第三章 表生地球化学环境与元素

地形等级 划分
• （2）气候 • 气候因素有雨量和温度，其中雨量占主导地位。因为没 有水，不但失去了水的机械搬运能力，化学反应难以进 行；温度影响化学反应的速率，特别是有机物质分解的 速率，进而影响化学分解的速率。 • （3）植被 • 雨量和温度两个因素联合决定了植被的发育情况，在炎 热多雨地区，地表植被极为发育(热带雨林)，淋滤作用 最为强烈，连SiO2这样难溶的物质也被水溶解带走，难 以留下，剩下来的只有Al2O3形成富铝风化壳，极端条 件下形成铝土矿。铁与铝的行为相似，在热带多雨地区 形成砖红土。植被发育程度直接关系到有机风化，有机 质腐解产生CO2，有机酸促进化学分解，丰富的有机质 是微生物繁衍的基础，植物根系生长促进了岩石的机械 破坏。因此，植被发育程度是有机风化强烈程度的标尺。
化环境中风化，在成壤过程中形成的异常。
四、影响风化作用的因素
• 影响风化作用的因素可分内因和外因两部分。 • 1. 内因（岩石的性质） • 岩石本身的性质以及组成岩石的矿物纯度影响 着风化的速度和强度。
组成岩石的矿物成分和性质 岩 石 特 征 岩石的结构
岩石的构造
（1）组成岩石的矿物成分和性质 组成岩石的矿物颜色、颗粒大 小。
• 三、生物风化 • 生物风化是指由于生物作用而引起的物理和化学风 化。它在地表的作用，比以往人们认识要广泛得多。 • 生物风化主要表现在以下几方面： • ①植物根系沿岩石的裂隙、节理生长产生的动力， 使暴露在地表（或一定深度）的岩石崩裂破碎； • ②植物根系和植物残体产生的有机酸参加了矿物表 面的氧化作用，对岩石矿物产生腐蚀作用。 • ③植物呼吸O2和CO2，而O2和CO2是化学风化的重要 反应剂。 • ④细菌和霉菌在氧化带中参与有机氧化反应有重要 意义。
砂岩露头则常常保持良好。
• 2. 外因（岩石所处的环境条件）
• • • • • 分为区Βιβλιοθήκη Baidu性因素与局部性因素两大类：
区域性因素有地形、气候、植被和大地构造单元； 局部性因素有岩性、微地形、小构造等。
（1）地形 地形特点由两个参数来描述，即绝对高程和相对高 差。 • 高原隆升区以物理风化为主，中低山区，化学风化、 生物风化起主导作用。 • 平坦地区侵蚀作用不活跃，地下水位高，运动迟缓， 高水位处通常处于还原的潜育沼泽条件。在这类地 区，低速率的侵蚀使岩石分解减缓下来，直至达到 平衡，这时风化过程实际上趋于停顿。
第二节
风化与剥蚀
• 一、物理风化 • 物理风化是风化作用的初级阶段。物理风化的 营力是多种多样的，主要有气温、重力、冰冻 与溶解、盐类结晶和植物生长等。 • 物理风化的结果:岩石由大块变成碎块，再渐 变成细粒，其形状和大小改变了，但化学成分 不发生变化。
寒裂风化
• 二、化学风化 • 1.水解水合作用 • 水解作用是指水的电离产生的H+、HOˉ与矿物 的离子间发生交换的反应。水解作用一般随 溶液的pH 值降低和温度的升高而增强。
组成岩石的矿物的化学结构 即
稳定性
注：在外界环境条件大致相同的
情况下，常见的各种矿物抗风化 的稳定性顺序如下： 石英>白云母>正长石>斜长石>黑 云母>角闪石>辉石>橄榄石。
（２）岩石的结构
隐晶或等粒细粒的稳定性大于等粒粗粒或斑状(物 理风化)。但是一当岩石破碎崩解，细粒由于表面积 大，容易受到水、空气、CO2 等化学物质作用而发生 化学风化。
• 二、次生矿物 • 原生硅酸盐矿物经过化学风化、生物风化 后，形成一系列新生次生矿物。这些次生矿物 主要是粘土矿物类及铁、锰、铝的含水氧化物。 新生矿物除了严格发育在“原地”外，相当多 的新矿物还可以由胶体的凝聚及从溶液中沉淀、 脱水形成。如含水氧化铁、无定形二氧化硅以 及次生碳酸钙等，几乎所有的次生矿物的颗粒 都极细小，一般都小于0.02mm。
• 3.碳酸化作用 • 天然水中最常见的碳酸根(CO2-3)和重碳酸 根(HCO3-)离子，与矿物或岩石相互作用后引 起碳酸盐化。结果使矿物部分或全部溶解，如 灰岩的溶解过程为： • CaCO3十H2CO3→Ca(HCO3)2 • 重碳酸盐比碳酸盐的溶解度高几十倍，从而使 灰岩溶解了。 • 铁橄榄石的碳酸化过程为： • Fe2SiO4十4H2CO3→2Fe(HCO3)2十H4SiO4
• 由一层四面体芯片与一层八面体芯片构成的 粘土矿物叫做1:1型，层间连接靠共同的O2或OH-，因此粘合较牢固。二层单元之间， 则靠较弱的氢键或阳离子连接，从而构成整 个矿物。高岭石、蛇纹石、埃洛石属于这类 构造。蛇纹石与高岭石不同，就在于八面体 中的A13+被Mg2+取代。埃洛石的特点则在于 二层单元之间夹有一层水分子。 1:1型粘土 矿物的离子交换能力较弱。
• 铁橄榄石：Fe2SiO4+4H2O→2Fe2++4OHˉ+H4SiO4 • 正长石：2KAlSi3O8+4H2O→Al2Si2O5(OH)4+4SiO2+2KOH • 高岭石 • 方解石：CaCO3 +H2O→Ca3++OHˉ+[HCO3]ˉ
铁橄榄石
橄榄石
正长石
方解石
•
水合作用的实质是水分子进入矿物晶格，从 而形成新的矿物或使原有矿物变成无定形，使 矿物体积增大、质地疏松、抵抗机械破坏的能 力减弱。 褐锰矿 • 如：晶质赤铁矿变为水赤铁矿：
第三章 表生地球化学环境与 元素的表生分布
• 目前采集的地球化学样品，80％以上来 自表生带内，它与人类关系最为密切。 同时，为了恢复和追索原始分布情况， 了解表生作用对原始分布的改造规律是 十分必要的。
第一节
表生地球化学作用 的一般概念
• 表生地球化学环境 的特点： • ①温度不高且变化迅速，日变化超过日平均 温度两倍以上，年变化超过年平均温度数倍； ②压力为常压且变化小； • ③有广大自由空间富含氧气及二氧化碳； • ④水可以以气、液、固三相参加作用，有生 物作用参加，有人类活动参加；与内生的吸 热作用相反，表生化学作用多为放热反应。
黄铜矿
• 铜以Cu2+离子迁移远离矿体和原生晕。在碱性溶液中或 遇碳酸盐溶液，形成稳定的碳酸铜——孔雀石和蓝铜矿。
CuSO4＋CaCO3＋H2O→Cu(OH)2CuCO3＋CaSO4＋CO2
孔雀石
CuSO4渗透到地下水面以下，形成铜的次生硫化物矿 物。如辉铜矿(Cu2S)、斑铜矿(Cu5FeS4)、铜兰(CuS)等， 使铜矿物进一步富集。 辉铜矿 CuSO4＋3CuFeS2→2Cu2S＋FeSO4
• 不同景观条件下，元素在表生地球化学环境 中的存在形式也明显不同，能被植物吸收和 影响人体健康的活动性元素的量因景观不同 而异。因此，地球化学景观不仅对地球化学 勘查有重要意义，对环境地球化学、农业、 土壤地球化学也同样具有重要意义。 • 地球化学景观：所有影响表生作用的外部因 素的总和。 • 景观地球化学：研究化学元素在各种景观条 件下迁移沉淀的规律。
Fe2O3+nH2O→Fe2O3· 2O nH 褐锰矿变为水锰矿： Mn2O3+H2O→Mn2O3· 2O H 硬石膏变为石膏： CaSO4+2H2O→CaSO4· 2O 2H
石膏
水锰矿
硬石膏
• 2.氧化还原作用 氧化还原作用的实质是电子的授受。从应 用地化角度来看，氧化还原作用是很有意义的。 因为铁帽、铁锰的氧化物以及硫化物矿床的次 生异常都是在氧化还原过程中形成的。 现以铜的硫化物的氧化还原为例，说明氧 化还原反应过程。铜的硫化物较多，其中最常 见是黄铜矿(CuFeS2)，它的氧化还原过程如下： CuFeS2＋H2O＋O2→CuSO4＋FeSO4＋H2SO4 CuSO4是可溶性的，它的溶解度172 g/L ，要比 辉铜矿3.1μg/L高上亿倍。
红土地貌
中国植被土壤分布示意图
（长白山—云贵高原）
• 五、风化与剥蚀的平衡 • 风化作用使地表松散层变厚，结果使风化 速度变慢以至中止。但另一方面，厚层松散物 的表层极易被外力带走，使其厚度变小。当剥 蚀速度大于风化速度时，地表不可能形成发育 完好的覆盖层，甚至基岩直接出露。反之，当 风化速度大于剥蚀速度时，就能使松散层厚度 加大，它的表层就有可能逐渐熟化而发展成为 土壤。当两种速度相等时，整个松散层的厚度 与结构保持不变，而绝对标高以一定的速度下 降，这种速度在山区为每年1～10mm。
• 我国有一个地质队钻孔打到了巨厚层的菱铁矿。 开始没鉴定出来，但岩心放在露天发现了铁锈， 后作鉴定后才确认，获得可观的储量。其化学反 应式为：
4FeCO3＋O2＋4H2O→2Fe2O3＋4H2CO3
• 氧化还原的结果： • ①将不溶的硫化物氧化成可溶的硫酸盐； • ②将金属元素从化合物中析离出来，成为金属离 子转入溶液或成为新的不溶化合物(如PbSO4、 PbCO3、AgCl等)； • ③促使较酸的溶液形成。由于氧化作用的加剧， 而促使络合物矿床金属元素迁移和分离。
H
风化与剥蚀的平衡
第三节
•
风化产物
岩石及矿石风化后，主要呈三种形式 存在： 残余的原生矿物 、在表生环境中 稳定存在的 次生矿物 以及被循环水带走 的可溶性物质。
• 一、残余原生矿物 • 表生带的特点是低温低压，而水、二氧化 碳和游离氧丰富，较为稳定的造岩矿物只有某 些粘土矿物、石英、水云母以及绿泥石类矿物， 这些主要是沉积岩中的造岩矿物。大多数火成 岩和变质岩的矿物转变成稳定形式矿物，如石 英、锆石、磷灰石。而残积土中常见的原生组 分主要是白云母及一些副矿物，如磁铁矿、钛 铁矿、金红石等。 • 矿石矿物中，自然金、铂钯矿、锡石、铌 钽铁矿、铬铁矿及绿柱石是常见的原生矿物， 它们多是自然元素矿物或氧化物类。而硫化物、 硫盐类矿物多被氧化。
根劈作用
• 总 结 • ①三类风化作用不是孤立的，而是相互促进、同 时发生的， 划分它是为了讨论方便。但在极干 旱的沙漠和气温很低的两极地区以及许多高山地 区应以物理风化占主要地位，化学风化较弱；而 在温暖潮湿的地区（包括热带和温带）显然化学 风化占优势。 • ②矿床次生晕就是原生矿床和原生异常在表生地
高岭石 伊利石 蒙脱石
埃洛石
• 1．粘土矿物 • 它们是Al、Fe、Mg的含水硅酸盐。一般指粒 度＜2μm的所有疏松颗粒物。粘土矿物是具有相 对稳定的结晶构造的物质，X-粉晶衍射可以测出 其晶胞参数。粘土矿物由两种基本芯片构筑而成， 即铝硅氧的四面体芯片和八面体芯片。四面体由 一个Si或Al的离子被4个O2-包围。四面体两面都 带负电荷，以便与阳离子结合。八面体芯片则由 一个Al3+或Fe2+、Mg2+阳离子和周围6个O2-或OH离子包围，粘土矿物的种类就是由八面体中阳离 子种类和八面体芯片与四面体芯片排列方式及芯 片间平衡电荷的阳离子种类而定。
•
表生环境是一个在太阳能和重力能的驱使下， 以内生过程提供的岩石、矿石为物质原料，固相、 液相、气相共同存在，物理、化学、生物作用综 合进行的多组分的巨大动力学体系。 • 表生作用的结果导致致密的岩石物质松懈瓦解 直至被分解，抗风化的一些原生矿物残留下来， 同时形成大量适应新环境的新矿物(次生矿物)， 残留原生矿物与新生矿物一起形成了覆盖于岩石 上的疏松层，称为土被(Vegolith)。 • 在物理、化学、生物的继续作用下，形成具有 垂直层位序列的土壤，这就是成壤作用。
（３）岩石的构造
坚硬而致密结构的岩石，比疏松多孔的岩石抗风
化能力强，有层理、片理、节理和裂隙的岩石，水
分、空气容易侵入而引起风化。
• 小
结：
岩石的形成环境与所处环境差别越大越容 易风化。 岩浆岩、变质岩主要是在高温高压下形成的， 在地表极易风化； 沉积岩抗风化能力比岩浆岩等强；
花岗岩、片麻岩露头多呈疏松分解状态；
高岭石 蛇纹石
埃洛石
• 大部分粘土矿物属于2:1型构造，即二层四面体 芯片夹一层八面体晶片，如云母类矿物、蒙脱石、 伊利石(水云母)等结构就是这样。云母类矿物四 面体晶片中约有1/4的Si被A1置换，电荷差由层 间的K+平衡，除K+ 外，还可能有Na+ 、Rb+ 、 Cs+ 、Ba2+、Ca2+等。如果四面体中Al置换Si过多， 八面体中的Al会被更多的二价阳离子(如Fe2+、 Mg2+)取代以平衡电荷。此时，层间有Ca2+、Na+ 、 Fe2+等阳离子出现，使三层单元之间联系较弱， 甚至水分子、有机分子也可进入，使这类矿物具 有膨胀性。三层单元之间的阳离子是可以交换的， 所以这类矿物具有较大的阳离子交换容量(表3-2)。