9. 举例说明地表岩石风化过程的主要反应类型

金属元素的氧化物和硫化物经水-岩反应，形成高价态氧化物、氢氧化物或以离子态进入溶液—氧化反应；

Oxidation reactions

2Fe 2+ + 4HCO 3 - + 0.5O 2 → Fe 2 O 3 + 4CO 2 + 2H 2 O Fe 2 O 3 + H 2 O → 2FeO(OH) (limonite)

2FeS 2 + 7O 2 + 2H 2 O → [2Fe 2+ + 4SO 4 2- + 4H + ]aq 主要的硅酸盐造岩矿物风化最终形成粘土矿物—水解反应； Hydrolysis Reactions

Or + CO 2 + H 2 O → Illite + [K++HCO 3 - +SiO 2 ]aq

Ab + CO 2 + H 2 O → Kaolinite +[Na++HCO 3 - +SiO 2 ]aq

Px/Amph + CO 2 + H 2 O → Smectite +[Ca 2+ + Fe 2+ + Mg 2+ + HCO 3 - + SiO 2 ]aq 橄榄石、方解石和部分石英溶解，以离子态或分子化合物形式进入溶液—溶解反应。

Dissolution reactions

Ol + CO 2 + H 2 O → [Mg 2+ + Fe 2+ + HCO 3 - + SiO 2 ]aq CaCO 3 + CO 2 + H 2 O → [Ca 2+ + 2HCO 3 - ]aq CaSO 4 → [Ca 2+ + SO 4 2- ]aq

10. 硫化物矿床风化过程主要反应类型、典型剖面结构及可能发生次生富集的元素和矿石矿物 √ √

控制硫化物矿床风化作用的主要化学作用为氧化-还原作用，表现为以潜水面为界线，界线以上为强氧化带，硫化物矿床发生氧化反应，不同硫化物矿物氧化后形成溶解度不同的硫酸盐类，而在潜水面以下为相对还原环境，溶解的硫酸盐类发生不同程度的还原作用而形成次生的硫化物； 硫化物矿床典型风化剖面：

氧化矿石带(铁帽) 淋滤矿石带 氧化矿石富集带

潜水面

次生硫化物富集带 原生硫化物矿石带

次生富集元素:Fe,Cu,As,Zn,Pb,Ca,Au等。

矿石矿物：磁黄铁矿，黄铜矿，毒砂，萤石，闪锌矿，方铅矿，石膏，赤铁矿，针铁矿，菱铁矿，水绿矾，辉铜矿，斑铜矿等。 11. 河流入海口元素发生沉淀的原因

12. 海洋中元素进入和带出海水的主要方式 √ √ 火山喷发释放出的大量气体进入大洋，成为海水中重要的硫酸盐和氯化物的来源。洋中脊火山喷发的气体直接进入海洋，而陆相火山喷发的气体也可经由雨水溶解带入大洋。

新生玄武质洋壳与热海水间发生的化学反应，导致部分Mg和硫酸盐从海水中移出(进入蚀变洋壳)，而Li和Rb等其它元素则(由洋壳)进入海水。海水通过

该交换反应机制实现在大洋地壳中的循环过程，全体海水完成循环的周期为5-10Ma。这可能是长期以来大洋保持基本稳定态的主要原因。

洋底新生岩浆岩与海水间发生的热液蚀变作用，可使得海水中部分元素进入岩石(Mg, U)，而另一部分元素从岩石中加入海水(如Si, K, Li, Rb)：保持海水化学稳定的交换反应。

海水中许多盐类来自大陆岩石的风化作用。

部分物质的移出来自海水与沉积物间的化学作用，如锰结核对 海水中元素的共沉淀作用；

另外一些物质(如silica, nitrate, calcium carbonate)被有机 物移出，如生物残骸；

海水泻湖环境的蒸发作用是以盐类矿物移出如Na、Cl等元素 的机制，形成蒸发矿床. 如世界著名的Saskatchewan 钾盐矿 (加拿大中南部一省， 形成于~400 Ma)；

风吹导致的海水喷雾作用也可将部分盐份带至海岸而移出； 海底沉积物(如粘土物质)的吸附作用，也是部分金属离子的重 要移出方式

第四章复习题

1. 微量元素概念

Gast(1968)对微量元素的定义是：不作为体系中任何相的主要化学计量组分存在的元素。

微量元素的另一定义为，在所研究的地球化学体系中，其地球化学行为服从稀溶液定律(亨利定律，Henry’s Law)的元素。

微量元素的另一松散定义：对体系的化学和物理性质没有明显影响的元素。

2. 能斯特分配定律与分配系数

能斯特分配定律的表述：在一定的温度和压力下，微量组份在两共存相中的活度比为常数。

故在一定的T、P下，αⅡ/αⅠ=常数=KD KD称为微量元素在相Ⅰ和相Ⅱ之间的分配系数

3. 元素在共存相中分配系数的确定方法

稀溶液(亨利)定律:在极稀溶液中，溶质的活度与溶质的摩尔浓度成正比： αi=γi×X

4. 总分配系数概念 在地球化学研究中，需要了解微量元素在岩石与熔体间的分配行为，即需要计算微量元素在由不同矿物组成的岩石和与之平衡熔体间的总分配系数。例如地幔岩石发生部分熔融时，了解微量元素在形成的熔体与残留地幔岩石之间的分配。总分配系数(D)的计算基于对各组成矿物简单分配系数(KDi )和各组成矿物在岩石中的相对质量分数(ωi ) :

D=∑ni=1KDi ωi

5. 相容元素、不相容元素、高场强元素概念 相容元素(compatible elements )：

D>1，两相平衡时，优先进入结晶矿物相或残留相(岩石发生部分熔融时，趋向“安心”地保留在原岩中)。 典型元素：Ni, Co, V, Cr

不相容元素(incompatible elements )：

D<1，两相平衡时，优先进入熔体相，当D<0.1时，可称强不相容元素(岩石发生部分熔融时，趋向离开原来的“家”)。

典型元素：大离子亲石元素(LILE)：K, Rb, Cs, Sr, Ba 不相容元素进一步划分

Saunders et al.(1980)在元素的地球化学分类中引入了“场强”的概念，定义为： 场强(Field Strength) = 离子半径/离子电价

将场强>0.2的不相容元素称为低场强元素(Low field strength elements，LFSE)， 低场强元素以大离子亲石元素(Large Ion lithophile elements，LILE)为典型代表。这类元素的活动性较强，尤其是在有流体相存在的环境中容易发生迁移。 LILE：K, Rb, Cs, Ba, Pb, Sr, Eu, Th, U

而将场强<0.2的不相容元素称为高场强元素(High field strength elements，HFSE) 高场强元素(HFSE)以离子半径小和高离子电荷为特征，在变质和蚀变过程中相对稳定。典型的元素有：Zr, Hf, Ti, Nb, Ta和P

6. 微量元素地质温度计的原理与方法 原理

相平衡条件下，微量元素在共存相间的分配满足以下关系式：

lnK D =?(ΔH/RT) +B

该式为一直线方程，其中“?(ΔH/R)”为斜率，B为截距。

在一定的温度范围内，可将ΔH(热焓差值)视为常数。因此，上式可描述为分配系数(K D )的对数值与温度的倒数(1/T)间的线性关系。 应用方法

对平衡体系中的共生矿物进行微量元素含量分析，计算出矿物对的微量元素分配系数，结合根据实验方法或自然观察获得的分配系数与矿物结晶温度的线性关系式(上式)，计算出矿物的结晶温度。

7. 元素在共存相中分配定律的地球化学意义 1) 定量了解共生矿物相中微量元素的分配行为

2) 为研究岩浆、热液和古水体中元素浓度提供了途径 3) 判断岩浆的结晶演化规律 4) 为成矿分析提供依据

5) 判断成岩和成矿过程的相平衡 6) 微量元素分配系数温度计

8. 在岩浆分异结晶过程中元素分配的定量模型、特征及地球化学应用 一. 岩浆结晶过程元素分配的定量模型

矿物从熔体中结晶析出的过程有两种极端情况：

熔体仅与正在结晶的矿物表面之间达到化学平衡，原因是微量元素在晶体中

的扩散速度慢于其在熔体中扩散速度，由于熔体的化学组成随着持续结晶而发生连续变化，使得微量元素在晚期生长的晶体边缘和早期生长的晶体内部之间分配不均一。因此，尽管晶体的边缘与熔体之间达到了化学平衡，但其内部与熔体之间则为非平衡。该过程导致矿物晶体的化学组成形成环带分布。

矿物晶体与熔体之间始终保持化学平衡，即矿物生长过程中其内部的化学组成不断调整，以达到与所处熔体新的化学平衡，由此生成的矿物晶体不发育化学环带。

1、不平衡结晶过程 (瑞利分馏）

瑞利分馏定律( Rayleigh fractionation law )

由于微量元素在晶体中的扩散速度比熔体或液体中慢得多，整体上来不及达到两相间的完全平衡，而只能形成表面平衡，所形成晶体具环带状构造。因此，结晶过程实际上是元素在化学不平衡条件下的分配过程。不平衡结晶过程元素的分配行为服从瑞利分馏定律：

2. 平衡结晶过程

自然过程岩浆结晶作用的另一种现象是矿物内部组成不断调整，以达到与熔体间的化学平衡，其相应的描述方程为：

3. 结晶过程元素分配模型的研究意义

1）定量研究岩浆结晶过程中微量元素的化学演化规律不同性质的微量元素由于分配系数不同，在岩浆结晶分异过程中，其含量变化趋势具有不同特征。对于不相容元素，随结晶分异的演化，其在岩浆中将发生富集，而相容元素则在岩浆结晶作用发生的初期，主体将进入早期结晶形成的造岩矿物中而发生分散。

此外，由于初始岩浆组成的差异，其结晶分异作用形成的造岩矿物组合也不同。如玄武质岩浆结晶形成的主要造岩矿物以橄榄石、辉石和高钙斜长石为主，而酸性岩浆结晶形成的造岩矿物以高Na斜长石、钾长石、云母类矿物和石英等为主。显然，在不同的造岩矿物与熔体之间，微量元素的分配系数存在差异。因此，通过建立微量元素的分配模型，研究者就能对不同性质岩浆的演化进行定量研究，以了解其源区性质和岩浆作用过程，分析其形成构造背景。 2）对岩浆成矿潜力进行判断

例如，超基性岩是 Cr元素成矿的重要岩石类型。超基性岩浆的结晶过程中所形成的主要造岩矿物有橄榄石、斜方辉石和单斜辉石。元素Cr在三种造岩矿物-岩浆之间的分配系数分别为： K Cr opx/m =10, K Cr cpx/m =8.4, K Cr ol/m =0.032

由上可知，Cr元素在辉石类矿物中是相容元素，而在橄榄石中是不相容元素。假设超基性岩浆的原始Cr含量为0.048%，当其发生35%的结晶作用时，若仅发生橄榄石的结晶作用，则残余岩浆中Cr的含量将增高，即： C Cr m =0.048×(1-0.35) 0.032-1 =0.072%

因此，只有当大量的橄榄石发生结晶作用，而辉石类矿物的结晶相对有限时，残余岩浆的演化才有利于Cr元素的成矿，即发生铬尖晶石的析出。故在野外地质工作中寻找有利于Cr元素成矿的超基性岩体时，岩石造岩矿物的组合将提供重要的评估依据。