Question

水-岩化学作用的基本类型

Answer 1

地壳中最常见的水-岩化学作用类型有以下几类:

3.2.2.1 氧化还原反应

氧化作用和还原作用是一个完整体系中相互对立又相互统一的反应的两个方面。氧化还原反应实际上是电子转移的反应。如铁的硅酸盐和硫化物发生氧化时,在水的参与下,二价铁离子失去一个电子被氧化成三价,氧分子接受电子由原子态转变为负二价离子。例如铁橄榄石的氧化:

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又如硫化物的氧化:

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氧化结果形成硫酸,提高了水的氧化作用能力,进一步加速岩石的氧化。

还原作用是氧化作用的逆过程。如三价铁还原为亚铁,硫酸盐中的高价硫被还原为负二价硫等:

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细菌常参与氧化和还原反应。如:喜氧细菌中存在一种嗜铁杆菌能将Fe²⁺氧化成Fe³⁺;另一类嗜硫杆菌能将硫化物的硫氧化成硫酸盐;起还原作用的厌氧细菌,能将 还原成H₂S等。

3.2.2.2脱水和水解反应

水解作用的实质是水电离的H⁺或OH^-进入矿物晶格,分别取代其中的阳离子或阴离子,从而使矿物解体形成新矿物。如在氧化带盐类的水解:

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最终生成赤铁矿,即发生了铁矿化,该反应同样可以在矽卡岩化过程中发生。又如,钾长石水解形成高岭石的反应为:

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此水解反应受pH控制,当水解反应使溶液偏碱性时,天然水将吸收大气中的CO₂和土壤中的CO₂、HCl、H₂S等,使水的pH值保持在5~7之间,以增强水解的活力。

在不同的pH条件下,矿物水解后的产物是不同的,如在表生条件下硅酸盐矿物水解可形成不同的次生矿物。白云母(AlK₂[AlSi₃O₁₀](OH)₂)水解后的次生矿物系列即为一例:

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硅酸盐矿物水解后,碱金属和碱土金属阳离子与OH^-离子进入水体,最后可汇入聚水盆地,而与硅铝阴离子结合在一起的H⁺进入粘土矿物,这些粘土矿物属难溶解的弱酸性物质,是土壤的主要组成部分。

在温度、压力增高时,粘土矿物可发生脱水反应,如:

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叶蜡石进一步脱水,生成红柱石或蓝晶石:

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3.2.2.3 水合作用

水合作用的实质是水分子整体进入矿物晶格,从而使矿物的体积增大,如赤铁矿经水合作用生成水针铁矿,硬石膏水合生成石膏等:

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3.2.2.4 碳酸盐化和脱碳酸盐化反应

天然水中最常见的碳酸根 和重碳酸根 离子与矿物或岩石间发生的作用称为碳酸盐化反应,碳酸盐化的结果使矿物被部分或全部溶解。如灰岩的溶解过程为:

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铁橄榄石的碳酸岩化过程为:

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云母的碳酸岩化过程为:

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矿物或岩石间发生作用并放出C2O3-或HC-3O称为脱碳酸盐化反应,如:

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3.2.2.5 阳离子交换反应

阳离子交换反应主要发生在粘土矿物或胶体的交换吸附过程中。例如,当吸附了Na⁺离子的粘土(或胶体)和自由(包括能自由电离)的Ca²⁺离子相遇时,粘土将释放Na⁺离子和吸附Ca²⁺离子,称为阳离子交换反应。反应式如下:

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不同粘土矿物进行阳离子交换时,能发生交换的最大阳离子量称为阳离子交换容量,一些常见粘土矿物的阳离子交换容量见表3.1。

表3.1 粘土矿物阳离子交换容量

阳离子交换反应也可以发生在一些有流体相参与的交代过程之中,如钾长石的钠长石化:

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此时,流体中的Na⁺离子置换了钾长石中的K⁺,生成钠长石,K⁺转入流体。

相对于低温水-岩化学作用体系,高温水-岩化学作用体系的组成和物理化学条件有一定差异,如在高温水溶液中,水/岩比通常较小,但含盐度较高,水动力学条件变化较大等。因此,高温水-岩化学作用的类型虽与低温水-岩化学作用基本相似,但高温水-岩化学作用还具有以下特点:

(1)在高温水溶液中,除简单离子(卤化物)外,络合物是成矿元素在水溶液中的重要存在形式。如Na[Sn(F,OH)₆]、(K,Na)₂[WO₂F₄]和(K,Na)₂[MoO₄]就是锡、钨、钼在高温水溶液中可能的迁移形式。

(2)除CO₂外,H₂S、H₂、NH₄、F、B和 、H₂O等高温射气元素和组分经常参与高温水-岩化学作用。

(3)由于在高温水溶液中常存在大量的易溶盐类,增大了难溶元素在溶液中的溶解度,即在高温溶液体系中通常盐效应(本章第3节将进行阐述)对难溶元素的迁移有重要意义。