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最新西北大学地球化学课件第六章

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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6 水 —岩体系地球化学讲课重点:① 深源水的成因、成分、性质;② 矿物在高温水中的溶解度相图; ③ 交代作用原理主 要 内 常温水 —高温水 交代作 用6 水 —岩体系地球化学 常温水 —水 关概念按温度高低分高温和低温水 )低温水 温度 0— 400℃ ,压力( 1× 1050 105 ) ;主要发生在地表环境。特点:过量水;含大量的作用剂( H+、 各类电解质的盐类( K、 常有生物和有机质参加作用;低温低压环境。(二 )高温水 温度 200— 700℃ ,压力( 2000 105富 主要发生在地下一定深度的深部,相对少量的水, ( 230℃ 下水的中性点为 络合物是成矿元素水溶液中的重要存在形式;含高温射气元素和组分。(三) 地球中的流体及地壳中水的流体相地球中的流体相包括: ( 1)各类硅酸盐熔融体;( 2)以水为主的流体;( 3)以碳氢化合物为主的流体,如石油、天然气等;( 4)各种挥发份及应力作用形变的岩石和矿物流变体等地壳中水的流体相: 海水、卤水、地表水、沉积作用压实水、变质水、岩浆热液水等(101325b=105 水 —岩体系地球化学 常温水 —岩体系地球化学(四) 常温水 —岩体系地球化学 :即研究 “ 外生的或低温的有水参与的地球化学 ” ,包括在地球表面大气圈、生物圈、海洋和水体中以及与其接触的岩石间所发生的化学反应,尤其以发生在各个界面之间的作用更为重要。1) 表生水岩体系的物化环境 :1) 表生水岩体系的物化环境2) 表生反应类型和特征: ( 1)氧化 ( 2)水解反应 (如钾长石和白云母的水解反应 ):脱水反应 :22+4 3 2=46+82→ · · 得石→ · ~ 脱石→ ·4 ~ 7 埃洛石→ ·2 ~ 6(?)变埃洛石→ 8 高岭石H)4+2H)2+英 叶蜡石 水H)2→ 2柱石(蓝晶石)( 3)水合作用 :( 4)碳酸盐化和脱碳酸盐化作用 :( 5)阳离子交换反应 :发生在粘土矿物及胶体的交换吸附过程中,如O3·针铁矿·2膏2 铁橄榄石的碳酸盐化过程为: 2++2+4H++K++3H)2-+2:灰石粘土- 2土- 水 —岩体系地球化学 常温水 — 胶体 1) 胶体定义 :胶体是一种物质的极细微粒 (分散质或分散相 )分散在另一物质 (分散媒或分散介质 )中形成的不均匀的细分散系 1)胶体质点的大小在 100(2)胶体溶液介于悬浊液 (粗分散系 )和真溶液 (离子分散系 )之间 .(3)胶体有丁答尔现象 .( 4)有气、固、液溶胶(5)如果 : 分散媒 >>分散质 为胶溶体 ; 分散媒 10定,透过半透膜均一,稳定,不能过半透膜不均一,胶体 2)胶体结构2) 胶体结构正胶体负胶体3)胶体成因 :急剧的化学反应 溶液过饱和 ;有很多结晶中心 ,形成大量结晶微粒 分散法 如 ,城市上空的大气 ;火山灰 ;沙尘爆 …合成法 析出不溶的物质 体性质:①胶体带电荷 电位”的多少不固定 ,取决于溶液中离子的相对丰度 .② 相同成分的胶体带同种电荷 保持分散系不沉落 河水可以把质点一直带到入海口处 .③ 比表面积大 , 比表面能大 ,有强烈的吸附作用 :体积为 1(的立方体 ; 表面积为 6 (2 ;将 1(的物体分八份 表面积共为 12 (2 ;将 1(的物体分成胶体颗粒 (边长 10,表面积共为 600 (m) 体吸附 : ① 吸附方式 :表面吸附 如土壤颗粒吸附气态汞 ;胶体颗粒表面吸附 低价离子构造吸附 类质同象置换,如粘土中 K+置换 ② 吸附方法 :单项吸附 如蒙脱石吸附 离子交换 置换 , 排斥在外一般地,常见粘土矿物的吸附能力: 蒙脱石 >伊利石 >高岭石。6 水 —岩体系地球化学 常温水 —岩体系地球化学6)胶体的沉积与凝聚条件 :( 1)两种带相反电荷的胶体相遇 ,电荷中和而凝聚 : + 2 胶体 高岭石凝胶( 2)电解质作用 ( 3)胶体溶液浓度增大时 ,可造成胶体的沉积 4)溶液的 可造成胶体的沉积 :例如 : 高岭石在 蒙脱石在 6 水 —岩体系地球化学 常温水 —球化学储存库6 水 —岩体系地球化学 常温水 —球化学储存库6 水 —岩体系地球化学 温水 —温水解作用与硅、铝的迁移 酸盐矿物的化学风化作用石英溶解度1) 石英的水解及迁移2) 的分离3)图 5℃ 和 101325 活度图解长石风化的两种可能产物,伊利石和高岭石的稳定场作为 K+\H+和溶解 线表示的面积代表长石砂岩中地下水的成分范围。(据 1971)4)长石风化壳中矿物的稳定性特征水的流速对风化产物的控制:1 高流速形成三水铝石;如热带区产铝土矿2 低流速形成高岭石;3 水停滞条件下(干旱区)形成蒙脱石。年平均降雨量为 0127254化标志矿物5)6 水 —岩体系地球化学 温水 —氧化 的表生迁移和富集水绿矾 针绿矾铁的氧化物,硫化物,碳酸盐和硅酸盐的稳定场 + =10∑S=10∑00,T=25℃ , p=101325在非晶质 1960)赤铁矿、菱铁矿和磁铁矿5℃ , p=101325α (引自 1971)黄铁矿、磁黄铁矿、菱铁矿、磁铁矿线为海相硫化铁沉积条件(引自 1971)铁蛇纹石 菱铁矿 稳定关系的 5℃ ,P=101325对于非晶质 1977)沉积规律氧化还原 对电负性 X△ 亲硫倾向性 有亲硫倾向性亲氧倾向性弱 亲疏倾向性增强(离子键成分减少) (共价键成分增多)第四周期元素的电负性与亲和性在沉积氧化物相和碳酸盐相(稳定范围为 形成工业矿床;锰的碳酸盐相具有更大的稳定范围;常与镁、钙形成类质同象1)锰结核: D=1心圆状胶体沉积物 锰的碎片;外层为胶体成因的不同比例的锰铁氢氧化物,具“玛瑙构造”,含金属元素 平洋 0%以上 ,且品位高 ,泥沙少 0Kg/布规模 > 1800万(40亿吨 大洋中心富 与沉积速率 、 结核物质供给的多少 、 结核形成和停留时间的多少有关 1)陆源 :河流搬运入海的风化产物 105 吨 /年 ; 107 吨 /年 ; 106 吨 /年 源 :海底火山 ; 海底热液 烟囱” ;洋岛 、 岛弧 、 水下高地的风化产物 ;海洋蒸发盐 、 碳酸盐等 1) 内核 :放射虫等生物遗体及细碎屑 ;2) 深海 : 氢氧化物胶体凝聚及吸附理论 水 —岩体系地球化学 温水 —石灰岩、白云岩 )的溶解与沉淀 海以生物碳酸盐为主。云岩的形成白云岩的溶度积 : . . [ 2 = 10 实际上 ,现代海水中 . . [ 2 = 10白云岩的溶度积大 100倍 ,但却没有白云岩的沉积 温条件下白云岩沉积存在动力学障碍 , 即 的脱水化 作用比 在晶面上沉积的能量大的缘故 980) :1) 盐度增加 :氯化物浓度为 g,2) 海水的 >6; 3) 海水的 ) 海水的 101325- a; 5) 温度 t = 250;6) 与 都是温度上升或 白云岩 = + + 2 水 —岩体系地球化学 温水 —岩体系地球化学3. 白云岩成因的迴流模型2= + 积岩元素特征6 水 —岩体系地球化学 水的深循环 :深源水 (大气水、海底热泉水、岩桨水 ) 水 —岩体系地球化学 深源水 (大气水、海底热泉水、岩桨水 ) 18O= +水红海下的热水池红海为萌海洋 ,正在裂开 ,所以海底有现代热泉涌出 其中二个被命名为“大西洋二号”和“发现” 1)水温低 水温升高快 :1966年美国某科研小组测得红海底的热水温度为 0;1974年美国同一科研小组测得红海底部同一地点的热水温度为 59. 2 年间水温增加了 0 ,说明 红海裂开很快 海的三个热水池处于海面下 20003)海水成分 : 、 K+ 、 、 、 、 、 海水的盐度 红海表层盐度 41%,正常大洋水盐度 35%);δ D=+;δ 18O=+; 海水比重为 1洋脊裂谷热泉成分生命的起源: 海底 “热泉”说:温度高 ;还原性气体 O 、 2蓝藻 ,光合细菌 ,硫细菌 ,特别是古细菌 ,高温下异常繁盛 ,而离开了这样的环境 ,则不能正常生活 热泉,美国黄石国家公园> 95°C 83° 烟囱”海底热泉和陆地上的热泉它们都有很多共同的特点 :1. 温度高2. 含有大量的还原性气体 ,除了二氧化碳以外,还有一氧化碳、氢气、氨气还有硫化氢。3. 都含有大量的生物 ,比如说蓝藻、光合细菌、硫细菌,特别是一类古细菌,在高温下异常地繁盛,它在超过一百度的时候大量繁盛,而离开了这样的环境,比如温度一降下来,它马上就进行休眠,而且并不能正常的生活 原始的,地球生命起源的时候,这种原始的生命形式呢?对“热泉”说有利的证据(1)早期地球温度较高 ,产生的最早生命形式应该是一些能适应高温的生物 ,而热泉中的生物恰恰就是嗜热微生物 ;(2)热泉的环境与早期的地球环境有很多类似之处 :如 ,都是高温并含有还原性气体 2(3) 热泉口附近形成的 在它的表面有利于有机分子的合成 ;可产生乙酸甚至硫化脂。(4)热泉口向外层海水之间形成了一个温度和水化学渐变的梯度 ,也有利于各种化学的连续反应 ;(5)现代热泉中的生物是 “ 生物演化树 ” 中的最根部的类型 泉”说的质疑(1)现代生物的 20种氨基酸和嘌呤嘧啶,戊核糖骨架在高温下是不稳定的,在这样的极端环境条件下,它们的生命也就几秒种。(2) 高温起源的嗜热生物是如何进化到现存生物的。云南腾冲现代热泉通道的沉积古代“热泉通道”的沉积热泉口和海底 “ 黑烟囱 ” 可能是地球最早期微生物变异和多样性的最佳发源地以原核生物为主体的热泉微生物群落代表了生命起源之后第一个完美的地表微生物生态系统黑烟囱白烟囱地幔柱 水 —岩体系地球化学 深源水 (大气水、海底热泉水、岩桨水 )热液性质1)温度 : 500 : 证据: A. 热液中只有 相变温度 573 73000; 其熔点温度一般 20岩石塑性流动 ,裂隙闭合 断裂破碎带压力减小 大洋底的黑烟囱和白烟囱;江西德兴铜矿 90× 105 962年肯尼迪实验 : ,水的临界压力为 234× 105 6%时 ,水的临界压力为 1237× 105 深源水 (大气水、海底热泉水、岩桨水 )热液性质3)热液的 实测热泉水 实测包体水 热液 石英岩化 、明矾石化 、高岭石化 有 、 存 算法 :用包体中变价元素对的浓度比值计算 、 例如 :反应式 溶解态 ) + 8H+ +8 溶解态 )+2 . 〔 H+ 〕 8 〔 = 10 〔 水 —岩体系地球化学 不1 [电离达到平衡时 : [=+ 平衡常数 = 不稳定常数 [ ]. [ n / []大 , 络离子愈不稳定 , 电离能力愈强 —— 溶液中简单离子愈多 , 金属离子就会通过化学反应形成 难溶的化合物立即沉淀 。不 次序如下 :22- 内带 (近程指示元素 )222- (中程指示元素 )222222- 外带 (远程指示元素 )6 水 —岩体系地球化学 温度和压力的升高而增大;2、含盐的高温水溶液比纯水有更高的临界温度和压力;盐类的溶解扩大了高温溶液在液态的存在范围 。应用:例如,估算气、盐排斥效应:2、 卤化物流体在 500在 2. 度降低,则 3 . 在高钙的围岩中, 低温方解石脉是各种热液矿床的特征的晚期产物(降压),高温热液无方解石脉的形成。、压形成脉体,缓慢降温形成硅化;而计算矿液中成矿元素的浓度基本不受溶液离子强度和盐度的影响;主要与温度压力和 高于水的临界温度时压力影响很大;铝硅酸盐矿物1、 中低温和低压条件下钠长石的溶解度小于石英,故中浅变质岩中石英脉分布更为广泛。2 、 T> 600度,压力> 5*108长石的溶解度超过石英,反映在中高温(压)变质和热液活动中见石英和长石同时充填在脉体中;在蓝闪石片岩区见几乎纯的钠长石脉;溶解度 6050403020100适合于 n,盐度溶液有利于硫化铅溶解形成氯络合物;2,温度控制硫化物的溶解度;3,由酸性向碱性变化致使方铅矿沉淀;4,低硫体系有利于铅呈氯络合物迁移;富硫体系则呈硫氢络离子迁移,以前者为主。高硫和低硫体系皆可溶解金属硫化物并成矿:液作用举例 两种不同化学成分的岩石接触带中 ,除了温度增高的作用外 ,气液流体相的活动引起了相互接触岩石之间以及它们和溶液之间的交代反应 ,叫做接触交代作用 石灰岩 + 酸性岩浆岩 基性岩浆岩 +酸性岩浆岩 ,如美国宾夕法尼亚州的康威尔矿 ,即是与辉绿岩有关的磁铁矿 交代 :两种不同化学成分岩石接触带中 ,新形成的矽卡岩不仅交代石灰岩 ,形成外矽卡岩 ,同时还交代岩浆岩 ,形成内矽卡岩 ,叫做双交代作用 动组分 和 惰性组分:石 矿物成分 惰性组分0 石英闪长岩 斜长石 石英 钾长石 黑云母 2灰石 榍石 磁铁矿 蚀变闪长岩 斜长石 石英 透辉石 石 透辉石斜长石 斜长石 透辉石 灰石 榍石 透辉石石榴石 透辉石 石榴石 灰石 榍石 石榴石矽卡岩 石榴石 次透辉石矽卡岩 次透辉石 g 大理岩化石灰岩 大理石 石灰岩 石灰石 2是最活动的组分,其次是碱金属,而 界条件改变使元素在活动顺序中的先后位置有所改变。6 水 —岩体系地球化学 温水 球化学相律 :热力学相律表述了平衡状态下和平衡过程中,体系的相数与热力学组分数的关系。 吉布斯相律 :自由度数 F= K+ 2 _φ(相数 )1)戈尔德施密特矿物学相律: 在自然条件下,矿物常形成于一定的温度压力变化范围,并在此范围内保持稳定,如钠长石 绿帘石组合在变质岩中可以出现在不同的变质条件下。 F ≥ 2 ,, φ(相数 ) ≤ K,即 平衡共存的矿物数不超过组分数 。2)柯尔仁斯基相律 (开放体系 ): φ(相数 ) ≤ K(惰性组分数 ) ,即 :在一定的温压及活性组分的化学位的条件下,平衡共存的矿物数不超过惰性组分数 。说明平衡共存的矿物数决定于惰性组分而与活性组分无关, 这样就可以将具有活性组分的开放体系当成只有惰性组分的封闭系统来处理。 由吉布斯相律推导 :因为 : K(独立组分数 ) =); F(自由度 ) ≥ 2 )吉布斯相律 :φ(相数 ) =2 _ F 代入 (1)=2 _ F 代入 (2)≤ 2 _2; ≤ 水 —岩体系地球化学 温水 矽卡岩形成条件1)温度 :包体测温 3000 矽卡岩造岩矿物形成 ;2000 矽卡岩成矿 生成的变质带越宽 温度 <600 生成透辉石为主的变质带 力 : 压力 <750 距地表数百米 理由 : = 如果压力太大 , 聚集后 如果离地表太近或压力太小 , 不能参与形成矽卡岩活动中去 .3)早期热液为酸性 , 晚期为碱性 ,,近中性 4)矽卡岩形成的地理条件 : 地槽区等 ,且成群出现 例如 :我国北方燕辽地槽 ; 南方扬子地槽都有多处矽卡岩 间位置 5)矽卡岩成矿条件与规模 :+ 、 、 + 、 + 、 等离子的多少 种元素成矿 ,矿体一般位于 外矽卡岩带 第六章 水 —岩体系地球化学 思 考 题一 动组分 布斯相律 何谓地球化学储存库 ?各储存库之间界面有什么地球化学意义 ?三 1或 择其一元素 )的地球化学迁移 。四 n(选择其一元素 )的表生迁移的富集作用 。五 海水 、 岩浆水等不同成因热液的产状 、 化学成分及δ 18O 的特点 。六 、 说明矽卡岩形成时双交代作用的化学机理和柯尔仁斯基交代原理 。热液的交代作用 :以水为主携带大量可溶物质的高温流体相流入围岩体系中,水、岩之间发生化学反应形成新的矿物组合,这种组合隋环境条件的变化呈现有规律的交替。热液交代作用包括围岩蚀变、岩浆自变质、他变质以及成矿作用的后期叠加和交代等。盐排斥效应 :在 原因是溶解的盐类降低了水的活度。
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