溶解物质的搬运与沉积作用

如题所述

风化产物中的可溶物质,分别以离子形式进入溶液,如Na2CO3、NaCl、Ca(HCO32、FeSO4等,称为真溶液;或以胶体微粒分散在溶液中,如Al2O3、SiO2、Fe(OH)3等,称为胶体溶液。真溶液和胶体溶液随着流水的运移,可溶物质被带出风化侵蚀区,这种方式称为溶运。

河流的溶运量取决于它的流量和河水性质。一般说来河流的溶运量是很大的。如在1958年测得长江、黄河、黑龙江、西江和钱塘江的溶运量分别为:17790×104、2018×104、362×104、2346×104、210×104t。河流的溶运量虽然很大,却远远没有达到饱和的程度,所以溶解物质很少在河床中发生沉淀(积)。溶解物质的沉淀主要发生在内陆湖泊和海洋盆地之中。

1.胶体溶液物质的搬运和沉积作用

在母岩的风化产物中,低溶解度的金属氧化物和氢氧化物,常常呈胶体溶液的形式搬运。胶体的质点很小,介于1~100μm之间。由于其质点很小,所以,它具有自己的特点及影响搬运与沉积的特殊因素。主要有:

1)由于质点小,在搬运和沉积过程中,重力影响是很微弱的。

2)胶体质点的比面积特别大,因此具有特殊的表面电荷。这种特殊的表面电荷,在胶体凝聚或沉积过程中,对离子的吸附起很大的作用。

3)胶体的扩散能力很弱,不容易通过致密的岩石。

4)胶体质点带有电荷;带正电荷的为正胶体,带负电荷的为负胶体。

自然界常见的正负胶体见表7-1。同种胶体质点的电荷使它们之间相互排斥而不凝聚。这种性质是影响它的搬运和沉积的一个很重要的因素。若胶体的电荷能够长期保持稳定状态而不被中和,则胶体质点可长期处于搬运状态,随着水流的方向而运移。若胶体溶液中含有一定数量的腐殖质,则可以增加胶体的稳定性,有利于它的搬运。

表7-1 自然界常见的正负胶体

若胶体质点的电荷因某种因素而发生中和(如“异性”或不同“电荷的”电解质的加入),质点间的相互排斥力消失,胶体质点相互凝聚,受重力的影响而下沉。此外,某些原因(如蒸发作用),使胶体溶液的浓度增大;或胶体溶液与外界物质发生反应,亦可使胶体发生凝聚作用。

由凝聚作用而成的胶体物质称为凝胶。凝胶呈絮状、冻状,糊状并含有大量的水分。凝胶逐渐失去水分,体积缩小,变得致密坚硬,并可进一步发生重结晶作用,这一过程称胶体的陈化或老化。胶体成因的矿物和岩石,具有如下特点:①常呈钟乳状、肾状、豆状和鲕状等;②具有贝壳状断口;③吸收性强,常具有粘舌现象;④常呈透镜状、结核状产出。

2.真溶液的搬运和沉积作用

母岩风化产物中溶解度较大的物质,如氯、硫、钾、钠、钙、镁等成分多呈离子状态溶解于水中形成真溶液。真溶液中物质的搬运或沉积,主要决定于可溶物质的溶解度。溶解度大的物质,易于搬运,难于沉积(沉淀)溶解度小的物质则相反。

物质溶解度的大小就其本身来讲与该物质溶度积(Ksp)有关。即当温度为一定时,难溶强电解质溶液中离子浓度之乘积为一常数,此常数称为溶度积,用Ksp表示。当溶液中某物质的离子积达到该物质(化合物)的溶度积大小时,则该物质即可析出。

物质的溶解度除与溶度积有关外,还与介质的pH值、Eh值、温度、压力以及CO含量等一系列因素有关。

1)介质的酸碱度(pH值):pH值除对那些溶解度很大的盐类影响不大外,对大部分溶解物质的沉积都有较显著的影响。但不同物质的溶解度所受pH值的影响不一样,如SiO2的溶解度随pH值的增大而增加;但CaCO3、Fe(OH)3则相反,当介质的pH值增加时,其溶解度反而降低。Al2O3溶解和沉积时所需的pH值情况甚为特殊,它是在pH=4~10的范围内发生沉淀,而当pH值在此数值范围之外时,均呈溶解状而被搬运。各种氧化物与氢氧化物与pH值的关系如图7-2所示。常见金属氢氧化物沉淀时所需的pH值见表7-2。

图7-2 各种氧化物和氢氧化物的溶解度与pH值的关系

(据Lovennan,1969简化)

表7-2 常见的金属氢氧化物沉淀时所需的pH值

2)介质的氧化还原电位(Eh值):介质的Eh值对铁、锰等变价元素的溶解或沉淀影响较大;对铝、硅等元素的影响较微。铁、锰等元素在氧化条件下,易成高价化合物,如Fe2O3(磁铁矿)、MnO2(软锰矿)等,它们的溶解度小,易于沉淀。若在还原和强还原的条件下,铁、锰等变价元素则形成低价化合物,如FeCO3(菱铁矿)、MnCO3(菱锰矿)、FeS2黄铁矿)等,它们的溶解度比高价化合物要大数百倍至数千倍,因而难于沉积而有利于搬运。沉积成因的铁、锰矿物,在不同的氧化还原条件下形成的矿物组合是不同的,利用铁、锰矿物组合的特点,可作为判断沉积环境的氧化还原电位高低的标志。如含铁矿物在Eh值很低的强还原介质或硫化氢存在的环境下,形成黄铁矿、白铁矿;在Eh值较低的弱还原条件、且由于有机物质分解而造成碳酸过多的情况下,往往形成菱铁矿;在出现少量游离氧的弱氧化环境形成海绿石;在游离氧充足的氧化环境下,形成赤铁矿、针铁矿、水针铁矿等。图7-3表示各种铁锰矿物的沉淀与pH值和Eh值的关系及生成时所需的pH值和Eh值。

图7-3 各种铁锰矿物的沉淀与pH值和Eh值的关系

(据克鲁宾及狄瑞尔)

3)介质中的CO2含量:介质中CO2的含量对碳酸盐类矿物的溶解和沉积影响是很大的。如水溶液中CO2的含量增多,则pH值就相应地降低,此时碳酸盐矿物在水中的溶解度就会增大,而不利于沉淀(积)。若水溶液中CO2含量减少,情况则相反。

4)温度:一般说来,温度升高,物质的溶解度增大。但因在地表的条件下,温度变化不大,故其对物质溶解度的影响亦不是很大,最多不过1.5~2倍左右。温度以及蒸发作用对盐类矿物的析出有特殊的影响。由于温度升高,蒸发作用增强使物质的浓度增大,有利于沉积。从另一方面来说,由于温度的升高或降低,能改变化学反应进行的方向。降低温度,有利于化学平衡向放热方向移动,升高温度,有利于化学平衡向吸热方向移动。

5)压力:压力对碳酸盐矿物在水中的溶解度影响也较大。压力较大时,溶液中有较多的CO2使CaCO3变为Ca(HCO32,后者的溶解度较前者高出约一千倍;当压力减少时CO2逸出,Ca(HCO32转变成CaCO3而发生沉淀。碳酸盐岩石地区的石钟乳、石笋以及温泉出口处的泉华都是这样形成的。

3.生物的搬运与沉积作用

在母岩风化产物的搬运与沉积过程中,生物作用同样产生重要的影响。不少的沉积岩和沉积矿床的形成都与生物作用有关,或完全由生物遗体堆积而成。例如:生物灰岩、硅藻岩、白垩、磷块岩、油页岩、煤、石油等。

生物的搬运和沉积作用主要有两种方式:一种是生物的新陈代谢作用,即生物在生活的活动中总要经常不断地从周围介质中吸取一定的物质成分组成其肉体和骨铬,从而把一些元素富集起来,当生物死亡后,其遗体的堆积物就可以形成特殊的岩石或矿床;另一种作用是由于生物作用而引起周围介质条件的改变,从而影响某些物质的搬运和沉积,如由生物作用排出的CO2,对碳酸盐的溶解与沉淀就有很大的影响,又如由生物作用排出的有机酸,可使水介质的pH值变低,从而使氧化铁更易于搬运。

4.沉积分异作用

母岩的风化产物在搬运和沉积的过程中,根据其本身的特性,在外部条件的影响下,按照一定的顺序有规律地分别进行沉积,称为沉积分异作用。

沉积分异作用,按物质沉积的特点,可分机械沉积分异作用和化学沉积分异作用。此外生物作用对沉积分异也有一定的影响。

(1)机械沉积分异作用

母岩风化产物中的碎屑物质,根据其本身的特征——粒度、密度、形状和矿物成分,在重力的影响下,按一定顺序沉积下来的作用,称为机械沉积分异作用。

碎屑物质在被搬运的过程中,首先按粒度进行沉积分异,即沿着搬运方向,碎屑物质按照砾石—砂—粉砂—粘土的颗粒大小顺序,作有规律的带状分布(图7-4)。这种分异的现象,在自然界是屡见不鲜的。如河流及湖、海盆地的沉积物,均表现出从上游至下游,从边缘至中心,按颗粒大小作有规律的带状分布的现象。

在重力作用下,颗粒的沉积速度与它的密度成正比关系,密度大的颗粒沉积快,搬运距离短;密度小的颗粒沉积慢,搬运距离长。因此从同一母岩区搬运来的碎屑物质,在搬运沉积的过程中,出现了按密度大小进行沉积分异的现象。例如金的密度为19g/cm3、黄铁矿的密度为5g/cm3、石英的密度为2.65g/cm3,如果这些矿物都从同一母岩体风化出来,在其他条件基本相同的情况下,它们就会按本身密度的不同,沿搬运方向,依次沉积下来(图7-5)。

图7-4 按粒度大小的分异图解

图7-5 按密度机械分异图解

碎屑颗粒形状的不同也是机械沉积分异作用产生的原因之一。粒状矿物的悬浮能力小,重力对它的影响较大,因而首先沉积,搬运距离较短;片状矿物悬浮能力强,所以沉积较晚,常被搬运至距母岩区较远的地方,故在泥质沉积物中常能发现较大的白云母鳞片。

由矿物成分的不同引起机械沉积分异作用主要表现在那些风化稳定性低的矿物被搬运的距离较短,而那些风化稳定性高的矿物,如白云母、石英等,则可以搬运很远的距离。沉积碎屑岩中的矿物成分一般较母岩的矿物成分简单,就是按矿物成分发生分异的结果。

(2)化学沉积分异作用

母岩风化产物中的溶解物质,在沉积作用过程中,由于各种元素和化合物的溶解度不同,以及介质的酸碱度、浓度、温度等因素的影响,常常依一定顺序沉积下来,这种作用称为化学沉积分异作用。

化学沉积分异作用主要受化合物的溶解度支配。化学性质活泼的元素,溶解度较大的化合物,难于沉淀;化学性质较稳定的元素,溶解度较小的化合物,比较容易从溶液中沉淀出来。普斯托瓦洛夫综合了前人资料,系统研究了化学沉积分异的现象,提出了溶解物质的化学沉积分异顺序的一般模式(图7-6)。这一模式可简化为如下几个阶段,即自盆地岸边至海盆方向沉积次序是:氧化物→硅酸盐→碳酸盐→硫酸盐→卤化物。

在沉积物形成的过程中,不仅有分异作用,同时还有与其相对立的掺合作用。分异作用使物质按粒度、密度、形状、矿物成分和化学成分的不同进行重新的分配和组合,而掺合作用则使成分、性质不同的物质混杂在一起。

物质的掺合作用在自然界中屡见不鲜。例如岩性复杂地区的坡积物,就呈现极其明显的掺合现象。母岩的风化产物在被流水搬运的过程中,由各支流所带来的粒度和成分各不相同的物质,与主流中正在进行分异的物质发生掺合,因而打乱了主流搬运的物质的沉积分异顺序,结果使沉积物的性质变得更加复杂。

图7-6 化学沉积分异图解

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