第五章-元素在地下水中的迁移与沉淀

LOGOHydrogeochemistry水文地球学东华理工大学水文地球化学课程组第五章元素在地下水中的迁移与沉淀CompanyLogo一、元素迁移元素由一种存在形式转化为另一种存在形式，并伴随一定的空间位移的运动过程，称之为“元素的迁移”。“沉淀”相对于“迁移”而言，位移停止，由液相转入固相，即元素沉淀．二、元素迁移的分类根据物质的运动形式，地壳中元素的迁移可分为三类：①化学与物理化学迁移；②生物或生物地球化学迁移；③机械迁移．5.1概述CompanyLogo一、元素在地下水中的迁移形式主要有：真溶液形式，胶体形式，悬浮形式1、真溶液的形式由溶剂和溶质组成均一、稳定的混合物叫做真溶液．溶质的粒径一般小于10-9m。在真溶液中，元素可以呈：①溶解的分子形式：CaSO4、H4SiO4、CO2、N2等；②自由的离子形式：Cl-、Na+、K+、SO42-、HCO3-等；③络离子形式[UO2(CO3)3]4-等许多元素，尤其是成矿元素，在地下水中呈络离子形式在溶液中迁移。5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo一、元素在地下水中的迁移形式2、胶体形式①胶体的概念是一种物质的极细微粒（分散质）分散在另一种物质（分散介质）中形成的不均匀的细分散体系，胶体的粒径＝10-7~10-9m。②胶体的性质Ａ．比表面积大单位体积或单位质量所具有的表比面积，称为比面积．它具有极大的表面能，特殊的表面电力及吸附能力等Ｂ．带有电荷Fe(OH)3.Fe3+—正胶体Fe(OH)3.(OH)-—负胶体5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo一、元素在地下水中的迁移形式2、胶体形式②胶体的性质由于胶体带有电荷，从而决定胶体有以下一些特性：a.同种胶体质点在水溶液中，由于相同电荷的排斥，不易凝聚和沉淀，这有利于元素的迁移；b.当胶体质点的电荷被中和时，胶体质点就会发生凝聚和沉淀，例如正负胶体相遇，遇到电解质的溶液．c．选择吸附胶体质点具有从介质中吸附各种元素离子的性能，尤其重要的是当这些离子在溶液中浓度很低，未达到饱和程度时，也能被胶体质点吸附，而沉淀下来．这时许多稀有元素的成矿意义很大．5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo一、元素在地下水中的迁移形式2、胶体形式③水环境中胶体的种类有无机胶体，有机胶体及有机-无机复合胶体A、无机胶体：各种次生粘土矿物和各种水合氧化合物．例如:高岭石，蒙脱石，伊利石等粘土矿物；Fe2O3褐铁矿，Fe2O3·H2O水化赤铁矿，Al2O3·3H2O三水铝石，SiO2·nH2O蛋白石等水合氧化物.它们都是在原生矿物的风化过程中产生的，分布十分广泛，因而具有特别重要的意义．5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo一、元素在地下水中的迁移形式2、胶体形式③水环境中胶体的种类Ｂ．有机胶体主要指各种可溶的和不可溶的腐殖酸它们不仅与很多金属元素形成稳定的络合物在水中迁移，而且也可以作为良好的吸附剂而吸附某些元素，使之在水中运移。Ｃ．有机与无机复合体粘土矿物和水合氧化物之类的无机胶体中往往含有各种腐殖酸而形成各种复合胶体。5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo一、元素在地下水中的迁移形式2、胶体形式④胶体的吸附作用Ａ、胶体吸附具有选择性胶体吸附的现象很普通，特别是在表生带，不同胶体常选择性地吸附一定的离子：褐铁矿吸附——U,As,P,V,Mo,Co,Ni,Au等锰土吸附——Li,Cu,Ni,Co,Zn,U,Ba,W等腐殖酸吸附——Mo,U,V,Co,Ni,Cu,Pb,Zn,Au等5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo一、元素在地下水中的迁移形式2、胶体形式④胶体的吸附作用Ｂ、胶体的吸附服从质量作用定律水中阳离子浓度越大，电价越高，同价离子半径越大，其被吸附的作用越强．由于自然界中的大部分胶体，如粘土矿物，有机胶体，含水氧化铝等都带负电荷，所以胶体在大多数的情况下吸附的是阳离子．5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo一、元素在地下水中的迁移形式2、胶体形式④胶体的吸附作用Ｃ．胶体吸附分类胶体吸附可分为简单吸附和交替吸附。简单吸附：介质中离子简单地被胶体吸附交替吸附：在一定的条件下，胶体中已被吸附的离子和溶液中和离子相互交换．3、悬浮物形式悬浮物的质点大于10-7m，悬浮物分有机悬浮物和无机悬浮物。悬浮液是一种不稳定的溶液，颗粒物最终要沉淀下来。泥浆（黃河水）、乳浊液（牛奶）5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo二、标型元素和元素的水迁移环境各种元素在地下水中的迁移能力主要取决于元素本身的化学性质和环境条件．而元素在水中的迁移环境在很大程度上决定于某些标型元素.1、空气迁移元素和水迁移元素①空气迁移元素：通过气相进行迁移的元素．如Ｏ，Ｈ，Ｎ，Ｃ惰性气体元素等，它们也能随水溶液迁移，但以形成挥发性经合物在空气中迁移为特征．如水中各种硝酸盐和铵盐中的Ｎ，Ca(HCO3)2中的Ｃ等.．②水迁移元素：通过各种水体进行迁移的元素，大部分元素都属于水迁移元素，例如:Na,Mg,Ca,K,Al,Si,Cl,Mn,Fe,Co,Ni,V等．5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo二、标型元素和元素的水迁移环境2、标型元素及元素的水迁移环境标型元素：指其迁移能控制地球化学环境，高克拉克值的强迁移元素，也称标型离子或标型化合物．标型元素的标型程度取决于元素的克拉克值和迁移能力。5.2元素在地下水中迁移的一般特征Ａ、低克拉克值的元素一般难以成为标型元素，如Li,Rb,Cs等．这些元素对环境的物理—化学条件所引起的作用不大．Ｂ、高克拉克值的元素，只有那些迁移能力强，又能以某种程度富集的元素，才能成为标型元素。CompanyLogo二、标型元素和元素的水迁移环境2、标型元素及元素的水迁移环境（1）空气迁移的标型元素以气态迁移的O2、CO2、H2S、CH4等标型元素对地球化学环境的影响很大，它们主要决定环境的氧化还原条件。根据空气迁移元素的组成，可将表生带区分为三种基本的氧化－还原环境：5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo．氧化环境其特征是：水中存在自由氧和其它强氧化剂；许多元素均处于高度氧化状态(Fe3＋、Mn4＋、Cu2＋、V5＋、S6＋等)；岩体染成红、棕、黄色；Eh值0.15v---0.7v，在酸性条件下Eh值大于0.4v；标型元素是O2。5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo二、标型元素和元素的水迁移环境2、标型元素及元素的水迁移环境（1）空气迁移的标型元素B、潜育环境(无硫化氢的还原环境)其特征是：水中缺氧或其他强氧化剂；许多无素均处于低度氧化状态(Fe2＋、Mn2＋等)迁移；局部地区的水含有大量CO2和CH4，没有或只有少量H2S；岩体呈淡绿色、灰色或灰蓝色；Eh值在酸性环境中0.4v，而在碱性环境中低于0.15v；标型元素CO2,有的地方还有CH45.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo二、标型元素和元素的水迁移环境2、标型元素及元素的水迁移环境（1）空气迁移的标型元素C、还原环境(硫化氢还原环境)其特征是：水中不含自由和其它强氧化剂；但含有大量H2S，局部地方含有CH4及其它碳氢化合物；铁和其它许多金属不移动；Eh0(pH7)，局部达到-0.5至-0.7v；标型元素为H2S和部分碳氢化合物。5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo二、标型元素和元素的水迁移环境2、标型元素及元素的水迁移环境（2）水迁移的标型元素属于这类的有Cl－、SO42－、HCO3－、Ca2＋、Mg2＋、Na＋和H＋等。它们决定着天然水的酸碱条件及其浓集程度。根据水迁移元素的组成，水迁移环境有以下6种主要类型：A．强酸型(pH4)，标型元素是H，局部为SO42－、Fe3＋、Al3＋,Zn2＋,Cu2＋等，多为硫化矿床氧化带地下水。B．酸型(4pH6.5)，标型元素是H，有机酸阴离子。5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo二、标型元素和元素的水迁移环境2、标型元素及元素的水迁移环境（2）水迁移的标型元素根据水迁移元素的组成，水迁移环境有以下6种主要类型：C、中性和弱碱性重碳钙型(6.5pH8.5)，标型元素是Ca2＋,HCO3－。D、中性和弱碱性氯化物—硫酸型（6.5pH8.5）,标型元素是Na＋,Cl－,SO42－。E、中性和弱碱性石膏型(6.5pH8.5)，标型元素是Ca2＋,SO42－。F、碱性苏打型(pH8.5)，标型元素是HCO3,OH－,SiO2和Na＋。5.2元素在地下水中迁移的一般特征CompanyLogo元素在地下水中迁移的一般特征三、元素的水迁移强度1、水迁移系数(Kx)表示元素在地下水或地表水单位干涸残渣中的含量与其在该区域岩石中含量的比值，即：式中，mx—元素在水中的含量(mg/L)a—水的干涸残渣量（mg/L）nx—元素在岩石中的含量（%）Kx可用来比较主要元素和次要元素的相对迁移程度。Kx越大，元素从风化壳（岩石）中被带出的能力越强。例如：某区地下水中Cu比Si含量小得多，但据Kx可知道Cu在水中比Si迁移要强，因为KCu=0.13KSi=0.07.xxxxxnamnamK100100//nx%mx/aCompanyLogo元素在地下水中迁移的一般特征三、元素的水迁移强度2、迁移相对性系数（Cx）同一元素在不同环境中迁移强度的差异，称迁移相对性。迁移相对性用迁移相对性系数(Cx)衡量：Cx=KA/KB，表示同一元素在不同环境中的水迁移系数之比。Cx越大，说明环境条件对元素迁移影响越大，该元素形成富集的可能性越大，即容易形成矿床。例如，Zn在氧化环境中KZn=n，而在还原环境中，KZn=0.0n，则1000.0nnCZnKbKaCompanyLogo元素在地下水中迁移的一般特征三、元素的水迁移强度3、沉淀强度系数(Ko)在原岩的不同风化阶段，元素从岩石中进入水中和生成次生矿物的比例是不同的。可用沉淀强度系数来衡量。沉淀强度系数表示元素在水溶液的单位干涸残渣中的含量与原岩分解后形成的次生产物中该元素的含量之比，即式中，no—该元素在次生矿物中的含量（%）a—水的干涸残渣量（mg/L）mx—元素在水中的含量（mg/L）可见，元素在次生物中含量越多，则Ko越小，即元素的沉淀强度越大，而水迁移性能较差。anmnamKoxoxo.100.100//nx%mx/an0CompanyLogo弥散作用一、物质在地下水中的弥散机理1、地下水中元素的迁移方式（1）元素在岩石—气体—水系统中相间的转移，即元素从固相或气相转移到地下水中，或从地下水中转