Question

水-岩化学作用的物理化学条件

Answer 1

由于水-岩作用中水的来源和性质不同,以及温度、压力条件有差异,化学作用的机制也会有所不同。

3.2.1.1v低温水-岩化学作用的物理化学环境

地壳中水-岩化学作用发生的温度范围为0~400℃,压力范围为(1~10000)×105Pa,水流体的pH为3~10,氧逸度(fo₂)变化范围较广,可在101-00~(0.2×10⁵)Pa之间变化。低温水-岩化学作用主要发生在地表环境。

水-岩化学作用是地表最广泛和最活跃的化学作用。地表是地球系统中岩石圈、水圈、大气圈和生物圈交织重叠的区带,物理化学环境有以下特征:

(1)过量水的体系:大洋占地球表面总面积的71%,大陆占29%。因此,在地球表层按体积比,水的总量>岩石的总量。

(2)水-岩间长期的化学作用使水体系中含有大量的作用剂(O₂,CO₂,H⁺,OH^-)和各类电解质盐类(Na,K,Ca,Mg的盐),同时水又有很好的流动性。因此,表生化学作用过程中水既是作用介质,又是良好的溶剂和搬运剂。

(3)低温水-岩作用过程常有生物和有机质参加作用。

(4)地表是富氧(fO₂=0.213×10⁵Pa)和富CO₂(CfO₂=3.04×10Pa)的环境。

(5)地表温度偏低(-75~+200℃),但温度变化迅速(昼夜和季节均有明显的温度变化),温度是控制水-岩化学作用速率的重要因素。

(6)一般处于低压[通常(1~200)×10⁵Pa,深海成岩作用可达5000×10⁵Pa]条件下。

3.2.1.2高温水-岩化学作用的物理化学环境

高温水-岩化学作用发生在地下一定深度,作用时的物理化学条件有以下特征:

(1)相对少量水的体系:地壳岩石中平均含水量约为4%(相当于上地幔含水量0.35%的11倍),地壳总质量为2.6×10¹⁹t,因此地壳总水量为10¹⁸t,相当于水圈质量的0.7倍。岩石的总质量比水的总质量大得多。

(2)水体系中含有大量的作用剂和各类电解质盐类,深源水中常含有丰富的成矿物质。高温水的组成变化较大,这与它们的多成因有关。高温水-岩化学作用过程中的水仍然既是作用介质,又是溶剂和搬运剂。

(3)氧逸度相对较低,且变化范围宽,主体是相对富CO₂或富SO₂的还原环境。

(4)温度主要在200~400℃范围内,温度的上限可以达到700℃。压力的变化范围宽[(2000~100)×10⁵Pa],作用过程的压力不仅取决于深度,也与参与作用的岩石的结构和地质构造环境有关。

(5)pH值变化于3~9之间。水溶液的pH值的中性点位置与溶液的温度有关,230℃条件下,水的离子活度积最大,[H⁺]×[OH^-]为10^-12.3,此时热液的中性点位于pH=6.15处。

(6)可以有生物和有机质参加作用,但不如低温条件下活跃。