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第十章风化矿床
一、风化成矿作用
(一)物理风化作用:
地表或接近地表条件下,岩石、矿物在原地产生机械破碎而不改变其化学成分的过程称物理风化作用,
1、岩石释重:
存在于深部的岩石承受巨大的静压力。
一旦上覆岩石遭受剥蚀而卸荷时,岩石释重,随之而产主向上或向外的膨胀作用,形成一系列与地表平行的席裂构造,称为席理。
2、岩石、矿物的热胀冷缩:
不同矿物体胀系数差异:
石英为31×10-6,普通角闪石为28.4×10-6,长石为17×10-6。
当温度反复变化时,差异胀缩能使完整的岩石破裂松散。
晶体各个方向上的线胀系数也不相同,受热或冷却时各个方向上的膨胀与收缩也不一致。
如石英晶体长轴的线胀系数只有短轴的l/2,从而导致晶体的破裂。
我国西北沙漠地区夏季的白天气温离达47℃,而夜间气温下降到-3℃,昼夜气温差达50℃;
北非的撒哈拉沙漠夏季白天气温可达53℃,而夜间气温可降至-8℃,昼夜气温差达6l℃。
原苏联的卡拉库姆沙漠,当白天气温达43℃的时候,沙粒温度高达80℃;到了夜晚沙粒降温比空气快,温度降低至18℃。
所以这些地区物理风化作用最为强烈。
3·岩石空隙中水的冻结与融化:
水结冰后的体积比原来水的体积增大了1/11左右。
体积增大对岩壁产生每平方厘米数百—上干巴以上的压力,这样巨大的压力就会扩大和增加岩石空隙。
反复冻结融化使裂隙扩大。
这个过程称为冰劈作用。
在较高纬度和中纬度的高山地区,昼夜温度变化在0℃上下,冰劈作用频繁,是岩石风化的主要原因。
冰劈作用的结果使岩石破裂崩解。
4·岩石孔隙中盐分的结晶与潮解:
实验得知,明矾从溶液中结晶后体积要增大0.5%。
实验证明,将花岗岩块浸泡在常温下饱和硫酸钠中17小时,然后在105℃的温度下干燥7小时,如此反复进行42次,花岗岩便发生崩解。
在强烈蒸发地区:
高盐度地下水沿着毛细孔隙向上运动——蒸发、过饱和、结晶——体积膨胀对围岩施加压力——夜晚温度降低,盐矿物吸水、溶解-压力解除。
如此反复,导致岩石物理破坏。
(二)化学风化作用
1、土壤水的特点
土壤水与雨水比较,其的特点是含盐量和CO2含量显著增加,并含有机酸。
其CO2含量通常是大气中的10~40倍,这主要是由于有机质氧化过程中放出大量CO2所造成。
土壤水一般常为弱酸性一弱碱性,但土壤水的成分和pH值常随原岩成分及时间的变化而不断发生改变。
2.化学风化作用的进行方式
(1)氧化作用:
铁橄榄石的氧化反应为:
2Fe2SiO4+O2+4H2O→2Fe2O3+2H4SiO4
铁的金属硫化物如黄铁矿的氧化反应为:
2FeS2+7.5O2+4H2O→Fe2O3+4SO+8H+
这说明,该反应过程除生成赤铁矿(或褐铁矿)外,还形成硫酸。
硫酸的加入可大大提高水的腐蚀能力,造成岩石进一步风化。
(2)水化作用(水合作用):
水合作用是指把水结合到矿物晶格中去的作用。
水在矿物中常呈nH2O的形式出现。
硬石膏(CaSO4)转变为石膏(CaSO4·2H2O),结晶赤铁矿(Fe2O3)转变为水赤铁矿Fe2O3·nH2O),长石转变为水云母
2K[ALSi3O8]+2H2O+K+==K<1Al2[(Si,Al)4O10](OH)2·nH2O
(3)水解作用:
水解作用是由水电离而成的H+置换矿物中的碱金属的作用。
水解的结果引起矿物的分解。
OH-和矿物中的金属阳离子一起溶解于水而被带出,其中部分金属阳离子可被胶体吸附。
水中的H+与铝硅酸络阴离子结合成难溶解的粘土矿物残留在风化壳中。
(4)酸的作用:
A、碳酸的作用
在硅酸盐和铝硅酸盐矿物与碳酸作用时,其中的阳离子(如Fe2+、Ca2+、K+)常形成重碳酸盐或碳酸盐,同时SiO2被分解出来。
由于溶解度不同,在碱金属中,除部分K由于分解后被难溶产物吸收仍留于原地外,大部分被带出。
Ca与Mg由于活泼性较小,它们的碳酸盐容易沉淀下来。
但如果介质中游离的CO2多,则这些简单的金属碳酸盐生成重碳酸盐:
CaCO3+H2O=CO2+Ca(HCO3)2
碳酸与硅酸盐和铝硅酸盐矿物作用的实质是使这些矿物中的阳离子及二氧化硅迁出,从而导致矿物的彻底分解。
B、腐殖酸的作用:
生物有机体分解时,会产生大量的腐殖酸。
腐殖酸虽然也是一种弱酸,但在地表条件下要比二氧化碳活泼,仍能分解铝硅酸盐矿物而形成各种易迁移的腐殖化合物。
(5)胶体作用:
硅酸盐和铝硅酸盐矿物完全破坏,被游离出来的Al2O3和SiO2以及由含铁硅酸盐矿物分解出来的Fe2O3常形成胶体。
胶体间的相互作用、凝聚与晶化对于形成许多表生矿物有着重要的作用。
例如SiO2和A12O3胶体按不同比例凝聚和晶化,可以形成不同的粘土矿物。
胶体具有从介质溶液中吸附离子的能力,例如带正电荷的铁和铝的氢氧化物胶体可吸附PO43-、VO3-、AsO3-、SO42-等阴离子;
带负电荷的粘土胶体(如高岭石和蒙脱石等)则常吸附Be、Pb、Cu、Hg、Ag、Au等阳离子;
SiO2的胶体常吸附放射性元素等。
(三)生物风化作用:
1、生物风化作用效能
(1)产生气体
绿色植物的光合作用[H2O+CO2=(HCOOH)n+O2]产生O2;微生物的生理活动和有机体的分解能生成大量的CO2、H2、S和有机酸等。
它们直接影响介质的pH值和Eh值,从而强烈影响风化作用的进程。
(2)氧化和还原
如铁细菌(Ferrobacillus)能将二价铁氧化为三价铁;
硫细菌(Thiobacillus)能把硫化物氧化成硫酸盐。
如有细菌参加的黄铁矿的氧化反应可写成:
2FeS2+15O2+H2O=Fe2(SO4)3+H2SO4
氧化作用的结果产生了可溶的金属硫酸盐和硫酸,硫酸则将进一步加速岩石的风化。
许多风化成因的铁或锰矿床都和微生物作用有关。
还原硫酸盐细菌(如Desulfovibrio和Desulfomaculmi)则能将硫酸盐(如水溶液中的硫酸根离子)还原为H2S:
SO42-+8e+l0H+==H2S+4H2O
溶液中的任何金属与H2S反应都能生成硫化物沉淀。
砂岩和碳酸盐岩中所含金属硫化物的成因,可能与此作用有关。
(3)浓集金属:
生物生存期间,不断地从周围介质中有选择地吸取某些元素,然后在新陈代谢过程中以有机化合物形式把它们固定下来。
如捷克的奥斯兰地区的一吨水木贼的灰分中存在着610g金,在另一种木贼的一吨灰份中含有63g金,而当地土壤中仅含金0.1g/t;一些有孔虫和水藻中含铁达20%以上。
(4)合成有机化合物:
有机质之所以能影响元素的迁移和集散,主要在于它可以和原生矿物中的金属元素组成螯合物。
螯合物比一般的络合物具有更大的稳定性,能在风化壳中自由迁移。
2、生物风化作用的进行方式
(1)生物机械风化作用:
根劈作用植物根长大时对围岩产生的很大压力。
植物根系的楔插作用或根劈作用,可能仅次于冰劈作用。
(2)生物化学风化作用:
生物的化学风化作用是通过生物的新陈代谢和生物死亡后的遗体腐烂分解来进行的,植物和细菌在新陈代谢中常常析出有机酸、硝酸、碳酸、亚硝酸和氢氧化铵等溶液而腐蚀岩石。
生物遗体腐烂分解,形成一种暗黑色胶状物质,叫腐殖质。
腐殖质含有的有机酸,对岩石、矿物有着腐蚀作用。
高岭土在实验室内要1000℃的高温经化学处理才能分解,而硅藻在常温下就能完成这一分解过程。
利用微生物的这种能力可进行生物选矿,如石油的脱蜡,用细菌回收废矿液中的金、银、铜等。
(四)风化分异
元素在特定的风化条件下迁移能力的不同,引起了它们的彼此分异——"风化分异"。
A·M彼列尔曼(1955)提出用"水迁移系数——Kx来衡量元素在风化带中的活动能力。
计算公式如下:
Kx元素X的水迁移系数
mx元素X在河水中的含量(ml/1)
a河水中矿物质残渣总量(m1/1)
nx元素X在河水流经区域岩石中的平均含量(%)
根据水迁移系数,可将风化带中的元素分为五类:
1)最易迁移的元素(Kx=n×l0~n×l02):
Cl、Br、I、S;
2)易被迁移的元素(Kx=l~n×l0):
Ca、Mg、Na、F、Sr、K、Zn;
3)迁移元素(Kx=n×l0―1~n):
Cu、Ni、Co、Mo、V、Mn、SiO2(硅酸盐中)、P;
4)惰性(微弱迁移)元素(Kx Fe、Al、Ti、Sc、Y……; 5)几乎不迁移的元素(Kx≈n×l0―10): SiO2(石英)。 (五)风化作用的阶段性 1、破碎阶段: 以物理风化为主,形成岩石或矿物的碎屑。 2、饱和硅铝阶段: 其特点是在CO2和H2O的共同作用下,铝硅酸盐和硅酸盐矿物开始分解,游离出碱金属和碱土金属(K+、Na+、Ca2+、Mg2+)阳离子组成弱酸盐,使溶液呈碱性或中性反应,并使一部分SiO2转入溶液。 此阶段中形成胶体粘土矿物——蒙脱石、水云母、拜来石、绿脱石等。 蒙脱石: Al2[Si4O10](OH)2•nH2O 3、酸性硅铝阶段: SiO2进一步游离出来。 碱性条件逐渐为酸性条件所代替。 (蒙脱石、水云母)又被不含K、Na、Ca、Mg盐基的粘土矿物——高岭石、变埃洛石等。 高岭石: Al4[Si4O10](OH)8将达到此阶段的风化作用,称为粘土型风化作用。 4、铝铁土阶段: 这是风化最后阶段。 铝硅酸矿物被彻底地分解,主要剩下铁和铝的氧化物及一部分二氧化硅。 它们呈胶体状态在酸性介质中聚集起来,在原地形成水铝矿、褐铁矿及蛋白石堆积。 由于它是一种红色疏松的铁质或铝质土壤,所以也称为红土。 达到此阶段的风化作用,通常称为红土型风化作用。 上述四个阶段是一般完整的风化过程,但在同一地区不一定都进行到底。 风化作用的阶段性常受母岩岩性、气候、地形等因素的控制。 长石的风化过程 K[AlSi3O8](钾长石) →KAl2[AlSi3O10](OH)(绢云母),pH=9.5 →K1-nnAl2[AlSi3O10](OH)2•H2O(伊利石),pH=9.5—7.8 →Al2[Si4O10](OH)2•nH2O(蒙脱石),pH=8.5—7 →Al4[Si4O10](OH)8(高岭石),pH=5—3.5 (六)风化作用的分带性 氧化作用带(上部): 此带中主要发生着氧化作用,水解作用趋向结束,形成了化学风化的最终产物: Fe、Al、Mn、Ti的氢氧化物。 它们常具疏松的构造,呈褐色、红色或淡白色。 水解作用带(中部): 此带中氧化作用刚开始,但水解作用强烈发展,使碱金属和碱土金属从硅酸盐矿物中强烈淋出,并分解为氢氧化物和硅酸。 此带中最大量地聚集着Fe和Al的含水硅酸盐(粘土矿物),常具绿色和黄绿色,并呈粘土状和斑点状。 淋滤作用带: 这里主要发生硅酸盐矿物中的碱金属的淋滤作用,并开始形成粘土矿物。 此带岩石具有粘土、云母状(鳞片状)的外貌。 水合作用带(下部): 这是硅酸盐矿物通过水合作用形成水云母和水绿泥石(少量地带出碱金属),岩石发生崩解,在裂隙和空洞中有时沉积菱镁矿。 往更深处逐渐过渡为末风化的母岩。 上述各带之间没有明显的界线,而呈逐渐过渡,在自然界中一般很少见到完全的分带现象。 二、风化成矿的条件 1、气候条件: 寒带、极地冻土带: 风化作用弱;物理风化有一定的表现和强度。 温带内陆沙漠、热带沙漠气候区: 蒸发量大于降水量;物理风化强于化学风化;化学风化主要处于K、Na、Ca、Mg的淋失
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