第04章 元素的迁移和分异

1、第四章 元素的迁移和分异规律静止=元素结合是特定条件下暂时的存在形式运动=元素迁移是普遍的、绝对的元素的迁移和分异规律定义：元素从一种存在形式转变为另一种形式，并在运动过程中伴随着再分配称为元素的迁移。方式：固态（扩散和机械形式），气态，液态（水溶液、胶体、熔体等）元素的迁移和分异规律（一）内因（元素和化合物的状态）1.原子的性质（惰性气体，单质元素）原子质量、半径、地球化学亲和性元素的迁移和分异规律2.化合物的性质（1）化学键；a.分子化合物（CO2,HCl,H2O,H2S）b.离子化合物(NaCl)c.共价化合物（ZnS）元素的迁移和分异规律（2）离子的电价和半径 一价化合物：易溶(NaC

2、l,Na2SO4等） 二价化合物：较难溶解（CaSO4等） 三价化合物：极难溶解（Al(OH)3等） 离子电位的概念： = W/R元素的迁移和分异规律 元素的迁移和分异规律 Ca2+ + 2OH- = 2.5-8.0 为两性离子，BeO + H2O = Be2+ + 2OH- 8.0夺取水中的O 2-形成络阴离子，并使H + 游离：SO2 + H2O = 2H+ +SO32- 元素的迁移和分异规律（二）外因1.温度（熔融，溶解）元素的迁移和分异规律2.压力（熔融，溶解，尤其含挥发组分） CaCO3 + SiO2 =CaSiO3 +CO2 方解石 石英 硅灰石元素的迁移和分异规律3.浓度（如配位

3、体Cl,F等） AgCl(s) + Cl- = AgCl2 -4.Eh(影响价态=溶解度) Fe(OH)3 410-38 ; Fe(OH)2 4.810-165.PH（作用过程有H+或OH-） 3KAlSi3O8 +2H+ = KAl2AlSi3O10(OH) 2 + 2K + +6SiO2元素的迁移和分异规律（一）水的性质重要性：控制溶解度、熔点 性质： O：3.5；H：2.1 高沸点（氢键） 高介电常数（81，偶极分子，溶剂）元素的迁移和分异规律（二）元素溶于水中的形式1.气体分子在水中的溶解及存在形式 控制因素：偶极分子/非偶极分子 水性质的变化气体在水中的溶解度（20，1大气压，L/L

4、水）温度对气体溶解于水中的影响 温度越高，溶解度越低元素的迁移和分异规律2.元素在水中的溶解及存在形式（1）强电解质化合物（简单离子） NaCl =Na + + Cl - KCl = K + + Cl - Na2SO4 = 2Na+ + SO42-元素的迁移和分异规律元素的迁移和分异规律(2)弱电离化合物（溶解物中有分子和简单离子）CaCO3 (s) = CaCO3 (aq)CaCO3 (s) = Ca2+ (aq) + CO32- (aq)溶度积：Ksp = Ca2+CO32-元素的迁移和分异规律元素的迁移和分异规律3.水溶液中络合物的作用（1）络离子的形成和性质 AgNO3 + NaCl

5、=AgCl (s)+ NaNO3 AgCl(s) + Cl- = AgCl2 - Am B Xnp Am:阳离子; B:中心离子; X配位体 :离子键； ：配位键元素的迁移和分异规律 配位体：Cl-,F-,O2-,S2-,OH-,HS-,HCO3-,CO32-,SO42-, NH3, Br-,I-,CN-元素的迁移和分异规律络合物稳定性的一般规律：（1）中心离子的性质：a.亲石元素离子电位大者其络合离子较稳定b.亲铜元素与配位离子的电负性差小的稳定。元素的迁移和分异规律（2）配位体的性质：c.与亲石元素的电负性差大者较稳定如 FClBrI, OSSeTed.与亲铜元素的电负性差小者较稳定如 F

6、ClBrI, OOF元素迁移和分异规律三、酸碱反应和PH的作用（一）自然水溶液PH值的控制反应1.溶解酸性物质（CO2、H2S、SO2、HCl、HF）SO2+H2O H2SO3 2H+ + SO32-元素迁移和分异规律2.自然水溶解碱性物质（K、Na、Ca、Mg等）Mg2SiO4 + 4H2O 2Mg2+ +4 OH- +H4SiO43.自然水的中和作用元素迁移和分异规律(二）介质PH值对元素迁移的控制1.溶液PH值增大时，具碱性元素的化合物溶解度降低,如：CaO + H2O Ca2+ +2OH-2.溶液PH值降低时，具有酸性元素的化合物溶解度降低,如：SiO2 + 2H2O H4SiO4 H

7、+H3SiO4-元素迁移和分异规律3.意义：（1）酸性障和碱性障定义：由于水溶液中PH发生变化而改变元素原有的迁移状态。（2）元素的分异元素迁移和分异规律四、元素迁移过程中的氧化-还原反应1.标准电极电位及地球化学意义地球化学作用中，相互作用的离子间发生电子的转移称为氧化-还原作用。例如：Fe2+ - e =Fe3+ 氧化 Eo：0.77VV5+ +e =V4+ 还原 Eo ：1.00VFe2+ + V5+ =Fe3+ + V4+ 氧化-还原元素迁移和分异规律（1）金属或离子的电极电位(失去和得到电子的趋势，右图)（2）标准电极电位: H2 = 2H+ + 2e（3）任意条件下的电极电位:E

8、= Eo +（RT/nF）ln(C氧化态/C还原态)M Mn+ + ne Eo ：25oC, 1atm下标准电极电位（25oC，酸性溶液中,单位：伏）元素迁移和分异规律氧化-还原电位资料的应用：（1）Eo低的还原态给出电子， Eo高的氧化态得电子而还原。（2）温度增高，E增大，0.2V/100oC。（3）E与体系中的氧化态和还原态离子浓度有关。（4）在有酸碱变化的反应中， E = Eo - 0.059PH (RT/F=0.059)例如：Fe2+ - e =Fe3+ Eo：0.77V是V5+的还原剂，但自身被氧化。V5+ +e =V4+ Eo ：1.00V是Fe2+的氧化剂，但自身被还原。Fe2

9、+ + V5+ =Fe3+ + V4+ 元素迁移和分异规律2.环境的氧化-还原电位及其极限定义：体系以外部分占主导组分的氧化-还原电位，表示为Eh。（1）天然水的Eh-PH范围纯水的氧化-还原反应由以下反应限制：H2O 0.5 O2 + 2H+ +2e(水氧化反应)2H+ +2e H2（水还原反应）元素迁移和分异规律 元素迁移和分异规律3.氧化-还原反应的意义（1）氧化障与还原障氧化障和还原障的定义：由于氧化或还原反应而改变元素原有的迁移状态称为氧化障或还原障。（2）元素的分异元素迁移和分异规律五、元素在胶体中的迁移定义：一种物质的细小质点分散在另一种物质中所组成的不均匀分散系。1.胶体的性质

10、及结构（1）性质：质点细小（10-3-10-5mm），比表面积大，表面能大。（2）质点带电元素迁移和分异规律胶体粒子的结构 吸附离子反离子反离子胶核 吸附层 （固定层）扩散层| 胶粒 | 胶团元素迁移和分异规律如负胶体：mSiO2 nSiO32- 2(n-x)H+- 2xH+ 正胶体：m Fe(OH)3 nFeO+ (n-x)Cl-+ xCl- 元素迁移和分异规律元素迁移和分异规律 元素迁移和分异规律2.胶体对元素的吸附规律(1)胶体优先吸附构晶离子。例如，Fe(OH)3胶核的溶液中含有Mn2+, Fe3+和OH- ,Al3+,F-,Cl-,SO42-时，Fe(OH)3优先吸附Fe3+元素迁移

11、和分异规律(2)离子电价越高越易被吸附，如： Fe 3+ Fe 2+; Al 3+ Ca 2+; Ca 2+ Na+。元素迁移和分异规律(3)同价离子，离子半径越大或水合离子半径越小越易被 吸附，如：Cs+ Rb+ K+ Na+ Li+Ba 2+ Ca 2+ Mg 2+元素迁移和分异规律3.胶体的聚沉（1）电解质浓度增高（2）正负胶体混合（3）温度增高（离子碰撞，离子水化降低）元素迁移和分异规律4.胶体及其吸附的地球化学意义（1）使溶解度小的元素迁移如Al, Fe等（2）页岩中金属成矿元素的初步富集（黑色页岩中相对富集Cu、Pb、Zn）（3）元素在表生条件下的地球化学分离（大陆地壳中富K,Rb

12、）元素迁移和分异规律六、元素在岩浆熔体中的迁移（一）元素在岩浆熔体中的存在形式1岩浆熔体的结构元素迁移和分异规律2.熔体的聚合程度与岩浆熔体有关的概念（1）桥氧（BO）：连接两个硅-氧四面体的氧，表示为Si-O-Si 或Oo。元素迁移和分异规律（2）非桥氧（NBO）：连接Si4+和一个非四面体阳离子的氧，表示为 Me-O-Si或O-。元素迁移和分异规律（3）自由氧（FO）：连接非四面体的阳离子的氧，表示为：Me-O-Me或O2-。 熔体的聚合程度： NBO/T NBO/T越大聚合程度越低，其值可由下式计算： NBO/T = (O 2 - T 4) / T元素迁移和分异规律 熔体的聚合程度示例

13、元素迁移和分异规律熔体聚合程度的转化： 2SiO2 + O 2- Si2O52- 架状 层状 Si2O5 2- + O 2- 2SiO32- （链状） 2SiO3 + O 2- Si2O76- （哑铃状） Si2O76- + O 2- 2SiO44- （岛状）元素迁移和分异规律3.岩浆熔体中阳离子的结构作用（1）名词概念 造网元素（polymer,聚合元素）：四面体的中心离子，离子电位高（电价高，半径小）的元素。 变网元素(modifier,去聚合元素)：介于硅氧四面体之间，离子电位较小。元素迁移和分异规律（2）主要元素的结构作用Si4+：造网元素，离子电位为10.26元素迁移和分异规律 Al

14、3+：离子电位为5.26，体系中离子电位低的元素增多时，其造网离子增多，如：Na/Al=1, Al3+全部进入四面体Na/Al CO32- + Oo使非桥氧的数量减少。(3)硫的作用岩浆中的硫呈S2-，可与Fe,Ni,Co等元素形成硫化物熔体。元素迁移和分异规律（二）岩浆的基本物理化学性质1.岩浆的温度：700-1300oC 酸性岩：700-900oC 中性岩：900-1000oC 基性岩：1000-1300oC元素迁移和分异规律2.岩浆的粘度 成分、结构、温度和压力对粘度的影响成分决定熔体结构=粘度 粘度对运移能力和元素分异能力影响元素迁移和分异规律3.岩浆的氧化-还原条件（1）氧化还原条件

15、的判断 变价元素（2）对元素的影响 高价=造网离子 影响岩浆的聚合程度元素迁移和分异规律（三）部分熔融作用与岩浆的形成1.部分熔融作用中元素的分异元素迁移和分异规律（1）共熔或共结系元素迁移和分异规律(2)固溶体系列元素迁移和分异规律（3）相容元素与不相容元素（微量元素）a.分配系数的概念： 简单分配系数Kd=C固相/C熔体相 总分配系数Di=KiDX=K/LD(i) X +K/LD(i) X +.元素迁移和分异规律b. 相容元素：分配系数大于1如Ni，Cr, Co等为相容元素。c. 不相容元素：分配系数小于1如Th,Ba,Rb,U,REE 等。元素迁移和分异规律2.影响部分熔融作用的因素（1）化学成分 易熔组分：K2O,Na2O,Al2O3 难熔组分：MgO,CaO,FeO,TiO2,P2O5 挥发分：H2O, CO2元素迁移和分异规律(2)温度和压力影响熔融程度3.岩浆产生的地质条件（1）地壳：原物质基性-中性，构造作用（2）上地幔：源区岩石类型，俯冲带，地幔柱元素迁移和分异规律（四）主要造岩元素在岩浆结晶分异中的演化矿物结晶的一般顺序： 暗色系列：Ol = Py = Am = Bi 浅色系列：Or = Ms = Q SiO44-= SiO32- = Si4O116- = Si2O52- =AlSi3O8- Mg=Fe=Ca=Na=K元素迁移和分异规律（五）岩浆不