[ Pobierz całość w formacie PDF ]
etÊal.Ê(1994)ÊhaveÊpointedÊoutÊthatÊsuchÊanÊassumptionÊisÊnaive.ÊÊLetÕsÊconsiderÊtheÊ progressÊofÊtheÊ re-
actionÊalongÊpathÊA«-F«ÊfromÊaÊ kineticÊ perspective,Ê butÊweÊfollowÊ theÊ reactionÊ withÊ aÊ reactionÊ prog-
ressÊvariable,ʾ ,ÊwhichÊweÊdefineÊasÊtheÊnumberÊofÊmolesÊofÊfeldsparÊconsumed.ÊÊFigureÊ13.10ÊisÊ aÊ reac-
tionÊprogessÊdiagramÊ showingÊtheÊ numberÊofÊmolesÊofÊsecondaryÊmineralÊ producedÊasÊaÊ functionÊofʾ ,
underÊtheÊassumptionÊthatÊequilibriumÊbetweenÊsolutionÊandÊsecondaryÊmineralsÊ isÊ fast.Ê ÊGibbsiteÊ ini-
576 JanuaryÊ25,Ê1998
W. M. W hit e Geochemistry
Chapter 13: Weathering, Soils, and Stream Chemistry
tiallyÊ increases,Ê thenÊ beginsÊ toÊ de-
-3
creaseÊjustÊasÊtheÊ stabilityÊ boundary
isÊreachedÊ asÊ kaoliniteÊ beginsÊtoÊap-
pear.Ê ÊThereÊ isÊ aÊ onlyÊlimitedÊ region
-4
whereÊ bothÊ gibbsiteÊ andÊ kaolinite
areÊpresentÊ(correspondingÊtoÊpathÊ B -
-5
CÊonÊFigureÊ13.9).ÊÊOnceÊtheÊ boundary
isÊpast,ÊonlyÊkaoliniteÊisÊpresent.
Ê NowÊ letÕsÊ assumeÊ thatÊ reaction
-6
ratesÊareÊnotÊinfinitelyÊ fast,Ê butÊthat
theÊ rateÊ ofÊeachÊ reaction,Ê i,Ê depends
onÊ theÊ extentÊ ofÊ disequilibriumÊ and
-7
canÊbeÊdescribedÊbyÊtheÊequation:
=
13.25
!i ki "Gi
-8
RT
whereÊÊ! ÊisÊtheÊreactionÊrate,ÊkÊisÊthe
rateÊconstantÊthatÊ includesÊaÊ mineral
-9
surfaceÊareaÊperÊmassÊterm,ÊandÊÆGÊis
theÊ affinityÊ ofÊ theÊ reaction.Ê Ê This
-10
wouldÊ beÊ theÊ caseÊ ifÊ eachÊ reaction
behavedÊ asÊ anÊ elementaryÊ one -6 -5 -4 -3
(compareÊequationÊ5.78).Ê ÊWeÊ further
Log ¾
assumeÊthatÊtheÊvalueÊofÊkÊisÊ10Êtimes
Figure13.10.ÊÊReactionÊprogressÊdiagramÊshowingÊtheÊnumberÊof
asÊ largeÊ forÊ theÊ precipitationÊ of
molesÊofÊgibbsiteÊandÊkaoliniteÊproducedÊasÊaÊ functionÊofʾ ,Êthe
gibbsiteÊ andÊ kaolinteÊ asÊ forÊ feldpar
numberÊofÊmolesÊofÊfeldsparÊconsumed.ÊÊThisÊ isÊ theÊ equilibrium
dissolution.Ê Ê TheÊ activity-activity
caseÊassumingÊinfinitelyÊfastÊequilibriumÊbetweenÊtheÊ solution,
andÊreactionÊ progressÊ diagramsÊ com-
gibbsite,ÊandÊkaolinite.ÊÊAfterÊLasagaÊetÊal.Ê(1994).
putedÊ byÊ LasagaÊ etÊ al.Ê (1994)Ê under
theseÊassumptionsÊareÊshownÊinÊFigureÊ13.11.ÊÊTheÊactivity-activityÊdiagramÊisÊsimilarÊtoÊthatÊinÊFig-
ureÊ13.9,ÊalthoughÊthereÊisÊalmostÊnoÊverticalÊpathÊalongÊtheÊ gibbsite-kaoliniteÊ boundary.ÊÊTheÊ reac-
tionÊprogressÊdiagram,Ê however,Ê isÊ quiteÊdifferent.Ê ÊWeÊ seeÊthatÊ gibbsiteÊ andÊ kaoliniteÊ nowÊcoexist
overÊaÊwideÊregion.ÊÊThisÊ isÊ aÊ simpleÊ consequenceÊofÊassumingÊfiniteÊ ratesÊ forÊtheÊ precipitationÊ reac-
tions.ÊÊThusÊitÊisÊnotÊsurprsingÊthatÊVelbelÊ(1985a,b)ÊfoundÊthatÊgibbsiteÊandÊkaoliniteÊ coexistedÊinÊthe
weatheringÊprofileÊevenÊthoughÊtheÊstreamÊcompositionsÊplotÊwithinÊtheÊkaolinite-onlyÊfield.
Factors Controlling Weathering Rates
AsÊweÊstatedÊatÊtheÊoutsetÊofÊthisÊsection,ÊunderstandingÊtheÊcontrolsÊonÊweatheringÊ ratesÊ isÊofÊgreat
interestÊtoÊgeochemists,ÊprimarilyÊbecauseÊofÊtheÊ roleÊweatheringÊ playsÊ asÊaÊsinkÊforÊCO2.ÊÊLetÕsÊnow
considerÊtheÊfactorsÊthatÊcontrolÊweatheringÊrates.ÊÊLasagaÊetÊal.Ê (1994)ÊhaveÊ proposedÊtheÊ following
generalÊformÊforÊtheÊnetÊrateÊlawÊforÊweatheringÊreactions:
! =Amink0e EA/RTan ami’("Gr)
13.26
H+ i i
whereÊAminÊisÊtheÊmineralÊsurfaceÊarea,ÊkeÐEA/RTÊexpressesÊtheÊusualÊdependenceÊofÊtheÊrateÊonÊtempera-
i
tureÊandÊactivationÊenergyÊ(EA),Êa ÊexpressesÊtheÊ dependenceÊonÊpHÊtoÊsomeÊpowerÊn,ÊtheÊ termsÊ am
i
H+
representÊpossibleÊcatalyticÊorÊinhibitoryÊeffectsÊofÊotherÊions,ÊandÊÄ(ÆGr)ÊexpressesÊtheÊ dependenceÊof
theÊ reactionÊ rateÊ onÊ theÊ extentÊ ofÊ dissequilibrium.Ê Ê AsÊ LasagaÊ etÊ al.Ê (1994)Ê andÊ theÊ preceeding
disucssionÊemphasize,ÊanyÊanalysisÊofÊweatheringÊratesÊmustÊtakeÊaccountÊofÊtheÊratesÊ ofÊformationÊof
secondaryÊmineralsÊ asÊwellÊ asÊtheÊ dissolutionÊofÊprimaryÊ ones.ÊÊThereÊ is,Ê however,Ê lessÊdataÊ onÊ the
formerÊthanÊtheÊlatter.ÊÊThisÊequation,ÊwhichÊcanÊbeÊappliedÊtoÊboth,ÊprovidesÊaÊusefulÊpointÊofÊdepar-
577 JanuaryÊ25,Ê1998
gib
kaol
Log N
,
N
kaolinite
gibbsite
W. M. W hit e Geochemistry
Chapter 13: Weathering, Soils, and Stream Chemistry
tureÊforÊourÊdiscusssion.ÊÊLetÕsÊconsiderÊeachÊ ofÊthese
termsÊinÊtheÊ natural,Ê ratherÊ thanÊ laboratory,Ê con-
K-feldspar
6
text.
TheÊmineralÊsurfaceÊarea,ÊorÊmoreÊaccurately,Ê the
areaÊofÊmineralÊsurfaceÊinÊcontactÊwithÊ reactiveÊ so-
"
lutionÊ(ground,ÊsoilÊwater),ÊentersÊtheÊ equationÊasÊa
4
D
simpleÊ linearÊ term:Ê theÊ greaterÊ theÊ surfaceÊ area,
theÊ greaterÊ theÊ reactionÊ rate.Ê Ê TwoÊ factorsÊ inÊ par-
Gibbsite
ticularÊwillÊcontrolÊsurfaceÊarea:Ê(1)ÊrainfallÊandÊ(2)
theÊrateÊofÊphysicalÊweatheringÊandÊerosion.
2
WhereÊ rainfallÊ isÊ insufficientÊ toÊcontinuallyÊ wet
allÊgrainÊsurfaces,ÊtheÊrateÊ ofÊchemicalÊ weathering
Kaolinite
willÊ beÊ lower.Ê Ê ThusÊ inÊ aridÊ regions,Ê chemical
A
"
0 weatheringÊisÊslow.ÊÊInÊsomeÊcases,ÊthisÊ alsoÊ results
inÊlowÊerosionÊrates.ÊÊInÊothers,Ê whereÊ highÊ ratesÊ of
erosionÊresultÊfromÊhighÊ relief,Ê glaciation,Ê orÊ some
-6 -4
-8 -2
otherÊ factor,Ê muchÊ ofÊ theÊ materialÊ beingÊ removed
Log a
H4SiO4
willÊbeÊfreshÊrockÊratherÊthanÊweatheringÊ products.
TheÊ relationshipÊ betweenÊ precipitationÊ and
weatheringÊ isÊ notÊ simple,Ê however.Ê Ê BluthÊ and
-4
KumpÊ(1994)Ê examinedÊchemicalÊ weatheringÊ rates
(usingÊ concentrationsÊ ofÊ bicarbonateÊ andÊ SiO2Ê in
streamsÊasÊproxiesÊforÊtheseÊ rates)Ê andÊ foundÊ that
[ Pobierz całość w formacie PDF ]