风能进行迁移。

（2）扩散迁移

扩散迁移是一种常见的物理迁移，主要发生在相对静止的流体相（包括液体和气体）中。如在静止的水体中加一种有色物质如墨水，过一会就会发现加入的墨水就完全混溶了。扩散迁移的主要动力是在该体系中物质（元素）的浓度差。一般来说，扩散迁移是在一个相对稳定的体系中物质从浓度高的地方向浓度低的地方迁移的一种现象。在一个系统内，元素或物质的浓度不同，元素或物质的质点将自动地从高浓度向低浓度迁移，直到达到均一为止，这种现象称为扩散。扩散的实质是使系统内部各部份达到均一化的过程。引起扩散的原因是由于系统内部存在的浓度差，介质本身并不—定发生移动。扩散是自动发生的一个连续的物质迁移的过程。

扩散作用是在岩石裂隙、孔隙不发育的情况下，元素迁移的一种形式。它本身也有一个速度问题，扩散的速度往往与介质的性质有关，比如在气体或液体介质中扩散的速度就大于在固体介质中扩散的进度。此外，扩散进度还与介质的粘滞性及岩石的孔隙度有关。

在岩石裂隙不发育的地方，成矿、成晕、围岩蚀变以及其它一些变化过程，扩散迁移起了很重要的作用。例如矽卡岩的形成，是由于侵入岩中的硅、铝；碳酸盐岩中的钙、镁借助于孔隙溶液的沟通，相互扩散发生交待作用的结果。地球化学找矿，也就是根据扩散原理，从浓度低的地段追溯找寻浓度的中心，再结合其它地质条件来预测成矿地段。至于扩散范围的大小，主要与元素本身的活动性、成矿作用的强度、矿化的规模、原始溶液的浓度、作用时间的长短等因素有关。

（3）渗滤迁移

渗滤迁移也是一种物理迁移方式，它主要发生在具有一定孔隙度的物质的两侧及其附近。如在用滤膜进行过滤时，水分子及溶解在水中的物质可以通过滤膜进行迁移，而溶液中的杂质则不能透过。渗透迁移的动力主要是压力差，浓度差也可以导致在可渗透介质的两侧进行迁移。

渗滤作用是指溶液沿着岩石中细小的毛细管空隙运动时(这种细小的毛细管孔隙相当于一种半透膜)溶质和溶剂的速度不同而发生分异的现象。引起渗滤的主要原因是由于“半透膜”两侧所存在的压力差。和扩散作用不同，渗滤作用时溶液是流动的，元素随溶液的流动而迁移。

为了表示岩石渗透性的强弱，用过滤效应系数Ф来表示：

Ф=Vz/Vf

Vz：溶质质点的平均速度；

Vf：溶剂质点的平均速度。

如Ф＝1，说明无过滤效应，Ф<1时，有过滤效应。如Ф值愈大，说明渗滤速度愈快，如Ф值愈小，说明渗滤速度愈慢，甚至被“半透膜”阻挡在另一侧而造成了局部地段的相对浓集。例如汞矿的形成，除了其它条件而外，许多富矿体多赋存于薄层页岩之下。这种薄层页岩，实际上也就起到了“半透膜”的作用。

在一般溶液中，由于阴离子的活动性大于阳离子，因此阴离子比离阳子更容易通过“半透膜”，而阳离子在通过“半透膜”时，总要不同程度地受到阻碍。通过实验测得了几种主要阳离子的过滤效应系数如下：

Fe2+＞Al3+＞Zn2+＞Ni2+＞Cu2+>Mg2+

0.88 0.86 0.79 0.76 0.74 0.66

需要指出的是，在各种地质作用的地球化学过程中，元素迁移的方式绝对不是单一的，它们总是随着时间、地点、条件的不同而采取不同的迁移方式。就以扩散和渗滤而言，两者是密切结合但又因条件不同而有所侧重，当溶液沿着通道上升时，需要有压力差。初期，由于压力较大，溶液在构造破碎带及裂缝中运动时，溶液的流动性和渗滤作用占主导地位，而此时扩散作用表现得不明显；随着流动和渗滤作用的不断进行，压力差会逐渐降低，以致最后消失，这时岩石中大规模的溶液的流动相对停止，此时溶液中所含的物质成分和围岩中物质成分之间的浓度差就表现出来了，于是扩散作用开始占主导地位。矿体周围存在的原生晕，实际上就是扩散和渗滤相结合作用的产物。

当扩散和渗滤作用发生的时候，常常伴随着化学作用的发生、围岩蚀变的产生、交代带的形成、元素的迁移和沉淀等等，都是含矿溶液在扩散和渗滤的过程中，和围岩发生各种化学反应的结果。

7.1.2 化学迁移

化学迁移是地壳中最常见、最主要和最复杂的一种迁移形式。化学迁移的本质是元素在外界物理化学条件发生变化时由原来相对比较稳定的状态变为不稳定状态，即元素发生了活化。活化了的元素其活动性大大增强，容易迁移，这一过程就是元素的化学迁移。如铁在黄铁矿中是以二价形式存在，当黄铁矿暴露在地表环境中，黄铁矿中的二价铁被氧化成为三价铁，硫元素则被氧化成为六价硫，以硫酸根离子的形式存在，最终一部分铁被以FeSO4的形式带走导致铁的迁移，一部分继续氧化在原地形成铁帽（褐铁矿），成为一种最常见的找矿标志。化学迁移最常见的是元素在水溶液和熔体中的迁移，此外，元素也可以在气相中进行化学迁移。根据元素化学迁移所处的介质的不同，元素的化学迁移可以分为：①熔体迁移；

②溶液迁移；③气体迁移。下面几节将详细描述元素在这三种介质中的迁移过程。

7.1.3 生物迁移

生物迁移是元素迁移的重要形式。生物迁移是指元素通过生物作用而发生转化、迁移的现象。生物迁移的最大特点是元素在生物生命活动过程中发生的迁移。最典型的生物迁移是植物的光合作用和微生物的分解作用及生态系统中元素在生物链中的传递。