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3、在化学风化是岩石和矿物在表生水、氧和二氧化碳等表生水、氧和二氧化碳等作用下的分解作用。作用下的分解作用。 生物风化作用生物风化作用Weathering of rock from activities of organisms plants burrowing animals humans物理风化物理风化1 1、化学风化作用、化学风化作用1.11.1化学风化作用的反应类型化学风化作用的反应类型 在岩石化学风化过程中主要的反应类型有： 溶解、氧化、水解和离子交换 。溶解作用溶解作用(Solution)(Solution)矿物溶解形成了离子和胶体中分散的分子。在天然水中大多数矿矿物溶解形成了离子和胶
4、体中分散的分子。在天然水中大多数矿物溶解积很小，最易溶解的矿物是石盐，方解石、霰石、菱镁矿、物溶解积很小，最易溶解的矿物是石盐，方解石、霰石、菱镁矿、白云石等碳酸盐矿物也易于溶解，且与水中二氧化碳含量呈正比：白云石等碳酸盐矿物也易于溶解，且与水中二氧化碳含量呈正比：石英是通过水化作用溶解的：石英是通过水化作用溶解的：在在pH9pH9的情况下，硅酸有少量的游离：的情况下，硅酸有少量的游离：在天然水中溶解的二氧化硅通常来自硅酸盐矿物的化在天然水中溶解的二氧化硅通常来自硅酸盐矿物的化学风化，而学风化，而 非来自石英的溶解。非来自石英的溶解。 )2(SHOH2)(4422iOSiO石英) 3(4344
5、SiOHHSiOH)1 (HCO2COH(23323CaCaCO方解石）Chemical weathering of carbonatesEasily soluble in water (especially with some acid present)Ca and Mg taken into solution化学风化作用化学风化作用化学风化作用的反应类型化学风化作用的反应类型 氧化作用氧化作用(Oxidation)(Oxidation)在表生条件下，在表生条件下，Fe Fe 和和 MnMn等变价金属元素常发生低价向高价的等变价金属元素常发生低价向高价的氧化作用，如氧化作用，如此外，非金属元
6、素此外，非金属元素S S常由常由2-2-或或1-1-，被氧化成，被氧化成6+6+：这里，这里，PbSOPbSO4 4几乎是不溶的，而几乎是不溶的，而ZnSOZnSO4 4是极易溶的，而黄铁矿是极易溶的，而黄铁矿的氧化则会产生较强的酸。上述反应必需在有水的情况下才能发的氧化则会产生较强的酸。上述反应必需在有水的情况下才能发生。生。)4(SiOH)(OFeOH2O21)(44322242赤铁矿铁橄榄石SiOFe)5(2221)(3232223COHOFeOHOFeCO菱铁矿)6(2)(42PbSOOPbS方铅矿)7(2)(24242SOZnZnSOOZnS 方铅矿)8(84)(415)(22432
7、222HSOOFeOHOFeS赤铁矿黄铁矿Fig. 6.9Betty CrowellWeathering Oxides Provide Color to the Desert Landscape化学风化作用化学风化作用化学风化作用的反应类型化学风化作用的反应类型 水解作用水解作用(hydrolysis)(hydrolysis)水解作用是指化合物与水反应形成弱酸或弱碱。在天然水中水解作用是指化合物与水反应形成弱酸或弱碱。在天然水中( (含有碳含有碳酸或更强的酸性物质溶液中酸或更强的酸性物质溶液中) )硅酸盐矿物的风化主要是水解反应，产生硅酸盐矿物的风化主要是水解反应，产生H H+ +或或OHOH
8、- -。铝硅酸盐矿物的水解反应较为复杂，在中性溶液中，其反应速率为铝硅酸盐矿物的水解反应较为复杂，在中性溶液中，其反应速率为最小，当最小，当pHpH值升高或降低时，反应速率均有所增高，水解的结果常形值升高或降低时，反应速率均有所增高，水解的结果常形成粘土矿物。成粘土矿物。由于天然水中含有溶解的二氧化碳，因此，长石的水解反应如下由于天然水中含有溶解的二氧化碳，因此，长石的水解反应如下： )9(OH4Mg2OH4)(442242SiOHSiOMg镁橄榄石)10(424)(44323242SiOHHCOMgCOHSiOMg镁橄榄石)11(24(44242SiOHMgHSiOMg镁橄榄石）)12(4)
9、()(2211)(2444522283SiOHOHOSiAlOHKOHOKAlSi高岭石钾长石4445223232838)()(44184)(4SiOHOHOSiAlHCONaOHCOHONaAlSi高岭石钠长石化学风化作用化学风化作用化学风化作用的反应类型化学风化作用的反应类型 离子交换反应离子交换反应 H+Ca2+H+Mg2+H+H+H+Ca2+H+H+离子交换反应是化学风化形成粘土矿物以后最重要的作用。粘土离子交换反应是化学风化形成粘土矿物以后最重要的作用。粘土矿物具有强烈的离子交换能力，能将层间或表面离子与周围溶液矿物具有强烈的离子交换能力，能将层间或表面离子与周围溶液中的离子进行交换
10、。当然，离子交换作用也能够发生在硅酸盐刚中的离子进行交换。当然，离子交换作用也能够发生在硅酸盐刚开始破坏的阶段。此外，有机物质和胶体也具有这种性质。开始破坏的阶段。此外，有机物质和胶体也具有这种性质。 土壤中，直径土壤中，直径0.210 centimoles / kg壤土：1030 centimoles / kg粘土：60 centimoles / kg当形成于高温、高压和缺少氧、二氧化碳及水条件下的当形成于高温、高压和缺少氧、二氧化碳及水条件下的岩石，由于地壳抬升或剥蚀作用暴露于地表后，就会发岩石，由于地壳抬升或剥蚀作用暴露于地表后，就会发生溶解、氧化、水解和离子交换等各种化学反应。生溶解、
11、氧化、水解和离子交换等各种化学反应。 岩石风化的产物可归为四类：岩石风化的产物可归为四类：由风化地区带出的溶解组分由风化地区带出的溶解组分( (离子和分子的溶解离子和分子的溶解) )；产生的新的稳定矿物，如粘土矿物、氧化物和氢氧化物；产生的新的稳定矿物，如粘土矿物、氧化物和氢氧化物；经风化作用但未发生变化的残留原生矿物，如石英、自经风化作用但未发生变化的残留原生矿物，如石英、自然金等。然金等。由有机物的分解所形成的有机化合物。由有机物的分解所形成的有机化合物。化学风化作用化学风化作用岩石的风化作用岩石的风化作用 化学风化作用化学风化作用岩石的风化作用岩石的风化作用 硅酸盐矿物化学风化示意图硅酸
12、盐矿物化学风化示意图1.2 风化程度风化程度是指固体岩石或未固结的沉积物，经过各种风化程度是指固体岩石或未固结的沉积物，经过各种风化作用，由原始状态被改变的数量。实质上，风化风化作用，由原始状态被改变的数量。实质上，风化程度是某一时刻岩石风化的程度。风化速度是单位时程度是某一时刻岩石风化的程度。风化速度是单位时间内，岩石风化的数量。风化速度快，岩石风化程度间内，岩石风化的数量。风化速度快，岩石风化程度就高；风化速度慢，风化程度就低，但如果有足够时就高；风化速度慢，风化程度就低，但如果有足够时间，岩石风化也能达到类似的程度。间，岩石风化也能达到类似的程度。岩石风化程度的控制因素有内因和外因两种，
13、其中内岩石风化程度的控制因素有内因和外因两种，其中内因是指母岩的性质，如母岩孔隙和裂隙发育程度、矿因是指母岩的性质，如母岩孔隙和裂隙发育程度、矿物组合等等，外因指环境温度、流体化学成分和水动物组合等等，外因指环境温度、流体化学成分和水动力条件等。力条件等。1) 矿物不同的矿物出现在不同的风化阶段，表1为随着时代增加沉积岩中矿物出现频率顺序表，从中可以看出，长石、石英和一些副矿物是最常出现在矿物组合。矿物的稳定性是随着矿物形成温度与环境温度的差值减少而增加的。铁镁矿物分解形成氧化物铁镁矿物分解形成氧化物石英是最稳定的石英是最稳定的长石形成粘土矿物长石形成粘土矿物化学风化作用化学风化作用岩石的风化
14、作用岩石的风化作用 风化程度影响的内因矿物 矿物持久性顺序表矿物持久性顺序表稳定性稳定性矿物矿物持久性持久性稳定性稳定性矿物矿物持久性持久性稳稳定定 性性下下降降锐钛矿锐钛矿Anatase(-3)*稳稳定定 性性下下降降绿帘石绿帘石Epidote(11)白云母白云母Muscovite(-2)角闪石角闪石Hornblende(12)金红石金红石Rutile(-1)斜长石斜长石Andalusite(13)锆石锆石Zircon(1)黄玉黄玉Topaz(14)电气石电气石Tourmaline(2)榍石榍石Aphene(15)独居石独居石Monazite(3)黝帘石黝帘石Zoisite(16)石榴子石石
15、榴子石Garnet (4)辉石辉石 Augite(17)黑云母黑云母Biotite(5)硅线石硅线石Silimanite(18)磷灰石磷灰石Apatite(6)紫苏辉石紫苏辉石Hypersthene(19)钛铁矿钛铁矿Ilmenite(7)透辉石透辉石Diopsite(20)磁铁矿磁铁矿Magnetite(8)阳起石阳起石Actinolite(21)十字石十字石Staurolite(9)橄榄石橄榄石Olivine(22)蓝晶石蓝晶石Kyanite(10)* 负数表示在漫长的埋藏过程中，矿物存在而不消失的趋势负数表示在漫长的埋藏过程中，矿物存在而不消失的趋势;石英没有列入表中石英没有列入表中.2
16、) 温度温度是影响岩石风化速度最重要的因素之一。在地表低温条件下，主要发生放热反应；在地下高温情况下，化学反应以吸热反应为主。通常情况下，化学反应的速度随温度升高而增加，一般为每增加10,反应速度增加1倍。因此，在平均气温为20的热带，化学风化速度较平均气温为12的温带迅速得多。化学风化作用化学风化作用岩石的风化作用岩石的风化作用 风化程度影响的内因温度一些硅酸盐矿物分解活化能表一些硅酸盐矿物分解活化能表 矿物矿物活化能活化能(KaJmol-1)透辉石透辉石3881*顽火辉石顽火辉石50钾长石钾长石3882*钠长石钠长石3889硅灰石硅灰石74石英石英77* 在不同在不同pH值范围内值范围内温
17、度对反应速度影响温度对反应速度影响可用下来方程表示：可用下来方程表示：)14(/RTEaAek这里，K 是速度常数，A是频率因子，Ea是活化能，R是气体常数，T是温度(K)。表中数值比在溶液中进行迁移的能表中数值比在溶液中进行迁移的能量量( (大约大约20kJ mol-1)20kJ mol-1)要高，但要低于要高，但要低于离子从晶体内部进行迁移时所需的离子从晶体内部进行迁移时所需的能量能量( (大约大约80400kJ mol-1)80400kJ mol-1)。这说。这说明，通过催化效应，硅酸盐矿物表明，通过催化效应，硅酸盐矿物表面吸附作用有助于矿物的分解。面吸附作用有助于矿物的分解。化学风化作
18、用化学风化作用岩石的风化作用岩石的风化作用 风化程度影响的外因温度地区地区岩石或矿物类型岩石或矿物类型速度速度(mm/1000年年)Baffin Island (加拿大巴芬岛加拿大巴芬岛)角闪石角闪石Hornblende0.10.5Montana (美国蒙大纳美国蒙大纳)角闪石角闪石Hornblende1Western USA (美国西部美国西部)玄武岩玄武岩 Basalts1020Southern Alps (新西兰阿尔卑斯南部新西兰阿尔卑斯南部)砂岩砂岩 Sandstone1000Central Europe (欧洲中部欧洲中部)花岗岩花岗岩 Granites600013000Chad 乍
19、得湖乍得湖花岗岩花岗岩 片麻岩片麻岩Gneiss13500New Caledonia (新苏格兰新苏格兰)酸性岩酸性岩 Acid Rocks 1000016000New Caledonia (新苏格兰新苏格兰)超基性岩超基性岩/基性岩基性岩 Ultrabasic/Basic rock2900047000Ivory Coast (象牙海岸象牙海岸)花岗岩花岗岩 Granites14000Ivory Coast (象牙海岸象牙海岸)花岗岩花岗岩 Granites500050000West Africa (西非西非)火山岩火山岩 Volcanics1000050000不同地区环境温度对岩石风化速度影
20、响表不同地区环境温度对岩石风化速度影响表 3) 土壤溶液化学性质土壤溶液对岩石风化的影响主要取决于溶液的pH、溶质浓度和温度。一般雨水的pH为5.56.2，当空气受到硫氧化物和氮氧化物等酸性物质污染后，pH可下降12个单位。水流经土壤上层时，会造成土壤酸化，这是因为土壤空气中的二氧化碳浓度较空气中的二氧化碳浓度要高出522倍(个别可达到400倍)。此外，有机酸也提供一部分酸，土壤剖面下层土壤pH逐渐趋向于中性。Analogy of weathering: making coffeefresh grounds + water = coffee + residue (a solution)K-fe
21、ldspar + water = K+ + kaolinite (a clay mineral)Drip coffee maker4445223232838)()(44184)(4SiOHOHOSiAlHCOKOHCOHOKAlSi高岭石钠长石岳阳农田区岳阳农田区土壤剖面土壤剖面pH、可溶性、可溶性Al、Mg和和Ca变化图变化图化学风化作用化学风化作用岩石的风化作用岩石的风化作用 风化程度影响的内因土壤溶液化学性质 不同地区土壤溶液成分表不同地区土壤溶液成分表 地区地区土壤类型土壤类型层位层位pH阳离子浓度阳离子浓度(m mol/L)Ca MgNaKSiAl华盛顿华盛顿 寒冷寒冷季节季节灰壤灰
22、壤A-180804040150Bh/Bs-20801010270西班牙西北部西班牙西北部加利西亚省加利西亚省Cambisol a(在花岗岩上在花岗岩上)A3.66.61230021987204773985691829502温带温带Cambisol b(在蛇纹岩上在蛇纹岩上)A6.47.5683601131040278120921006431102乍得热带旱季乍得热带旱季Vertisol cA7.517408601335685443-女王岛热带雨女王岛热带雨季季Ferralsol dA4.17.91064050860700860100790-B4.66.65100510013040010180-
23、在风化过程中，比较活动的元素和组分会产在风化过程中，比较活动的元素和组分会产生迁移，在风化剖面上引起化学成分的变化。生迁移，在风化剖面上引起化学成分的变化。用于确定上述变化程度的方法主要有两种：用于确定上述变化程度的方法主要有两种：第一种，通过与母岩进行绝对值对比，来估第一种，通过与母岩进行绝对值对比，来估算风化程度；第二种，通过高度残留矿物算风化程度；第二种，通过高度残留矿物(如如石英石英)与极易迁移的矿物比值进行估算，这种与极易迁移的矿物比值进行估算，这种比值就是风化程度指数比值就是风化程度指数 化学风化作用化学风化作用岩石的风化作用岩石的风化作用 1.2.2 确定风化程度的方法确定风化程
24、度的方法化学风化作用化学风化作用岩石的风化作用岩石的风化作用 1) 绝对值方法绝对值方法等容法等容法(Isovolumetric method)：在风化程度较低时，：在风化程度较低时，假定新鲜岩石和风化岩石体积没有变化，通过对比假定新鲜岩石和风化岩石体积没有变化，通过对比新鲜岩石和风化岩石氧化物的含量来估算风化程度新鲜岩石和风化岩石氧化物的含量来估算风化程度的方法。的方法。氧氧化化物物氧化物氧化物氧化物重量氧化物重量g/100cmg/100cm3 3等体积平衡等体积平衡母岩母岩AreneArene粗砂岩粗砂岩重量变化重量变化g/100cmg/100cm3 3(%)(%)底部底部(B)(B)顶部
25、顶部(T)(T)花岗岩花岗岩1 1d d1 1* *=2.68=2.682 2d d2 2=1.71=1.713 3d d3 3=1.47=1.472 23 32 23 3(1)(1)(2)(2)(3)(3)(4)(4)(5)(5)(6)(6)(7)(7)(8)(8)SiOSiO2 266.166.1177.1177.1104.8104.888.288.2-72.3-72.3-88.9-88.9-41-41-50-50AlAl2 2OO3 315.315.341.041.030.330.325.925.9-10.7-10.7-15.1-15.1-26-26-37-37FeFe2 2OO3 34
26、.64.612.312.310.810.89.89.8-1.5-1.5-2.5-2.5-12-12-20-20TiOTiO2 20.940.942.52.52.22.21.91.9-0.3-0.3-0.6-0.6-12-12-24-24MnOMnO0.070.070.20.20.20.20.10.10.00.0-0.1-0.10 0-50-50MgOMgO1.471.473.93.94.24.23.33.3+0.3+0.3-0.6-0.6+8+8-15-15CaOCaO2.602.607.07.01.41.40.60.6-5.6-5.6-6.4-6.4-80-80-91-91NaNa2 2OO
27、2.912.917.87.81.41.40.70.7-6.4-6.4-7.1-7.1-82-82-91-91K K2 2OO4.864.8613.013.08.58.57.77.7-4.5-4.5-5.3-5.3-35-35-41-41其他其他0.440.441.21.27.37.36.56.5+6.1+6.1+5.3+5.3+508+508+442+442合计合计99.2999.29266.1266.1170.9170.9144.7144.7-95.2-95.2-121.4-121.4-36-36-46-46母岩氧化物含量百分比母岩氧化物含量百分比( (第一列第一列) )乘乘2.68(2.6
28、8(岩石密度岩石密度) )，给出氧化物重量，给出氧化物重量( (第二列第二列) )，g/100cmg/100cm3 3(2) (2) 第三列和第四列为粗砂岩底部和顶部的氧化物重量；第三列和第四列为粗砂岩底部和顶部的氧化物重量；(3) (3) 将第二列数据分别减去第三列和第四列的数据，就得到了第五列和第六列数据，将第二列数据分别减去第三列和第四列的数据，就得到了第五列和第六列数据，即为风化剖面底部与顶部氧化物重量变化值。第七列和第八列是用百分比表示即为风化剖面底部与顶部氧化物重量变化值。第七列和第八列是用百分比表示的数据。的数据。基准矿物法基准矿物法为了得到新鲜母岩和风化层中成分组成特为了得到新
29、鲜母岩和风化层中成分组成特征，计算其损失量，就需要选择合适的矿征，计算其损失量，就需要选择合适的矿物作为基准矿物。在雨水物作为基准矿物。在雨水pH值降到值降到5.5时，时，Al2O3都是不溶的，因此，风化作用后，铝都是不溶的，因此，风化作用后，铝是残留在粘土矿物中的。是残留在粘土矿物中的。该方法是利用母岩与风化层中的该方法是利用母岩与风化层中的Al2O3比值比值来计算其他成分的损失量。来计算其他成分的损失量。氧化氧化物物新鲜岩石新鲜岩石（）（）腐泥土腐泥土（）（）每种氧化物修正值，每种氧化物修正值，比值比值14.61/18.40损失量损失量(2)-(4)变化百分比变化百分比(5)/(2)100
30、(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其他其他0.700.540.43-0.27-39合计合计100.00100.0079.40-20.60由于其他氧化物损失，由于其他氧
31、化物损失， Al2O3含量由含量由14.61调整至调整至18.40，因此，所有氧，因此，所有氧化物的含量都要乘以化物的含量都要乘以14.61/18.40，氧化物含量总和由，氧化物含量总和由100降至降至79.4。每。每个氧化物修正数个氧化物修正数(第四列第四列)可由下式计算得出：可由下式计算得出：SiO2=70.5114.61/18.40=55.99(15)岩石中岩石中SiO2实际损失量就等于新鲜岩石含量减去修正数，实际损失量就等于新鲜岩石含量减去修正数，SiO2(loss)=71.48-55.99=15.49，损失的百分含量为实际损失量除以岩石，损失的百分含量为实际损失量除以岩石总量乘总量乘
32、100，即，即 15.49/71.4810022化学风化作用化学风化作用岩石的风化作用岩石的风化作用 2) 指数法指数法(相对值方法相对值方法 当母岩成分未知或不确定时，通过计算不同稳定程当母岩成分未知或不确定时，通过计算不同稳定程度的氧化物比值也可以估算风化程度，这种结果通度的氧化物比值也可以估算风化程度，这种结果通常用指数来表示。常用指数来表示。一种方法是假定在风化过程中，一种方法是假定在风化过程中，AlAl2 2OO3 3是固定不变是固定不变的，在相同的假设基础上，那些抗风化能力强的矿的，在相同的假设基础上，那些抗风化能力强的矿物物( (如电气石如电气石) )的含量是可信任的。的含量是可
33、信任的。第二种方法是计算风化比值第二种方法是计算风化比值(WR)(WR)，重矿物为重矿物为WK(h):WK(h):轻矿物为轻矿物为WK(l):WK(l): 常用于研究花岗岩的风化程度。常用于研究花岗岩的风化程度。闪石辉石锆石电气石)(WR h长石石英)(lWR化学风化作用化学风化作用岩石的风化作用岩石的风化作用 确定风化程度的方法 指数法(相对值方法）几种常用的表示风化程度的指数表几种常用的表示风化程度的指数表 指数指数计算式计算式来源来源风化化学指数风化化学指数Chemical index of weathering CIW=Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O)100蚀变化学指数蚀变
34、化学指数Chemical index of alterationCIA=Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)100风化指数风化指数weathering index WI=(2Na2O/0.35+(MgO/0.9)+2 K2O/0.25)+(CaO/0.7)100Reiche 风化指数风化指数weathering index of ReicheMWPI=( Na2O+ K2O+CaO+MgO)/ ( Na2O+ K2O+CaO+MgO+SiO2+Al2O3+Fe2O3)100Reiche1943年提年提出，出，Vogel 1975年修正年修正Vogt 比值比值 Vogt rati
35、oV=( Al2O3+ K2O)/( MgO+ CaO+ Na2O)(Vogt，1927；Roaldset，1972)Ruxton 比值比值Ruxton ratioR=SiO2/Al2O3基于硅的损失与其他元素损失呈显著相关假设基础上，基于硅的损失与其他元素损失呈显著相关假设基础上，适用于湿润气候自由排水环境的中酸性岩石风化。适用于湿润气候自由排水环境的中酸性岩石风化。基于风化过基于风化过程中铝基本程中铝基本不变的前提不变的前提下，但水在下，但水在流经岩石剖流经岩石剖面时，可以面时，可以带走带走mmmm级含级含有铝的层状有铝的层状硅酸硅酸 ，这，这些硅酸盐从些硅酸盐从表层被迁移表层被迁移至底层
36、，按至底层，按照上述的风照上述的风化指数计算，化指数计算，剖面上层的剖面上层的风化程度低风化程度低于地层的风于地层的风化强度，这化强度，这与风化程度与风化程度的其他一些的其他一些证据相矛盾。证据相矛盾。化学风化作用化学风化作用岩石的风化作用岩石的风化作用 确定风化程度的方法 指数法(相对值方法）澳大利亚南部阿德莱德市以长石砂岩为成土母岩澳大利亚南部阿德莱德市以长石砂岩为成土母岩的土壤垂向剖面上，风化比值与深度变化图的土壤垂向剖面上，风化比值与深度变化图WRWR风化指数是基于风化指数是基于20209090m mm (1m (1m mm=10m=10-6-6米米) )大小的重矿物是稳定残留大小的重
37、矿物是稳定残留的基础上的，该指数较传的基础上的，该指数较传统的方法要好一些，它可统的方法要好一些，它可以避免上述讨论的问题：以避免上述讨论的问题：WR=(CaO+MgO+NaWR=(CaO+MgO+Na2 2O)/ZrO)/ZrOO2 2ZrO2 2为锆石，其他重矿物为锆石，其他重矿物如电气石、金红石如电气石、金红石(TiO2 2)和磷铱矿也和磷铱矿也 可以用。可以用。化学风化作用化学风化作用1.3 风化速度风化速度 室内模拟实验计算风化速度室内模拟实验计算风化速度 模模拟拟实实验验得得出出的的矿矿物物风风化化速速度度表表 矿物矿物风化速度风化速度(mol cm-2 s-1)备注备注长石类长石
38、类拉长石拉长石labradorite1.5810-16Ca 的释放速度的释放速度8.4510-17根据硅释放速度计算的数根据硅释放速度计算的数钠长石钠长石Albite1.610-163.1210-164.210-16奥长石奥长石Oligoclase110-16碱性长石碱性长石Alkali feldspar7.3310-16橄榄石橄榄石Olivine3.9810-15镁橄榄石镁橄榄石Mg的释放速度的释放速度forsterite石榴子石石榴子石Garnet1.110-15据据Si是否速度计算的数是否速度计算的数闪石类闪石类 透闪石透闪石Tremolite1.4510-152.010-16角闪石角闪
39、石Hornblende1.8210-16(4.28.3)10-16岩石和矿物分解破坏的速度称为风化速度。目前，常用的岩石和矿物分解破坏的速度称为风化速度。目前，常用的计算风化速度的方法有两种：一是进行室内模拟实验计算风化速度的方法有两种：一是进行室内模拟实验.二是研究风化物质，或汇水地区水的化学成分。二是研究风化物质，或汇水地区水的化学成分。风化速度研究中常用的单位风化速度研究中常用的单位蚀变过程中，表示离子迁移单位为：蚀变过程中，表示离子迁移单位为：meq m-2表示每平方米毫克当量数表示每平方米毫克当量数(milliequivalents per square metre)mol ha-1
40、（或（或cm-2）表示每公顷或每平方厘米摩尔数）表示每公顷或每平方厘米摩尔数(moles per hectare,or per square centimetre)。mol g-1 表示每克摩尔数表示每克摩尔数(moles per gram)。表示空间尺度大小的单位为：表示空间尺度大小的单位为：(1) mm10-6，微米，微米;(2) mm=10-3，毫米，毫米.表示速度的单位为：表示速度的单位为：meq m-2 a-1 表示每年每平方米毫克当量数；表示每年每平方米毫克当量数；mol ha-1（cm-2）a-1（S-1）每年）每年(每秒每秒)每公顷每公顷(每平方厘米每平方厘米)摩尔数；摩尔数；
41、 mm Ka-1表示每千年微米数；表示每千年微米数； t km -2 a-1表示每年每平方千米吨数表示每年每平方千米吨数(tonnes per square kilometre per year)；更多的情况下，蚀变与时间并不是线性关系，可以用回归方程来表示。更多的情况下，蚀变与时间并不是线性关系，可以用回归方程来表示。化学风化作用化学风化作用风化速度风化速度 野外研究获得风化速度 土壤中阳离子及矿物随深度变化图土壤中阳离子及矿物随深度变化图 (1) (1) 风化剖面风化剖面在相同地区，易风化的在相同地区，易风化的矿物，如角闪石具有相矿物，如角闪石具有相似的变化趋势似的变化趋势(图图6-b)。
42、相反，抗风化的矿物，相反，抗风化的矿物，如锆石如锆石(ZrSiO4)、石英、石英和不透明矿物，如磁铁和不透明矿物，如磁铁矿在剖面的顶部比在底矿在剖面的顶部比在底部含量高部含量高(图图6-c)，这是，这是由于顶部的风化程度比由于顶部的风化程度比底部高引起的。底部高引起的。元素和化合物迁移的速元素和化合物迁移的速度可以通过研究迁移数度可以通过研究迁移数量与沉积岩年龄的关系量与沉积岩年龄的关系得到。如果通过对比稳得到。如果通过对比稳定组分含量得到初始含定组分含量得到初始含量和现今含量的比值就量和现今含量的比值就能够获得元素和化合物能够获得元素和化合物迁移的数量迁移的数量.在斯堪迪纳维亚有在斯堪迪纳维
43、亚有7 7处沙质冰碛岩，时代为处沙质冰碛岩，时代为88008800120000120000年年( (距今时间距今时间) )。假定假定ZrZr全部形成锆石全部形成锆石, ,ZrZr是稳定元素，不稳定元素是稳定元素，不稳定元素CaCa、MgMg、K K和和NaNa的初始含的初始含量与现今的母岩含量一致，很显然，在剖面顶部锆石的浓度是随着易迁移量与现今的母岩含量一致，很显然，在剖面顶部锆石的浓度是随着易迁移组分的流失而增加的组分的流失而增加的( (图图6-c)6-c)，风化迁移量的计算如下：，风化迁移量的计算如下：假定假定ZrZr存在于锆石存在于锆石(ZrSiO(ZrSiO4 4) )中，通过以下方
44、程计算迁移量：中，通过以下方程计算迁移量： 这里，这里，WW为风化层中小于为风化层中小于2mm2mm的土壤物质损失量的土壤物质损失量(g m(g m-2-2) )，也即此处，也即此处Zr Zr 含含量超出地表的含量数；量超出地表的含量数；W Ww w为风化层中小于为风化层中小于2mm2mm的土壤物质现实含量的土壤物质现实含量(g m(g m-2-2) )；ZrZrw w为在风化层中为在风化层中ZrZr的现实含量的现实含量(g m(g m-2-2) )；ZrZrc c为为Zr Zr 的浓度，作为在风化层中小于的浓度，作为在风化层中小于2mm2mm土壤物质的百分含量；土壤物质的百分含量；XX为元素
45、为元素X(CaX(Ca、MgMg、NaNa和和K K等等) )的损失量的损失量 (g m(g m-2-2) )；X Xc c为在风化层中元素为在风化层中元素X X的现实含量的现实含量(g m(g m-2-2) )。计算结果显示，自冰后期以来岩石风化造成的物质损失速度为每年计算结果显示，自冰后期以来岩石风化造成的物质损失速度为每年2 220g 20g m m-2-2。不同地区的差异是地球化学和气候，特别是温度造成的。实际上，这。不同地区的差异是地球化学和气候，特别是温度造成的。实际上，这些速度是地质历史时期的，不要与现在的速度相混淆。些速度是地质历史时期的，不要与现在的速度相混淆。WCWWZrZ
46、rW)/100(WCWCWZrZrXX)/(流经汇水区水离子浓度测定常用于确定汇水区岩石风化速度。但实际上，这种计算由于以下因素而具有不确定性：大气干湿沉降影响：Cl、S、Mg、Na和其他在降水中存在的离子，以及Ca、S、K和其他在干沉降中存在的阳离子，特别是在干旱地区，由于这些附加离子而使测量结果变得不可靠。 植物、土壤有机质影响：一般地，汇水区都有富集了Ca等阳离子的森林或林地，它们也会引起误差。将流失的化学元素含量加到地势低洼地区的想法是不切实际的，因为由化学风化造成的体积增加是很难测量的，水的来源可能对结果造成较大影响。化学风化作用化学风化作用风化速度风化速度 野外研究获得风化速度 (
47、2)汇水(地球化学质量平衡)区研究 利用利用汇水汇水区水区水化化学成学成分计分计算出算出的风的风化速化速度表度表 地 区速 度备 注Southern Blue Ridge USA38 mmka-1腐泥土形成速度腐泥土形成速度Pacific North West30 mmka-1Virginia 维吉尼亚维吉尼亚7 mmka-1Idaho catchments USA26.7 t km-2 a-1斜长石风化速度斜长石风化速度Northeast Scotland68 t km-2 a-1片麻岩和辉长岩片麻岩和辉长岩Pacific North West34 t km-2 a-1160000 km-2
48、Czechoslovakia9.45 t km-2 a-1大量溶解大量溶解SiO2Sogndal, Norway 13 meq m-2 a-1森林土森林土Lake Gardsjon, Sweden 4080 meq m-2 a-1Germany20230 meq m-2 a-1Scotland19.49 meq m-2 a-1化学风化作用化学风化作用风化速度风化速度 (2)(2)汇水汇水( (地球化学质量平衡地球化学质量平衡) )区研究区研究 2 搬运作用搬运作用风化作用所形成的岩屑、矿物、胶体和溶液在地表营力作用下产生迁移搬运和沉淀作用，大陆剥蚀及物质搬运的主要营力是水力(河流、地下水)、风
49、力、冰川和重力，其中水是地球表面化学元素迁移的最主要搬运介质。海洋则是各种风化剥蚀产物的最终归宿。溶解物质主要指各种无机络合物溶解物质主要指各种无机络合物(如如PbCl+、UO22+、HCO3-、SO 42-等等)、低分子有机络合物低分子有机络合物(能通过能通过0.45mm孔径过滤的有机物质称为可溶有机孔径过滤的有机物质称为可溶有机质质(DOM)，大于该粒度的称为颗粒，大于该粒度的称为颗粒有机质有机质(POM)和中性分子和中性分子(O2、H2CO30、CdCl20等等)和简单离子和简单离子(如如K+、Na+、Cl-)，粒子直径在，粒子直径在10-910-8m；胶体迁移是指粒径在胶体迁移是指粒径
50、在10-810-5m范围范围内的大分子、胶体聚合物和各种成内的大分子、胶体聚合物和各种成分的固、液相粒子，或被吸附在这分的固、液相粒子，或被吸附在这些粒子上，以水溶液、气溶胶形式些粒子上，以水溶液、气溶胶形式被搬运；被搬运；水悬浮颗粒的直径大致在水悬浮颗粒的直径大致在10-610-3m，它们与碎屑和岩块一起以机械方式它们与碎屑和岩块一起以机械方式搬运，粒径小于搬运，粒径小于10-5m的悬浮物在水的悬浮物在水中相当稳定，属于广义的胶体系统。中相当稳定，属于广义的胶体系统。元素在地表的迁移可分元素在地表的迁移可分为溶解的、胶体的和机为溶解的、胶体的和机械的三种形式。械的三种形式。2.12.1机械搬
51、运迁移机械搬运迁移粘土粘土 粉砂粉砂 砂砂 砾砾剥剥 蚀蚀搬搬 运运沉沉 积积10001001010.01 0.1 1 10 100 颗粒直径颗粒直径/mm流速流速/(cm/s)在水深约在水深约1m 1m 的平坦均匀河床上，的平坦均匀河床上，碎屑颗粒被搬运、沉积和剥蚀的尤其特络姆图解碎屑颗粒被搬运、沉积和剥蚀的尤其特络姆图解“搬运搬运”区中，碎屑颗粒以翻滚、区中，碎屑颗粒以翻滚、跳跃和悬浮三种方式随水流机械跳跃和悬浮三种方式随水流机械迁移，流速降低时，在迁移，流速降低时，在“沉积沉积”区沉淀到河床上。当流速增大到区沉淀到河床上。当流速增大到“剥蚀剥蚀”区时，河床可以被冲刷区时，河床可以被冲刷剥
52、蚀而使沉积物重新被搬运。剥蚀而使沉积物重新被搬运。2 .2 2 .2 溶液迁移水合络合物溶液迁移水合络合物在水溶液中，大多数阳离子和配位基组成水合络合物，其在水溶液中，大多数阳离子和配位基组成水合络合物，其配位基可以是阴离子，也可以是中性分子。实际上，许多配位基可以是阴离子，也可以是中性分子。实际上，许多在成矿和环境研究中有重要意义的阳离子，在水溶液中都在成矿和环境研究中有重要意义的阳离子，在水溶液中都以水合络合物，而不是以自由离子形式存在，如以水合络合物，而不是以自由离子形式存在，如Cu2+、Hg2+ 、Pb2+ 、Fe3+和和U4+ 。而另一些重要元素在水溶液中。而另一些重要元素在水溶液中
53、的活动性则主要取决于其含氧络合离子的性质，如的活动性则主要取决于其含氧络合离子的性质，如UO22+和和SO42-等。天然水溶液是含有较多的配位基成分的复杂等。天然水溶液是含有较多的配位基成分的复杂体系，多种配位基对金属阳离子的络合可以明显增高金属体系，多种配位基对金属阳离子的络合可以明显增高金属在水中的溶解度。如水中含量百分之一摩尔的在水中的溶解度。如水中含量百分之一摩尔的SO42+和千和千分之一摩尔的分之一摩尔的HCO3-时，溶解的时，溶解的Ca2+离子增加离子增加2倍。在表倍。在表生条件下，金属的碳酸盐、硫酸盐和氟化物络合物通常都生条件下，金属的碳酸盐、硫酸盐和氟化物络合物通常都难被吸附，
54、而其难被吸附，而其OH -和磷酸盐络合物则一般容易被吸附，和磷酸盐络合物则一般容易被吸附，尤其易于被氧化物和氢氧化物吸附。尤其易于被氧化物和氢氧化物吸附。在水溶液中，大多数阳离子都以水在水溶液中，大多数阳离子都以水合络合物，而不是以自由离子形式合络合物，而不是以自由离子形式存在。存在。在外圈络合物中，在外圈络合物中，Na+、K+等一价等一价阳离子和阳离子和Ca2+、Mg2+、Sr2+ 、Ni2+、Zn2+、Co2+、Cd2+、Mn2+、Fe2+、 Cu2+等二价阳离子与等二价阳离子与Cl-、HCO3-、SO42-、CO32-在溶液中可形成在溶液中可形成NaHCO30、CaCO30、CaHCO3
55、、MgSO40离子对。离子对。Ag+、Cd2+、Zn2+、Hg2+与与Se2+、Te2+、S2和和SH形成强的内圈络合形成强的内圈络合物，通常三价或更高价态的金属阳物，通常三价或更高价态的金属阳离子与配位基倾向于形成主要具有离子与配位基倾向于形成主要具有内圈性质的络合物。内圈性质的络合物。内圈完全定内圈完全定向的水分子向的水分子外圈部分定外圈部分定向的水分子向的水分子溶液中非定向水分子溶液中非定向水分子HHHHHHHHHMMMMLLAB 1 2312345金属氧化物表面反应剖面示意图金属氧化物表面反应剖面示意图1 干燥的氧化物表面；干燥的氧化物表面；2 有水存在时，表面金属离子与有水存在时，表
56、面金属离子与H2O分子结合；分子结合；3 离解的化学吸附形成的羟基化表面。离解的化学吸附形成的羟基化表面。氧离子氧离子金属离子金属离子水合氧化物表面络合反应的剖面示意图水合氧化物表面络合反应的剖面示意图1 表面羟基表面羟基(HO)中的一个氧原子提供电子与溶液中的一个金属离子络合；中的一个氧原子提供电子与溶液中的一个金属离子络合；2 两个提供电子的表面氧原子与一个金属离子络合；两个提供电子的表面氧原子与一个金属离子络合；3 溶液中的配位基置换氧化物表层金属离子溶液中的配位基置换氧化物表层金属离子(Fe、Mn、Al、Si等等)的表面的表面HO基团；基团；4 提供电子的氧原子与溶液中的一个金属配位基
57、络合物相结合；提供电子的氧原子与溶液中的一个金属配位基络合物相结合；5 与氧化物表层金属络合物的与氧化物表层金属络合物的OH基团被溶液中的金属配位基络合物置换。基团被溶液中的金属配位基络合物置换。溶液中金溶液中金属离子属离子溶液中溶液中配位基配位基氧化物表面氧化物表面元素在水或大气中呈粒元素在水或大气中呈粒径约径约10-810-5m的大分子、的大分子、胶体聚合物和各种成分胶体聚合物和各种成分的颗粒，或被吸附在这的颗粒，或被吸附在这些粒子上被搬运，称之些粒子上被搬运，称之为胶体形式迁移。为胶体形式迁移。水悬水悬浮颗粒的直径大致从浮颗粒的直径大致从10-610-5m到到10-3m量级之量级之间，它们与碎屑一起以间，它们与碎屑一起以机械方式搬运，但其中机械方式
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