1 – Cỏc phản ứng trong quỏ trỡnh phong húa.
Ở điều kiện trờn mặt, nơi ỏp suất và nhiệt độ thấp lại cú nhiều O2, H2O, CO2, cỏc khoỏng vật và cỏc đỏ được thành tạo dưới sõu, trở nờn khụng vững bền, dần dần biến đổi thành hệ mới để phự hợp với điều kiện húa lý mới của mụi trường. Quỏ trỡnh này gọi là quỏ trỡnh phong húa. Kết quả của quỏ trỡnh này là tạo ra vỏ phong húa và lớp thổ nhưỡng trờn cựng. Vỏ phong húa cú thể dày từ vài một đến vài trăm một ( ở vựng khớ hậu núng ẩm ). Cú thể núi rằng ở nước ta phần lớn cỏc mỏ đều nằm dưới hoặc nằm trong cỏc vỏ phong húa. Trong vựng khớ hậu hàn đới hoặc khụ chủ yếu xảy ra phong húa cơ lý. Ở vựng ấm chủ yếu diễn ra phong húa húa học kết hợp với sinh học. Quỏ trỡnh này xảy ra liờn tục trờn mặt thạch quyển, làm biến đổi cỏc đỏ và tạo ra một tổ hợp khoỏng vật mới. Trong phong húa húa học cỏc phản ứng chủ yếu là thủy phõn, hydrat húa, oxy húa và cacbonat húa.
a – Hydrat húa. Thực chất của hydrat húa là sự xõm nhập phõn tử nước và mạng tinh thể của khoỏng vật. vớ dụ:
CaSO4 hydrit−húa→ CaSO42H2O (anhyđrit) (thạch cao)
b – Thủy phõn ( hydrolia ). Là phản ứng giữa cỏc ion H+ và OH- của nước với cỏc ion của khoỏng vật và đỏ. Kết quả của quỏ trỡnh thủy phõn cỏc silicat là thành tạo cỏc keo sili và keo nhụm phức tạp. Khi bị thủy phõn fenfat thành cao linit. Thụng thường thủy phõn kốm theo cacbonat húa:
2KalSi3O8 + 2H2O + CO2 → Al2Si2O5(OH)4 + 4SiO2 + K2CO3
Vai trũ quyết dịnh của quỏ trỡnh thủy phõn là ion hydro (H+). Nú thay thế cỏc kim loại ( K, Na, Ca ) từ alumosilicat và phỏ hủy cấu trỳc tinh thể để tạo nờn tinh thể mới.
c – oxy húa.
Oxy húa là phản ứng húa học trong đú cỏc hợp chất kết hợp với oxy. Mặc dự oxy tự do là một trong những nguyờn tố chủ yếu của khớ quyển, song tỏc dụng trực tiếp của nú lờn cỏc khoỏng vật silicat để làm phõn hủy chỳng khụng đỏng kể. Quan trọng hơn là phản ứng oxy húa xảy ra mạnh mẽ trong mụi trường nước, trong đú oxy tự do được hũa tan. Trong quỏ trỡnh oxy húa thỡ cỏc nguyờn tố đa húa trị nhận húa trị cao: cỏc silicat sắt húa trị 2 khi bị oxy húa chuyển thành cỏc sản phẩm phõn hủy chứa sắt húa trị 3 và thường ngậm nước màu xanh hoặc màu đen của cỏc silicat nguyờn sinh chuyển sang màu đỏ nầu. Quỏ trỡnh oxy húa trong điều kiện tự nhiờn thường là phản ứng thoỏt nhiệt, vớ dụ:
4FeSi3O8 + O2 → 2Fe2O3 + 4SiO2 + 2144KJ
Trong phản ứng trờn năng lượng được thoỏt ra do sắt được giải phúng ra từ cỏc tứ diện của silicat và kết hợp với oxy tạo thành oxyt và cấu trỳc của silicat bị phỏ hủy. Cú thể núi rằng những silicat sắt của đỏ macma là một trong những khoỏng vật dễ bị phong húa nhất. Vai trũ chủ yếu của quỏ trỡnh oxy húa thể hiện ở sự phõn hủy cỏc sunfua tạo ra cỏc sunfat. Cỏc sunfat sắt chủ yếu như pyrotin, pyrit, macazit khi bị oxy húa sẽ tạo ra cỏc sunfat sắt. Trong trường hợp này thỡ oxy húa gắn liền với hydrat húa và thủy phõn. Do năng lượng phỏt ra lớn nờn khi oxy húa cỏc sunfua trong cỏc vỉa than
Quỏ trỡnh oxy húa khụng những gõy tỏc dụng đối với cỏc sunfua nguyờn sinh mà cũn tỏc dụng đối với cỏc sản phẩm bỏn hủy. Chẳng hạn trong diều kiện lớ tưởng quỏ trỡnh oxy húa pyrit xảy ra rất phức tạp:
2FeS2 + 2H2O + 7O2 → 2FeSO4 + 2H2SO4 12FeSO4 + 3O2 + 6H2O → 4Fe2(SO4)3 + 4Fe(OH)3 Sunfua sắt ba dễ bị thủy phõn:
Fe2(SO4)3 + 6H2O → 2Fe(OH)3 + H2SO4 → Fe2O3nH2O + H2SO4 Limonit là sản phẩm cuối cựng của phản ứng trong đới oxy hơn cỏc khoỏng sàng sunfua, tạo nờn những tớch tụ đặc trưng dưới dạng mũ sắt. Limonit là sản phẩm bền vững cuối cựng của sự phõn hủy cỏc khoỏng chứa sắt khỏc. Quỏ trỡnh oxy húa thường xảy ra mạnh ở mụi trường kiềm, xảy ra chậm chạp hơn trong mụi trường axit.
Oxy húa cũn xảy ra mạnh đối với vật chất hữu cơ trong cỏc đỏ và tỏa nhiệt; S + O2 → SO2 – 29 3KJ
SO2 + H2O → H2SO3 2H2SO3 + O2 → 2H2SO4
Hoặc C + O2 → CO2 - 395 KJ
Chớnh H2SO4 ( sản phẩm của phản ứng (+)) là tỏc nhõn quan trọng gõy nờn sự biến đổi cỏc đỏ. Chẳng hạn nú tạo ra thạch cao khi tỏc dụng với đỏ vụi.
CaCO3 + H2SO4 + 2H2O → CaSO4 .2H2O + H2SO3 d – cacbonat húa.
Quỏ trỡnh này là sự tỏc dụng tương hỗ giữa cỏc anion [CO3]2- và [HCO3]1- với cỏc đỏ và cỏc khoỏng vật. Tỏc dụng này là một trong những yếu tố chớnh của quỏ trỡnh phong húa. Dưới tỏc dụng của quỏ trỡnh cacbonat húa cỏc khoỏng vật bị hũa tan từng phần hoặc toàn bộ cỏc cation kim loại chuyển vào cacbonat. Axit cacbonic hũa tan cỏc cacbonat của kim loại húa trị 2: Ca2+, Mg2+, Fe2+ ( trong nước chứa CO2 độ hũa tan của chỳng tăng lờn chục lần ). Ca, Mg, Fe chuyển vào dung dịch dưới dạng bicacbonat Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2, Fe(HCO3)2, cacbonat canxi dễ hũa tan hơn cacbonat magie.
Dưới tỏc dụng của axit cacbonic, đỏ vụi bị hũa tan theo phản ứng sau: CaCO3 + H2CO4 → Ca(HCO3)2
Bicacbonat canxi chuyển vào dung dịch
Sự thủy phõn cỏc silicat thường kốm theo tỏc dụng của axit cacbonic. Do tỏc dụng đồng thời của hai nhõn tố trờn, cỏc silicat bị mất cỏc nguyờn tố kiềm và kiềm thổ để chuyển vào dung dịch cacbonat. Như vậy trong dung dịch cú thờm những silicat của cỏc nguyờn tố kiềm và oxyt silic, tại chỗ chỉ cũn cỏc hydroxit khú hũa tan như hydroxit nhụm, sắt, mangan.
Về phương diện địa chất, quan trọng hơn cả là quỏ trỡnh phong húa cỏc fenfat – những khoỏng chất chớnh của thạch quyển.
K2Al2Si6O16 + 2H2O + CO2 → H2Al2Si2O6.H2O + K2CO + 4SiO2 (octola) ( Caolinit )
Caolinit được giữu lại trong vỏ phong húa, cacbonat kali chuyển hoàn toàn vào dung dịch. Quỏ trỡnh trờn gọi là quỏ trỡnh caolinit húa.
Quỏ trỡnh phõn hủy anoclit hơi khỏc:
Ca2Al2Si6O16 + 2H2O + CO2 → H2Al2Si2O8 + CaCO3
Với sự tham gia của axit cacbonic, liolit cũng bị phõn giải thành khoỏng vật sột, bicacbonat kali, bicacbonat magie, limonit và SiO2.
2KMg2Fe(OH)2AlSi3O11 + 10H2CO3 + nH2O + O2 → Al2(OH)2Si4O11 + +2KHCO3 + 4Mg(HCO3)2 + Fe2O3H2O + SiO2 + 6H2O
Quỏ trỡnh phõn hủy pyroxen ( điopxit ) cú thể biểu diễn bằng phản ứng sau: Ca(Mg,Fe)Si2O6 +2H2O + 2CO2 → 2H2SiO3 + CaCO3 + (Mg,Fe)CO3 Một quỏ trỡnh thủy phõn khỏc cú sự tham gia của axit cacbonic là quỏ trỡnh secpentin húa cỏc silicat sắt, manhờ đặc biệt là ụlivin.
2Mg2SiO2 + CO2 + 2H2O→ H4Mg3Si2O9 + MgCO3 → Mg3(OH)4[Si2O5] ( ụlivin ) MgCO3 manhezit Secpentin Secpentin húa cũn cú thể xảy ra dưới tỏc dụng của dung dịch cú nguồn gốc macma chưa cacbonic. Quỏ trỡnh caolionit húa cũng cú thể cú nguồn gốc dưới sõu.
Quỏ trỡnh clorit húa cũng là một quỏ trỡnh phổ biến của phong húa húa học, trong đú cỏc silicat Fe, Mg, liolit, Ogit, hocblen chuyển thành Clorit – Silicat sắt-magie, nhụm ngậm nước. Trong trường hợp này cỏc kim loại kiềm và canxi chuyển vào dung dịch dưới dạng cacbonat, sắt cũn lại ở dạng limonit.
2 – Sự di chuyển của cỏc nguyờn tố trong quỏ trỡnh phong húa.
Qỳa trỡnh phong húa cú thể được phõn loại theo sản phẩm phong húa. Cỏc sản phẩm này là thước đo của mức độ phong húa và nú tựy thục vào điều kiện khớ hậu và thành phần đỏ gốc.
Tất cả cac sản phẩm phong húa cú thể được chia làm hai loại: hũa tan và khụng hũa tan. Cỏc sản phẩm khụng tan là hydroxit sắt và nhụm dược gọi là laterit. Nếu giàu nhụm gọi là boxit latarit. Sản phẩm này thường gặp ở đới cú khớ hậu nngs ẩm. Ở cỏc đới khớ hậu khỏc cỏc sản phẩm cuối cựng khụng tan cú thành phần khỏc. Bởi vậy khớ hậu là yếu tố quyết định đến sản phẩm và tốc độ phong húa. Thành phần của cỏc đỏ gúc cung đúng vai trũ quan trọng. Thứ tự chung của cỏc khoỏng vật phổ biến theo mức độ phong húa như sau:
1. Canxit 7. Plagicola axit 2. Đụlụnit 8. Octocla 3. Cỏc funfat 9. Biotit
4. Pyroxen, amfibol 10. Thạch anh, mutcovit, andaluzit 5. Secpentin, epidot 11. Apatit, manhetit
Để đỏnh giỏ độ linh động của cỏc nguyờn tố Polunop đó so sỏnh thành phần của nước với thành phần đỏ gốc mà nước chảy qua. ễng gọi đú là hệ số di chuyển và biểu diễn bằng cụng thức sau: Kx = x x n a m . 100 .
Kx – hệ số di chuyển của nguyờn tố
mx – hàm lượng của nguyờn tố x trong suối (g/l)
a – Tổng lượng khoỏng húa trong nước sụng hoặc suối
nx – hàm lượng trung bỡnh của nguyờn tố x trong đỏ ở thung lũng sụng hoặc suối. Từ cụng thức trờn rừ ràng thấy rằng Kx càng lớn thỡ nguyờn tố càng di chuyển mạnh. Dựa vào hệ số di chuyển, cỏc nguyờn tố được chia thành cỏc nhúm (bảng VIII- 1) Bảng VIII-1 Nhúm nguyờn tố Hệ số di chuyển (K) 1000 100 10 1 0,1 0,01 0,001 Di chuyển mạnh Cl, Br, I, S Dễ di chuyển Ca, Mg, Na F, Sr, Zn Linh động Cu, Ni Mn, Co Si, P Khụng di động
Fe, Al, Se, In, Cr, V, Tr Zr, Hf, Nb, Ta, Rn, Rb
Rd, Re, Os, Pt, Sn Hệ số di chuyển cũng cú thể tớnh theo phương phỏp dung trọng:
Kx =
n N
N: hàm lượng của oxyt kim loại trong đỏ gốc g/cm3
n: hàm lượng của oxyt kim loại trong đới phong húa g/cm3 N được tớnh theo cụng thức sau:
N =
100
P
% P: hàm lượng của ụxy theo % của mẫu
Bằng cụng thức trờn ta cú thể tớnh được lượng mang đi hoặc mang đến của cỏc nguyờn tố trong quỏ trỡnh phúng húa.
Dựa vào trụ số Kx ( theo phương phỏp dung trọng ) chia ra cỏc nhúm nguyờn tố sau: Cỏc nguyờn tố được mang sang đi mạnh Kx: 5 – 15
Cỏc nguyờn tố mang đi ớt Kx: 1,5 – 5 Cỏc nguyờn tố khụng mang đi hoặc mang đến Kx: 1,1 – 1,5 Cỏc nguyờn tố mang đến ớt Kx: 0,9 – 1,1 Cỏc nguyờn tố mang đến nhiều Kx: 0,9
Một trong những đại lượng ảnh hưởng đến sự mang đi cỏc nguyờn tố trong quỏ trỡnh phong húa là thể ion được biểu thị bằng tỉ số a/r ( a: húa trị cỏc ion, r: bỏn kớnh ion ).
Hóy khảo sỏt hiện tượng này qua biểu đồ r – (hỡnh VIII-2 )
1 2 3 4 5 6 w 0,5 1 1,5 P (n.10 cm) .Rb Si .K .Na .Li .Ba .Pb .Sr .Ca .Mn .Cu .Mg .Fe .La .La .Y .Sc .V .Fe .Cs .Ge .Al .Th .Hf .Sr .Sn .Mn .Ti .Nb .P .N .C w/2=12 .C
Các phức anion hòa tan
Các nguyên tố l ỡng tính Các nguyên tố chuyển tiếp w/2 = 9,5 w/2 = 3 -8 .Mo
Hỡnh VIII – 2 : Ảnh hưởng của thể ion đến dự di chuyển cỏc nguyờn tố (A. Tugarinov 1973)
Trờn đồ thị theo hoành độ biểu thị húa trị của cỏc ion ( điện tớch cỏc ion ), trờn trục tung ghi giỏ trị bỏn kớnh ion.
Cỏc đường thẳng trờn đồ thị cú giỏ trị nhất định, đú là cỏc đường α /r = 3,0; α /r = 9,5 và α /r = 12. Chỳng chia trường đồ thị thành cỏc phần khỏc nhau. Trong từng phần chứa những ion cú hành vi khỏc nhau trong quỏ trỡnh phong húa húa học.
Ứng với vựng cúα /r 3,0 gồm cỏc cation dễ chuyển thành dung dịch trong nước tự nhiờn. Nhúm tiếp theo cú thể ion từ 3,0 + 12 thường bị giữ lại dưới dạng cỏc hợp chất bị thủy phõn, khú tan. Nhúm cuối cựng cú α /r 12 thường kết hợp với oxy tạo nờn
Dựa vào thể ion người ta cú thể đoỏn biết hành vi của cỏc nguyờn tố trong quỏ trỡnh phon húa húa học, từ đú đỏnh giỏ được mức độ tập trung hõy phõn tỏn trong cỏc sản phẩm phong húa. Điều đú cú ý nghĩa lớn đối với tỡm kiếm. Rừ ràng là giữa cỏc trị số thể ion và dóy di chuyển cú sự phụ thuộc nhất định.