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元素的赋存状态

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9月 5, 2022 , ,

[拼音]:yuansu de fucun zhuangtai

[英文]:mode of occurrence of elements

元素在其地球化学迁移历史的某个阶段所处的物理化学状态及与共生元素的结合特征。元素赋存状态也称存在形式、相态等。它包括该元素所处在的物态、形成化合物的种类和形式、价态、键态、配位位置等多方面的物理化学特征。因此,元素的赋存状态是化学反应的结果,与作用条件有关。研究元素的自然赋存状态对追踪元素的迁移历史,查明地球化学作用条件有重要意义。根据热力学亚稳态原理,目前所观测到的元素在自然固结相中的赋存状态,大多能反映其形成时的物理化学条件,因此,元素赋存状态有地质成因意义。

有时在一种地质体中一种元素可以出现多种赋存状态,它们之间常有一定联络,处于某种平衡,如花岗岩中类质同象态的Pb与微细分散状 PbS之间处于某种平衡,受岩浆中硫逸度控制。在一些复杂的地质体系中,一种元素的多种赋存状态可能受多种因素影响或多次作用叠加形成,如土壤中的元素呈多种赋存状态共存。

可以从多种角度或不同层次上划分元素的自然赋存状态,地球化学中常遇到的元素的主要赋存状态主要有下面几种:

独立矿物

指形成能够用肉眼或仪器进行矿物学研究的颗粒(粒径大于0.001毫米)。独立矿物属于巨集观独立的相,要求该组分在体系中达到一定的浓度,并有充分条件聚整合颗粒,因此属于集中状态。元素形成独立矿物的能力与其丰度有关。常量元素在地壳中主要以独立矿物形式存在,而微量元素如稀有元素只有总量的极少部分形成独立矿物,而绝大部分处于各种形式的分散状态。元素形成矿物的数目(N)与其原子克拉克值(K)呈正相关关系:

类质同象状态

元素以离子或原子置换形式进入其他元素的晶格,构成固溶体,也称固溶体或结构混入物形式。在一定条件下微量组分进入常量元素晶格,在体系能量上更为有利。因此,在一定浓度范围内微量组分首先形成类质同象固溶体,在给定的温度、压力条件下微量成分浓度和与置换物件离子之间的差异超过一定限度时才能形成微量组分的独立矿物。元素在两种状态之间的分配服从能斯脱分配定律。类质同象属于元素的分散状态,也是一种牢固结合状态,为使两者分离,必须破坏晶格,这一点对元素的活化迁移有重要意义。

超显微包体

元素呈极细小颗粒(粒径<0.001毫米)的独立化合物或其原子和分子存在。又称超显微非结构混入物。主要特征是不进入主要矿物晶格,但又不形成可以进行矿物学研究的颗粒的化合物。因此具有独立的化学性质,一般可应用化学处理的方法使之分离和进行研究。

元素的超显微包体形式可有不同的地质成因:如在岩浆岩特别是喷发巖中呈微细分散的成矿元素的硫化物或氧化物,如黄铁矿、辉钼矿和铀、钍的氧化物,以及呈原子分散状态存在的金、银等。其他如沉积岩中的共沉淀物质、土壤中的微细次生矿物、变质岩中的交代残馀包体等都属此类。一些特例的超显微化合物已被精细观测和研究。

吸附状态

元素以离子或化合物分子形式被胶体颗粒表面、矿物晶面、解理面所吸附,为一种非独立化合物形式。元素以离子态或单独分子存在,又不参加寄主矿物的晶格构造,因此是一种结合力较弱的、易于交换和分离的赋存状态,亦称活性状态。表生粘土矿物、土壤和其他胶体物质对元素的吸附作用最常见,对元素的迁移和富集有重要影响。由于吸附过程存在某种饱和限,因此吸附态导致元素的分散。

与有机质结合的形式

生物和各种有机质除集中了亲生物元素,如碳、氢、氧、氮、硫、磷、钙等外,还吸收大量金属和非金属元素,构成其次要的或微量的元素组分。其主要的结合形式有:金属有机化合物、金属有机络合物或螯合物,以及有机胶体吸附态离子等。这些元素在有机质体系中的存在,无论对有机质的性质和它们的生物功能,以及对元素本身的迁移活动和富集分散都有极重要的影响。

以上为元素在凝固相中的赋存状态。当元素处于流体相中迁移时,其主要活动形式有:气体状态、溶解状态、熔融状态、各种胶体态、悬浮态等。其中溶解态又分为简单离子、复杂离子、络合物、溶解气体、可溶分子等形式。

参考书目

赵伦山、张本仁编著:《地球化学》,地质出版社,北京,1988。

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