講義：表生地球化學(xué)作用類型

表生地球化學(xué)

1/14/20232005生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查與評價培訓(xùn)班講義

表生地球化學(xué)（ExgenicgeochemistryorGeochemistryofEarthSurface）研究地球表生作用帶的化學(xué)組成、化學(xué)作用和化學(xué)演化。

全球變化學(xué)、微生物地球化學(xué)和遙感地球化學(xué)

固體巖石圈大氣圈、水圈和生物圈表生地球化學(xué)地質(zhì)學(xué)植物學(xué)微生物學(xué)大氣科學(xué)環(huán)境科學(xué)土壤學(xué)地理學(xué)

生態(tài)學(xué)序言風(fēng)化剝蝕作用、搬運作用和沉積成巖作用

延伸到表生地球化學(xué)作用類型

1/14/2023主要內(nèi)容表生系統(tǒng)礦物的化學(xué)風(fēng)化作用表生系統(tǒng)礦物低溫水解作用鐵、錳氧化物的氧化-還原反應(yīng)化學(xué)沉積成巖作用風(fēng)化作用風(fēng)化作用是在地球表面進行的，是巖石圈與大氣圈、水圈和生物圈相互之間復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物作用的綜合。風(fēng)化作用產(chǎn)生了土壤，改變了地下水、地表水和巖石的化學(xué)形式，是元素發(fā)生再分配和存在形態(tài)改變的主要地球化學(xué)作用。

化學(xué)風(fēng)化風(fēng)化作用包括物理風(fēng)化生物風(fēng)化化學(xué)風(fēng)化是巖石和礦物在表生水、氧和二氧化碳等作用下的分解作用。

生物風(fēng)化作用Weatheringofrockfromactivitiesof

organismsplantsburrowinganimalshumans物理風(fēng)化1、化學(xué)風(fēng)化作用

1.1化學(xué)風(fēng)化作用的反應(yīng)類型

在巖石化學(xué)風(fēng)化過程中主要的反應(yīng)類型有：溶解、氧化、水解和離子交換。溶解作用(Solution)礦物溶解形成了離子和膠體中分散的分子。在天然水中大多數(shù)礦物溶解積很小，最易溶解的礦物是石鹽，方解石、霰石、菱鎂礦、白云石等碳酸鹽礦物也易于溶解，且與水中二氧化碳含量呈正比：石英是通過水化作用溶解的：在pH>9的情況下，硅酸有少量的游離：在天然水中溶解的二氧化硅通常來自硅酸鹽礦物的化學(xué)風(fēng)化，而非來自石英的溶解。ChemicalweatheringofcarbonatesEasilysolubleinwater(especiallywithsomeacidpresent)CaandMgtakenintosolution化學(xué)風(fēng)化作用

化學(xué)風(fēng)化作用的反應(yīng)類型

氧化作用(Oxidation)在表生條件下，F(xiàn)e和Mn等變價金屬元素常發(fā)生低價向高價的氧化作用，如此外，非金屬元素S常由2-或1-，被氧化成6+：這里，PbSO4幾乎是不溶的，而ZnSO4是極易溶的，而黃鐵礦的氧化則會產(chǎn)生較強的酸。上述反應(yīng)必需在有水的情況下才能發(fā)生。Fig.6.9BettyCrowellWeatheringOxidesProvideColor

totheDesertLandscape化學(xué)風(fēng)化作用

化學(xué)風(fēng)化作用的反應(yīng)類型

水解作用(hydrolysis)水解作用是指化合物與水反應(yīng)形成弱酸或弱堿。在天然水中(含有碳酸或更強的酸性物質(zhì)溶液中)硅酸鹽礦物的風(fēng)化主要是水解反應(yīng)，產(chǎn)生H+或OH-。鋁硅酸鹽礦物的水解反應(yīng)較為復(fù)雜，在中性溶液中，其反應(yīng)速率為最小，當(dāng)pH值升高或降低時，反應(yīng)速率均有所增高，水解的結(jié)果常形成粘土礦物。由于天然水中含有溶解的二氧化碳，因此，長石的水解反應(yīng)如下：

化學(xué)風(fēng)化作用

化學(xué)風(fēng)化作用的反應(yīng)類型

離子交換反應(yīng)

H+Ca2+H+Mg2+H+H+H+Ca2+H+H+離子交換反應(yīng)是化學(xué)風(fēng)化形成粘土礦物以后最重要的作用。粘土礦物具有強烈的離子交換能力，能將層間或表面離子與周圍溶液中的離子進行交換。當(dāng)然，離子交換作用也能夠發(fā)生在硅酸鹽剛開始破壞的階段。此外，有機物質(zhì)和膠體也具有這種性質(zhì)。

土壤中，直徑<0.2mm具有膠體性質(zhì)的粘土礦物或腐殖質(zhì)，均攜帶大量負電荷，在其表面，可交換陽離子數(shù)量大于可交換的陰離子，這些陽離子通常是H+、K+、Ca2+、Mg2+、和Al3＋。粘土礦物和腐殖質(zhì)等膠體可以通過各種方式增加表面負電荷數(shù)量，如在硅－氧四面體中，Al3＋替代Si4＋粘土礦物層間及表面吸收陽離子也能產(chǎn)生足夠的陰離子，如果層間距大于1.4nm時，層間陽離子就可以發(fā)生交換作用。粘土礦物顆粒表面可交換的陽離子在腐殖質(zhì)中，酸性有機組分也可提供負電荷，如—CO2H和酚－OH。腐殖質(zhì)顆?？山粨Q的陽離子膠體H+H+當(dāng)含有陽離子的水溶液通過土壤或風(fēng)化物時，這些陽離子就會交換出來：

Ca2++2H+(aq)+Ca2+(aq)膠體不同類型的土壤具有不同的陽離子交換能力，陽離子交換量CEC表示每100克土壤中陽離子毫當(dāng)量濃度。不同類型土壤CEC為：砂巖：>10centimoles/kg壤土：10～30centimoles/kg粘土：>60centimoles/kg當(dāng)形成于高溫、高壓和缺少氧、二氧化碳及水條件下的巖石，由于地殼抬升或剝蝕作用暴露于地表后，就會發(fā)生溶解、氧化、水解和離子交換等各種化學(xué)反應(yīng)。巖石風(fēng)化的產(chǎn)物可歸為四類：由風(fēng)化地區(qū)帶出的溶解組分(離子和分子的溶解)；產(chǎn)生的新的穩(wěn)定礦物，如粘土礦物、氧化物和氫氧化物；經(jīng)風(fēng)化作用但未發(fā)生變化的殘留原生礦物，如石英、自然金等。由有機物的分解所形成的有機化合物?；瘜W(xué)風(fēng)化作用

巖石的風(fēng)化作用

化學(xué)風(fēng)化作用

巖石的風(fēng)化作用

硅酸鹽礦物化學(xué)風(fēng)化示意圖1.2風(fēng)化程度風(fēng)化程度是指固體巖石或未固結(jié)的沉積物，經(jīng)過各種風(fēng)化作用，由原始狀態(tài)被改變的數(shù)量。實質(zhì)上，風(fēng)化程度是某一時刻巖石風(fēng)化的程度。風(fēng)化速度是單位時間內(nèi)，巖石風(fēng)化的數(shù)量。風(fēng)化速度快，巖石風(fēng)化程度就高；風(fēng)化速度慢，風(fēng)化程度就低，但如果有足夠時間，巖石風(fēng)化也能達到類似的程度。巖石風(fēng)化程度的控制因素有內(nèi)因和外因兩種，其中內(nèi)因是指母巖的性質(zhì)，如母巖孔隙和裂隙發(fā)育程度、礦物組合等等，外因指環(huán)境溫度、流體化學(xué)成分和水動力條件等。1)礦物不同的礦物出現(xiàn)在不同的風(fēng)化階段，表1為隨著時代增加沉積巖中礦物出現(xiàn)頻率順序表，從中可以看出，長石、石英和一些副礦物是最常出現(xiàn)在礦物組合。礦物的穩(wěn)定性是隨著礦物形成溫度與環(huán)境溫度的差值減少而增加的。鐵鎂礦物分解形成氧化物石英是最穩(wěn)定的長石形成粘土礦物化學(xué)風(fēng)化作用

巖石的風(fēng)化作用

風(fēng)化程度影響的內(nèi)因－礦物

礦物持久性順序表穩(wěn)定性礦物持久性穩(wěn)定性礦物持久性

穩(wěn)定性下降銳鈦礦Anatase(-3)*

穩(wěn)定性下降綠簾石Epidote(11)白云母Muscovite(-2)角閃石Hornblende(12)金紅石Rutile(-1)斜長石Andalusite(13)鋯石Zircon(1)黃玉Topaz(14)電氣石Tourmaline(2)榍石Aphene(15)獨居石Monazite(3)黝簾石Zoisite(16)石榴子石Garnet(4)輝石Augite(17)黑云母Biotite(5)硅線石Silimanite(18)磷灰石Apatite(6)紫蘇輝石Hypersthene(19)鈦鐵礦Ilmenite(7)透輝石Diopsite(20)磁鐵礦Magnetite(8)陽起石Actinolite(21)十字石Staurolite(9)橄欖石Olivine(22)藍晶石Kyanite(10)*負數(shù)表示在漫長的埋藏過程中，礦物存在而不消失的趨勢;石英沒有列入表中.2)溫度溫度是影響巖石風(fēng)化速度最重要的因素之一。在地表低溫條件下，主要發(fā)生放熱反應(yīng)；在地下高溫情況下，化學(xué)反應(yīng)以吸熱反應(yīng)為主。通常情況下，化學(xué)反應(yīng)的速度隨溫度升高而增加，一般為每增加10℃,反應(yīng)速度增加1倍。因此，在平均氣溫為20℃的熱帶，化學(xué)風(fēng)化速度較平均氣溫為12℃的溫帶迅速得多?；瘜W(xué)風(fēng)化作用

巖石的風(fēng)化作用

風(fēng)化程度影響的內(nèi)因－溫度一些硅酸鹽礦物分解活化能表

礦物活化能(KaJmol-1)透輝石38~81*頑火輝石50鉀長石38~82*鈉長石38~89硅灰石74石英77*在不同pH值范圍內(nèi)溫度對反應(yīng)速度影響可用下來方程表示：這里，K是速度常數(shù)，A是頻率因子，Ea是活化能，R是氣體常數(shù)，T是溫度(K)。表中數(shù)值比在溶液中進行遷移的能量(大約20kJmol-1)要高，但要低于離子從晶體內(nèi)部進行遷移時所需的能量(大約80~400kJmol-1)。這說明，通過催化效應(yīng)，硅酸鹽礦物表面吸附作用有助于礦物的分解。化學(xué)風(fēng)化作用

巖石的風(fēng)化作用

風(fēng)化程度影響的外因－溫度地區(qū)巖石或礦物類型速度(mm/1000年)BaffinIsland(加拿大巴芬島)角閃石Hornblende0.1~0.5Montana(美國蒙大納)角閃石Hornblende<1WesternUSA(美國西部)玄武巖Basalts10~20SouthernAlps(新西蘭阿爾卑斯南部)砂巖Sandstone1000CentralEurope(歐洲中部)花崗巖Granites6000~13000Chad乍得湖花崗巖片麻巖Gneiss13500NewCaledonia(新蘇格蘭)酸性巖AcidRocks10000~16000NewCaledonia(新蘇格蘭)超基性巖/基性巖Ultrabasic/Basicrock29000~47000IvoryCoast(象牙海岸)花崗巖Granites14000IvoryCoast(象牙海岸)花崗巖Granites5000~50000WestAfrica(西非)火山巖Volcanics10000~50000不同地區(qū)環(huán)境溫度對巖石風(fēng)化速度影響表

3)土壤溶液化學(xué)性質(zhì)土壤溶液對巖石風(fēng)化的影響主要取決于溶液的pH、溶質(zhì)濃度和溫度。一般雨水的pH為5.5~6.2，當(dāng)空氣受到硫氧化物和氮氧化物等酸性物質(zhì)污染后，pH可下降1～2個單位。水流經(jīng)土壤上層時，會造成土壤酸化，這是因為土壤空氣中的二氧化碳濃度較空氣中的二氧化碳濃度要高出5～22倍(個別可達到400倍)。此外，有機酸也提供一部分酸，土壤剖面下層土壤pH逐漸趨向于中性。Analogyofweathering:makingcoffeefreshgrounds+water=coffee+residue(asolution)K-feldspar+water=K++kaolinite(aclaymineral)WeatheringandMakingcoffeeDripcoffeemaker岳陽農(nóng)田區(qū)土壤剖面pH、可溶性Al、Mg和Ca變化圖化學(xué)風(fēng)化作用

巖石的風(fēng)化作用

風(fēng)化程度影響的內(nèi)因－土壤溶液化學(xué)性質(zhì)不同地區(qū)土壤溶液成分表地區(qū)土壤類型層位pH陽離子濃度(mmol/L)CaMgNaKSiAl華盛頓寒冷季節(jié)灰壤A-180804040150Bh/Bs-20801010270西班牙西北部加利西亞省Cambisola(在花崗巖上)A3.6~6.612~30021~987204~77398~56918~2950~2溫帶Cambisolb(在蛇紋巖上)A6.4~7.568~360113~1040278~12092~10064~3110~2乍得熱帶旱季VertisolcA7.517408601335685443-女王島熱帶雨季FerralsoldA4.1~7.910~64050~860700~860100~790--B4.6~6.65~1005~100130~40010~180--在風(fēng)化過程中，比較活動的元素和組分會產(chǎn)生遷移，在風(fēng)化剖面上引起化學(xué)成分的變化。用于確定上述變化程度的方法主要有兩種：第一種，通過與母巖進行絕對值對比，來估算風(fēng)化程度；第二種，通過高度殘留礦物(如石英)與極易遷移的礦物比值進行估算，這種比值就是風(fēng)化程度指數(shù)化學(xué)風(fēng)化作用

巖石的風(fēng)化作用

1.2.2確定風(fēng)化程度的方法化學(xué)風(fēng)化作用

巖石的風(fēng)化作用

1)絕對值方法等容法(Isovolumetricmethod)：在風(fēng)化程度較低時，假定新鮮巖石和風(fēng)化巖石體積沒有變化，通過對比新鮮巖石和風(fēng)化巖石氧化物的含量來估算風(fēng)化程度的方法。氧化物氧化物％氧化物重量g/100cm3等體積平衡母巖Arene粗砂巖重量變化g/100cm3(%)底部(B)頂部(T)花崗巖1d1*=2.682d2=1.713d3=1.47△2△323(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)SiO266.1177.1104.888.2-72.3-88.9-41-50Al2O315.341.030.325.9-10.7-15.1-26-37Fe2O34.612.310.89.8-1.5-2.5-12-20TiO20.942.52.21.9-0.3-0.6-12-24MnO0.070.20.20.10.0-0.10-50MgO1.473.94.23.3+0.3-0.6+8-15CaO2.607.01.40.6-5.6-6.4-80-91Na2O2.917.81.40.7-6.4-7.1-82-91K2O4.8613.08.57.7-4.5-5.3-35-41其他0.441.27.36.5+6.1+5.3+508+442合計99.29266.1170.9144.7-95.2-121.4-36-46母巖氧化物含量百分比(第一列)乘2.68(巖石密度)，給出氧化物重量(第二列)，g/100cm3(2)第三列和第四列為粗砂巖底部和頂部的氧化物重量；(3)將第二列數(shù)據(jù)分別減去第三列和第四列的數(shù)據(jù)，就得到了第五列和第六列數(shù)據(jù)，即為風(fēng)化剖面底部與頂部氧化物重量變化值。第七列和第八列是用百分比表示的數(shù)據(jù)?；鶞?zhǔn)礦物法為了得到新鮮母巖和風(fēng)化層中成分組成特征，計算其損失量，就需要選擇合適的礦物作為基準(zhǔn)礦物。在雨水pH值降到5.5時，Al2O3都是不溶的，因此，風(fēng)化作用后，鋁是殘留在粘土礦物中的。該方法是利用母巖與風(fēng)化層中的Al2O3比值來計算其他成分的損失量。氧化物新鮮巖石（％）腐泥土（％）每種氧化物修正值，比值14.61/18.40損失量(2)-(4)變化百分比％(5)/(2)×100(1)(2)(3)(4)(5)(6)SiO271.4870.5155.99-15.49-22Al2O314.6118.4014.6100Fe2O30.691.551.23+0.54+78FeO1.640.220.17-1.47-90MgO0.770.210.17-0.60-78CaO2.080.100.08-2.00-96Na2O3.840.090.07-3.77-98K2O3.922.481.97-1.95-50H2O0.325.904.68+4.36+1360其他0.700.540.43-0.27-39合計100.00100.0079.40-20.60由于其他氧化物損失，Al2O3含量由14.61調(diào)整至18.40，因此，所有氧化物的含量都要乘以14.61/18.40，氧化物含量總和由100降至79.4。每個氧化物修正數(shù)(第四列)可由下式計算得出：SiO2=70.51×14.61/18.40=55.99………………(15)巖石中SiO2實際損失量就等于新鮮巖石含量減去修正數(shù)，SiO2(loss)=71.48-55.99=15.49，損失的百分含量為實際損失量除以巖石總量乘100，即15.49/71.48×100≈22％化學(xué)風(fēng)化作用

巖石的風(fēng)化作用

2)指數(shù)法(相對值方法當(dāng)母巖成分未知或不確定時，通過計算不同穩(wěn)定程度的氧化物比值也可以估算風(fēng)化程度，這種結(jié)果通常用指數(shù)來表示。一種方法是假定在風(fēng)化過程中，Al2O3是固定不變的，在相同的假設(shè)基礎(chǔ)上，那些抗風(fēng)化能力強的礦物(如電氣石)的含量是可信任的。第二種方法是計算風(fēng)化比值(WR)，重礦物為WK(h):輕礦物為WK(l):

常用于研究花崗巖的風(fēng)化程度?；瘜W(xué)風(fēng)化作用

巖石的風(fēng)化作用

確定風(fēng)化程度的方法

－指數(shù)法(相對值方法）幾種常用的表示風(fēng)化程度的指數(shù)表指數(shù)計算式來源風(fēng)化化學(xué)指數(shù)ChemicalindexofweatheringCIW=[Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O)]×100蝕變化學(xué)指數(shù)ChemicalindexofalterationCIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)]×100風(fēng)化指數(shù)weatheringindexWI=[(2Na2O/0.35+(MgO/0.9)+2K2O/0.25)+(CaO/0.7)]×100Reiche風(fēng)化指數(shù)weatheringindexofReicheMWPI=[(Na2O+K2O+CaO+MgO)/(Na2O+K2O+CaO+MgO+SiO2+Al2O3+Fe2O3)]×100Reiche1943年提出，Vogel1975年修正Vogt比值VogtratioV=(Al2O3+K2O)/(MgO+CaO+Na2O)(Vogt，1927；Roaldset，1972)Ruxton比值RuxtonratioR=SiO2/Al2O3基于硅的損失與其他元素損失呈顯著相關(guān)假設(shè)基礎(chǔ)上，適用于濕潤氣候自由排水環(huán)境的中－酸性巖石風(fēng)化?；陲L(fēng)化過程中鋁基本不變的前提下，但水在流經(jīng)巖石剖面時，可以帶走mm級含有鋁的層狀硅酸，這些硅酸鹽從表層被遷移至底層，按照上述的風(fēng)化指數(shù)計算，剖面上層的風(fēng)化程度低于地層的風(fēng)化強度，這與風(fēng)化程度的其他一些證據(jù)相矛盾?；瘜W(xué)風(fēng)化作用

巖石的風(fēng)化作用

確定風(fēng)化程度的方法

－指數(shù)法(相對值方法）澳大利亞南部阿德萊德市以長石砂巖為成土母巖的土壤垂向剖面上，風(fēng)化比值與深度變化圖WR風(fēng)化指數(shù)是基于20～90mm(1mm=10-6米)大小的重礦物是穩(wěn)定殘留的基礎(chǔ)上的，該指數(shù)較傳統(tǒng)的方法要好一些，它可以避免上述討論的問題：WR=[(CaO+MgO+Na2O)/ZrO2ZrO2為鋯石，其他重礦物如電氣石、金紅石(TiO2)和磷銥礦也可以用?；瘜W(xué)風(fēng)化作用

1.3風(fēng)化速度

室內(nèi)模擬實驗計算風(fēng)化速度

模擬實驗得出的礦物風(fēng)化速度表礦物風(fēng)化速度(molcm-2s-1)備注長石類拉長石labradorite1.58×10-16Ca的釋放速度8.45×10-17根據(jù)硅釋放速度計算的數(shù)鈉長石Albite1.6×10-163.12×10-164.2×10-16奧長石Oligoclase~1×10-16堿性長石Alkalifeldspar7.33×10-16橄欖石Olivine3.98×10-15鎂橄欖石Mg的釋放速度forsterite石榴子石Garnet1.1×10-15據(jù)Si是否速度計算的數(shù)閃石類透閃石Tremolite1.45×10-152.0×10-16角閃石Hornblende1.82×10-16(4.2~8.3)×10-16巖石和礦物分解破壞的速度稱為風(fēng)化速度。目前，常用的計算風(fēng)化速度的方法有兩種：一是進行室內(nèi)模擬實驗.二是研究風(fēng)化物質(zhì)，或匯水地區(qū)水的化學(xué)成分。風(fēng)化速度研究中常用的單位蝕變過程中，表示離子遷移單位為：meqm-2表示每平方米毫克當(dāng)量數(shù)(milliequivalentspersquaremetre)molha-1（或cm-2）表示每公頃或每平方厘米摩爾數(shù)(molesperhectare,orpersquarecentimetre)。molg-1

表示每克摩爾數(shù)(molespergram)。表示空間尺度大小的單位為：(1)mm＝10-6，微米;(2)mm=10-3，毫米.表示速度的單位為：meqm-2a-1

表示每年每平方米毫克當(dāng)量數(shù)；molha-1（cm-2）a-1（S-1）每年(每秒)每公頃(每平方厘米)摩爾數(shù)；

mmKa-1表示每千年微米數(shù)；

tkm-2a-1表示每年每平方千米噸數(shù)(tonnespersquarekilometreperyear)；更多的情況下，蝕變與時間并不是線性關(guān)系，可以用回歸方程來表示?；瘜W(xué)風(fēng)化作用

風(fēng)化速度

野外研究獲得風(fēng)化速度

土壤中陽離子及礦物隨深度變化圖

(1)風(fēng)化剖面在相同地區(qū)，易風(fēng)化的礦物，如角閃石具有相似的變化趨勢(圖6-b)。相反，抗風(fēng)化的礦物，如鋯石(ZrSiO4)、石英和不透明礦物，如磁鐵礦在剖面的頂部比在底部含量高(圖6-c)，這是由于頂部的風(fēng)化程度比底部高引起的。元素和化合物遷移的速度可以通過研究遷移數(shù)量與沉積巖年齡的關(guān)系得到。如果通過對比穩(wěn)定組分含量得到初始含量和現(xiàn)今含量的比值就能夠獲得元素和化合物遷移的數(shù)量.在斯堪迪納維亞有7處沙質(zhì)冰磧巖，時代為8800～120000年(距今時間)。假定Zr全部形成鋯石,Zr是穩(wěn)定元素，不穩(wěn)定元素Ca、Mg、K和Na的初始含量與現(xiàn)今的母巖含量一致，很顯然，在剖面頂部鋯石的濃度是隨著易遷移組分的流失而增加的(圖6-c)，風(fēng)化遷移量的計算如下：假定Zr存在于鋯石(ZrSiO4)中，通過以下方程計算遷移量：

這里，Wˊ為風(fēng)化層中小于2mm的土壤物質(zhì)損失量(gm-2)，也即此處Zr含量超出地表的含量數(shù)；Ww為風(fēng)化層中小于2mm的土壤物質(zhì)現(xiàn)實含量(gm-2)；Zrw為在風(fēng)化層中Zr的現(xiàn)實含量(gm-2)；Zrc為Zr的濃度，作為在風(fēng)化層中小于2mm土壤物質(zhì)的百分含量；Xˊ為元素X(Ca、Mg、Na和K等)的損失量(gm-2)；Xc為在風(fēng)化層中元素X的現(xiàn)實含量(gm-2)。計算結(jié)果顯示，自冰后期以來巖石風(fēng)化造成的物質(zhì)損失速度為每年2～20gm-2。不同地區(qū)的差異是地球化學(xué)和氣候，特別是溫度造成的。實際上，這些速度是地質(zhì)歷史時期的，不要與現(xiàn)在的速度相混淆。流經(jīng)匯水區(qū)水離子濃度測定常用于確定匯水區(qū)巖石風(fēng)化速度。但實際上，這種計算由于以下因素而具有不確定性：大氣干濕沉降影響：Cl、S、Mg、Na和其他在降水中存在的離子，以及Ca、S、K和其他在干沉降中存在的陽離子，特別是在干旱地區(qū)，由于這些附加離子而使測量結(jié)果變得不可靠。植物、土壤有機質(zhì)影響：一般地，匯水區(qū)都有富集了Ca等陽離子的森林或林地，它們也會引起誤差。將流失的化學(xué)元素含量加到地勢低洼地區(qū)的想法是不切實際的，因為由化學(xué)風(fēng)化造成的體積增加是很難測量的，水的來源可能對結(jié)果造成較大影響?；瘜W(xué)風(fēng)化作用

風(fēng)化速度

野外研究獲得風(fēng)化速度

(2)匯水(地球化學(xué)質(zhì)量平衡)區(qū)研究

利用匯水區(qū)水化學(xué)成分計算出的風(fēng)化速度表地區(qū)速度備注SouthernBlueRidgeUSA38mmka-1腐泥土形成速度PacificNorthWest30mmka-1Virginia維吉尼亞7mmka-1IdahocatchmentsUSA26.7tkm-2a-1斜長石風(fēng)化速度NortheastScotland6~8tkm-2a-1片麻巖和輝長巖PacificNorthWest34tkm-2a-1160000km-2Czechoslovakia9.45tkm-2a-1大量溶解SiO2Sogndal,Norway13meqm-2a-1森林土LakeGardsjon,Sweden40~80meqm-2a-1Germany20~230meqm-2a-1Scotland19.49meqm-2a-1化學(xué)風(fēng)化作用

風(fēng)化速度

(2)匯水(地球化學(xué)質(zhì)量平衡)區(qū)研究

2搬運作用風(fēng)化作用所形成的巖屑、礦物、膠體和溶液在地表營力作用下產(chǎn)生遷移搬運和沉淀作用，大陸剝蝕及物質(zhì)搬運的主要營力是水力(河流、地下水)、風(fēng)力、冰川和重力，其中水是地球表面化學(xué)元素遷移的最主要搬運介質(zhì)。海洋則是各種風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物的最終歸宿。溶解物質(zhì)主要指各種無機絡(luò)合物(如PbCl+、UO22+、HCO3-、SO42-等)、低分子有機絡(luò)合物(能通過0.45mm孔徑過濾的有機物質(zhì)稱為可溶有機質(zhì)(DOM)，大于該粒度的稱為顆粒有機質(zhì)(POM))和中性分子(O2、H2CO30、CdCl20等)和簡單離子(如K+、Na+、Cl-)，粒子直徑在10-9~10-8m；膠體遷移是指粒徑在10-8~10-5m范圍內(nèi)的大分子、膠體聚合物和各種成分的固、液相粒子，或被吸附在這些粒子上，以水溶液、氣溶膠形式被搬運；水懸浮顆粒的直徑大致在10-6~10-3m，它們與碎屑和巖塊一起以機械方式搬運，粒徑小于10-5m的懸浮物在水中相當(dāng)穩(wěn)定，屬于廣義的膠體系統(tǒng)。元素在地表的遷移可分為溶解的、膠體的和機械的三種形式。2.1機械搬運遷移粘土粉砂砂礫剝蝕搬運沉積10001001010.010.1110100顆粒直徑/mm流速/(cm/s)在水深約1m的平坦均勻河床上，碎屑顆粒被搬運、沉積和剝蝕的尤其特絡(luò)姆圖解“搬運”區(qū)中，碎屑顆粒以翻滾、跳躍和懸浮三種方式隨水流機械遷移，流速降低時，在“沉積”區(qū)沉淀到河床上。當(dāng)流速增大到“剝蝕”區(qū)時，河床可以被沖刷剝蝕而使沉積物重新被搬運。2.2溶液遷移－水合絡(luò)合物在水溶液中，大多數(shù)陽離子和配位基組成水合絡(luò)合物，其配位基可以是陰離子，也可以是中性分子。實際上，許多在成礦和環(huán)境研究中有重要意義的陽離子，在水溶液中都以水合絡(luò)合物，而不是以自由離子形式存在，如Cu2+、Hg2+

、Pb2+

、Fe3+和U4+

。而另一些重要元素在水溶液中的活動性則主要取決于其含氧絡(luò)合離子的性質(zhì)，如UO22+和SO42-等。天然水溶液是含有較多的配位基成分的復(fù)雜體系，多種配位基對金屬陽離子的絡(luò)合可以明顯增高金屬在水中的溶解度。如水中含量百分之一摩爾的SO42+和千分之一摩爾的HCO3-時，溶解的Ca2+離子增加2倍。在表生條件下，金屬的碳酸鹽、硫酸鹽和氟化物絡(luò)合物通常都難被吸附，而其OH-和磷酸鹽絡(luò)合物則一般容易被吸附，尤其易于被氧化物和氫氧化物吸附。在水溶液中，大多數(shù)陽離子都以水合絡(luò)合物，而不是以自由離子形式存在。在外圈絡(luò)合物中，Na+、K+等一價陽離子和Ca2+、Mg2+、Sr2+、Ni2+、Zn2+、Co2+、Cd2+、Mn2+、Fe2+、Cu2+等二價陽離子與Cl-、HCO3-、SO42-、CO32-在溶液中可形成NaHCO30、CaCO30、CaHCO3＋、MgSO40離子對。Ag+、Cd2+、Zn2+、Hg2+與Se2+、Te2+、S2－和SH－形成強的內(nèi)圈絡(luò)合物，通常三價或更高價態(tài)的金屬陽離子與配位基傾向于形成主要具有內(nèi)圈性質(zhì)的絡(luò)合物。內(nèi)圈完全定向的水分子外圈部分定向的水分子溶液中非定向水分子金屬氧化物表面反應(yīng)剖面示意圖1干燥的氧化物表面；2有水存在時，表面金屬離子與H2O分子結(jié)合；3離解的化學(xué)吸附形成的羥基化表面。氧離子金屬離子水合氧化物表面絡(luò)合反應(yīng)的剖面示意