元素的地球化学迁移

水-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.
（3）环境条件：温度、酸碱度、Eh等
水-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-岩化学作用的影响因素
自然氧化－还原环境的极限 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
水-岩化学作用的影响因素
碱性介质中: Fe(OH)2+OH-=Fe(OH)3+e- Eh0=-0.56v Mn(OH)2+2OH-=MnO2+2H2O+2e- Eh0=-0.05v
Eh<-0.56v时，Fe(OH)2与Mn(OH)2共生； -0.05v>Eh>-0.56v时，Fe(OH)3与Mn(OH)2共生； Eh>-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；
鳞绿泥石 (Mg,Fe)3(Fe2+,Fe3+)3[Al2Si2O10](O H)8
水-岩化学作用的影响因素
4.地球化学梯度和地球化学障
地球化学梯度：描述一个地球化学景观中元素含量的逐 渐变化。指在一个岩性相对稳定地区，特定元素在空间 上离开矿床在垂向和水平方向上表现的含量分布变化， 从异常浓度降至背景浓度。
地球化学障：描述一个地球化学景观中元素含量的急剧 变化。指地壳中物理或化学梯度具有突变的地带，常伴 随元素聚集或堆积作用。即在元素迁移过程中经过物理 化学环境发生急剧变化地带时，介质中原来稳定的元素 迁移能力下降，形成化合物沉淀。
水-岩化学作用的影响因素
常见的地球化学障类型
1. 吸附障—胶体、有机质吸附微量元素，并沉淀； • 碱性-酸性障氧化障—酸性溶液中含金属离子遇到深
水-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8.5～9 （2）不完全风化带或硅 铝岩（粘土矿物）带， pH值5～8.5 （3）风化残余带，pH值 <5 自下而上：酸度递增，硅 的溶解度递减，氧化作用 增强。
水-岩化学作用实例
风化淋滤型富铁矿形成的地球化学机制
水-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：
离子浓 代表环
度
境
Fe2+ 还原环
境
Fe2+>F 弱还原
e3+
环境
Fe2+≌F 过渡环
3+
代表性矿物
菱铁矿（FeCO3）、鲕绿泥石
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-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。
水-岩化学作用的影响因素
如表所示：在反应H2→H+以上各半反应中的还原物质(Te2、U3+、 Fe0、Se2-、V2+、Sn0等)在地壳范围内不稳定。
在反应H2O→O2之下的各半反 应的氧化态物质(Cr6+、Pb4+、 Cl0等)在地壳范围内不稳定。
水-岩化学作用的影响因素
氧化还原反应的地球化学意义
水-岩化学作用的影响因素
3）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: Fe2++V5+→Fe3++V4+， 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： Fe2++Fe3++V4+.
Al2Si2O5(OH)4＋4SiO2＋2Na+ 黄铁矿的溶解（形成溶解硫酸H2SO4）： 2FeS2 ＋5H2O＋15O2（气体）＝
4H2SO4 ＋Fe2O3·H2O
生物风化 ：植物根劈作用，动物活动等
水-岩化学作用实例
化学风化是指岩石和矿物在表生水、二氧化氧碳等作 用下的分解过程，涉及岩石圈、大气圈、水圈和生物圈 的相互作用以及元素的地球化学循环。
元素的地球化学迁移
水-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
原生矿床：前寒武纪铁、硅建造（条带状磁铁石英岩） 矿层矿物组合：一类是不含硅酸盐矿物或少含硅酸盐矿
物的磁铁石英岩； 另一类是含硅酸盐矿物的磁铁、赤铁石英岩 化学成分：Fe3O4、Fe2O3、Al2O3 和 Fe、Al、Ca、K、 Mg 等硅酸盐类。 有利条件: 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， 矿物破坏强度大，形成几十到几百米风化壳 ，准平原地形有利于淋滤及风化壳保存。
水-岩化学作用的影响因素
注意：
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；
水-岩化学作用实例
1. 风化过程中的水－岩化学作用 物理风化：温度变化、矿物岩石的膨胀和破裂等
化学风化： 方解石的溶解（无固体风化残余，所有的 离子均溶解于溶液中）： CaCO3＋2H+＝ Ca2+＋H2O＋CO2（气体） 长石的分解（粘土是常见的风化残余）： 2NaAlSi3O8（钠长石）＋2H+ + H2O＝
部碱性物质时，发生金属离子的析出； • 还原硫化氢障—S2－是多数金属的沉淀剂； 1. 还原潜育障—金属以络阴离子形式沉淀，如U、V、
Mo等 2. 硫酸盐和碳酸盐障—硫酸盐或碳酸盐水与富含Ca、
Sr、Ba的其它类型水相互作用，形成石膏、天青石 等。 3. 蒸发障—石膏化、盐渍化salinization
Sn2+→Sn4++2e- Eh0=0.15 V (1) U4+→U6++2e- Eh0=0.334 V (2) Fe2+→Fe3++e- Eh0=0.77 V (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。
水-岩化学作用实例
水-岩化学作用实例
2.沉积地球化学作用 包括：风化、搬运、沉积和埋藏成岩等过程。
1)河水流向海洋过程中元素组份的变化
海洋水和大陆水中微量元素的种类和含量在各相中的组 成有很大区别： ①分散元素：河水中呈悬浮态，海水中呈溶解态（Pb 、Sc、Zr、Ti、Gr等）； ②元素含量差异明显：河水中Mn、Y、Pb、Th高；海 水中Br、B、Sr、Li、Ru、F、I高。 当河水进入海水时，元素的溶解态发生了再分配。92% 的物质在海域边缘和河口处附近沉淀下来。
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。
水-岩化学作用的影响因素
Zn-Cu电化学电池示意图
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。
水-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。
水-岩化学作用的影响因素
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。
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=Eh0(－)－Eh0(＋) Eh<0：反应正向进行，即(－)极半反应向右进行，(＋) 极半反应向左进行； Eh>0：反应向相反方向进行。
1)风化作用的化学反应类型
（1）溶解作用 （2）氧化作用 （3）水解作用 （4）离子交换作用
Mg2SiO4（镁橄榄石）＋4H2O＝2Mg2＋＋4OH－＋H4SiO4
水-岩化学作用实例
2)影响化学风化的主要因素
（1）母岩的化学成分和矿物的耐风化能力 氧化物>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。
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：
Fe2+→Fe3++e- Eh0=0.77 V Mn2++2H2O→MnO2+4H++2e- Eh0=1.28v Eh<0.77v的还原环境中，铁不能氧化为Fe3+，Fe2+与 Mn2+共生； 1.28v>Eh>0.77v的氧化环境中，Fe2+氧化为Fe3+, Fe3+与Mn2+共生；
水-岩化学作用实例
Fe2+ → Fe3+ + e Eh0=0.77 (伏特） V4+→ V5+ + e Eh0=1.00(伏特）
水-岩化学作用的影响因素
2） 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。同来自百度文库发生几对反应时，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：
水-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。
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。