第四章 地表化学元素的迁移及化学地理环境.docVIP

第四章 地表化学元素的迁移及化学地理环境 地壳中，O、Si、Al、Fe、Ca、K、Na、Mg等元素占地壳总重量的97.0 %，其他元素约占3 %。水圈中，O、H、Na占98.48 %；大气中，N、O、Ar占99.81 %；土壤中，O、Ca、C、K、Si、Fe、Al、Na 、Mg、Ti，N占99.45 %；有机体主要由O、C、H、N 、Ca组成，占99.7。 原始地壳形成之后，地表的古老岩石便发生风化，逐渐形成疏松多孔的风化壳。在风化壳中，原有矿物晶格所固定的一些化学元素被释放出来，并溶解在水中随下渗水流和地表径流发生迁移；细粒物质也可在流水、风等地表外营力的作用下发生迁移。原始生物出现以后，特别是高等植物和人类出现之后，进一步加速了岩石风化和物质迁移速度，使原始风化壳的物质发生重新分配，地表物质结构进一步复杂化，形成多种多样的地球化学类型。自然地理系统中的物质迁移包括宏观的岩石块体的大规模移动，如板块运动等；中观的物质侵蚀与堆积；微观的地表化学元素迁移。 第一节 地表化学元素的迁移 一、地表化学元素的赋存形态 地表化学元素的迁移强度取决于它的存在状态，即取决于化学元素是否仅存在于天然水、生物有机体、矿物晶格或其他形态中。例如，岩石中的铁以Fe3+ 形态存在于长石晶格中，在黄铁矿中以硫化铁形态存在，在褐铁矿中 (Fe2O3·nH2O) 以氢氧化物形态存在，菱铁矿中则以碳酸盐形态存在等。在同样的自然环境中，这些形态的铁的活动性是不同的。在氧化条件下，长石或褐铁矿中三价铁很少迁移，可是黄铁矿中的铁则比较容易迁移。因为黄铁矿氧化时形成了硫酸和在酸性水中具有高度溶解性的二价铁的硫酸盐。 在天然水中，可观察到化学元素的两个主要存在形态，即真溶液和胶体溶液，而在真溶液范围内又有各种类型的离子。如，铁在水中能够以Fe3+、Fe2+、Fe(OH)；、Fe (OH)2+和Fe (OH)3 (非离解的分子)等形态存在。 从土壤学角度，可把土壤组成物质划分为活性物质(水溶性物质、气体、代换性阳离子和阴离子)、表面活性物质(黏土矿物、氢氧化物、腐殖质)、惰性物质(石英、刚玉及其他在风化作用条件下的稳定矿物)以及可分解成上述三部分的潜在物质。同时也应注意到，即使处于同状态的元素，在某一条件下可能是活性的，而在另一条件下又可能是惰性的。例如，氢氧化铁在草原和荒漠的土壤与风化壳中是惰性的；而在泰加沼泽的酸性还原环境中则具有高度迁移能力。 化学元素按活性程度区分的基本存在形态列于表4-1中。 二、地表化学元素的迁移方式 根据迁移动力介质的不同，地表化学元素迁移可分为水迁移、空气迁移和生物迁移三种方式，其中水迁移是最主要的方式。 （一）水迁移 地表化学元素的水迁移是指风化壳中的化学元素呈简单离子、络合离子、分子、胶体或悬浮物状态在水体中的迁移。地表水或地下水对风化壳中的水溶性物质具有溶解能力，这一部分化学元素就以溶质的形式随水发生移动；风化壳中的胶体物质或悬浮物质可分散在水介质中以胶体溶液或悬浮液形式随水一起移动。水迁移物质随地表水和地下水水平径流发生水平方向上的迁移，随下渗水流发生垂直方向上的迁移，在迁移过程中可因迁移条件的改变而析出和沉淀 (图4—1)。 化学元素的水迁移能力通常用元素的水迁移系数表示。元素水迁移系数是指某元素在水体中的平均含量与该元素在水体所流经岩石中的平均含量之比。其计算公式如下： (4.1) 表4—1. 化学元素在表生带的主要存在形态 存在形态 实 例 化学元素和化合物 地 质 环 境 气体的 O2 、N2 、CO2 、H2S 、CH4 、Rn 、He 、Ar 地面和地下，大气圈，天然水，生物，少量的矿物(铀矿物中的He，钾矿物及其他矿物中的Ar) 易溶性盐类及其在溶液中的离子 NaCl 、Na2SO4 、Na2CO3 、ZnSO4、Cu SO4 、Ha+ 、Cu2+ 土壤，风化壳，干草原和荒漠中的大陆沉积物与湖泊，硫化物矿床氧化带 干燥气候的潜水，深层地下水(盐液)，矿床，热液 难溶性盐类及其在溶液中的离子 CaCO3 、Ca SO4·2H2O 、 CuCO3·Cu(HO)2 、Pb SO4、 草原和荒漠土壤，风化壳及大陆沉积物，部分硫化物矿床氧化带，潜水，热液 生物有机体(植物、动物和微生物)中的元素 蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素和主要由C、H、O、N和少量S、P、K、Ca、Mg、Cu、Zn等组成的其他有机化合物 陆地景观，尤其是温暖湿润气候地区的陆地景观(湿润热带森林)，少数泰加林、草原、苔原和荒漠陆地景观。海洋，主要是海洋表层和海滨区段。在较小程度上为深层地下水(仅有微生物) 胶体沉淀和胶体溶液 腐殖物质