地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)

前言

《地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)》是一本為研究生和高年級(jí)本科生撰寫(xiě)的教科書(shū)。本書(shū)以我在密歇根大學(xué)執(zhí)教的“地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)”課程為基礎(chǔ)，其目的是全面介紹地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的原理和理論。地球化學(xué)工作者也可以將本書(shū)作為標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)。地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)起源于化學(xué)動(dòng)力學(xué)，因此前人常僅視之為化學(xué)動(dòng)力學(xué)在地質(zhì)研究中的應(yīng)用。然而，恰似地球化學(xué)源于化學(xué)但又有別于化學(xué)，過(guò)去數(shù)十年來(lái)地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)也開(kāi)始有別于化學(xué)動(dòng)力學(xué)，具體表現(xiàn)在三個(gè)方面：①化學(xué)動(dòng)力學(xué)只研究正演問(wèn)題，而地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)還著眼于反演問(wèn)題，如通過(guò)地質(zhì)年代學(xué)、熱年代學(xué)和地質(zhì)速率計(jì)測(cè)定巖石年齡和熱演化史。②化學(xué)動(dòng)力學(xué)一般只研究等溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)常常需要處理變溫條件下的動(dòng)力學(xué)，如冷卻過(guò)程中的反應(yīng)和擴(kuò)散。③化學(xué)動(dòng)力學(xué)強(qiáng)調(diào)均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)家更多地研究多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。應(yīng)地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的需求已經(jīng)產(chǎn)出了眾多的論文、專集和著作。華盛頓卡內(nèi)基學(xué)院曾舉辦了一次關(guān)于地球化學(xué)遷移和動(dòng)力學(xué)的會(huì)（Hofmann，etaI，1974）。美國(guó)礦物學(xué)會(huì)組織了關(guān)于地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的短期課程（Lasaga andKirkpatrick，1981）。然而這些早期相關(guān)著作未能系統(tǒng)地涵蓋本學(xué)科的主題。其后Lasaga（1998）發(fā)表了首部地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)專著Kinetic Thg0ry in theEarth sciences（《地球科學(xué)中的動(dòng)力學(xué)理論》）。相較之下本書(shū)著重于地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的“地球”面向，而淡化了某些化學(xué)面向。例如，本書(shū)詳盡闡釋了地球化學(xué)反演問(wèn)題，包括了地質(zhì)年代學(xué)、熱年代學(xué)（一種越來(lái)越重要的地球化學(xué)工具）和地質(zhì)速率計(jì)（例如基于均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的地質(zhì)速率計(jì)，包括有序一無(wú)序反應(yīng)）。反之，本書(shū)對(duì)過(guò)渡態(tài)理論只作了扼要介紹。本書(shū)和Lasaga的著作（1998）在涵蓋范圍和組織架構(gòu)方面還有許多不同之處（例如本書(shū)章末附有習(xí)題，在書(shū)后還有部分習(xí)題的參考答案）。此外，本書(shū)包括了Lasaga的著作（1998）出版之后的研究進(jìn)展。本書(shū)力圖涵蓋地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的所有基本理論。盡管本書(shū)含有若干天文和常溫反應(yīng)的實(shí)例，但大部分的深入闡述來(lái)自高溫地球化學(xué)范疇。這種不對(duì)稱是由于我的主要研究方向?yàn)楦邷氐厍蚧瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)。本書(shū)架構(gòu)如下：地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)綜述、均相反應(yīng)、物質(zhì)遷移（包括擴(kuò)散和對(duì)流）、多相反應(yīng)和反演問(wèn)題。均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在概念上和數(shù)學(xué)處理上比較簡(jiǎn)單，只需要解常微分方程。

內(nèi)容概要

　　本書(shū)從理論和應(yīng)用方面系統(tǒng)地闡述了地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)——化學(xué)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于地質(zhì)問(wèn)題的學(xué)科。本書(shū)既介紹了化學(xué)動(dòng)力學(xué)的基本理論和應(yīng)用，也詳盡地總結(jié)了地球化學(xué)工作者提出的各種理論和應(yīng)用，尤其是高溫地球化學(xué)方面的理論，如變溫動(dòng)力學(xué)和反演理論。其中的反演理論包括了地質(zhì)年代學(xué)（同位素定年）、熱年代學(xué)（反演溫度一時(shí)間歷史）和地質(zhì)速率計(jì)（推測(cè)冷卻速率）。本書(shū)的第一章在基礎(chǔ)水平上綜述了地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的整個(gè)研究領(lǐng)域，其后各章分別針對(duì)均相反應(yīng)、物質(zhì)遷移、多相反應(yīng)，以及反演問(wèn)題闡釋了理論和應(yīng)用?！　”緯?shū)的大多數(shù)例子取自高溫地球化學(xué)研究，也有一些例子取自天文學(xué)和環(huán)境科學(xué)。本書(shū)還提供了附錄、章末習(xí)題以及豐富的參考文獻(xiàn)。讀者最好具備簡(jiǎn)單微分方程、線性代數(shù)和熱力學(xué)（本科物理化學(xué)課程水平）的基本知識(shí)。本書(shū)是所有對(duì)地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題感興趣的學(xué)生和學(xué)者的珍貴資源。

書(shū)籍目錄

插圖一覽表格一覽符號(hào)表物理常數(shù)第1章 簡(jiǎn)介和綜述　1.1 熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)　1.2 化學(xué)動(dòng)力學(xué)與地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)　1.3 均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)　　1.3.1 反應(yīng)進(jìn)度參數(shù)}　　1.3.2 基元反應(yīng)與總反應(yīng)　　1.3.3 反應(yīng)的分子數(shù)　　1.3.4 反應(yīng)速率定律、反應(yīng)速率常數(shù)和反應(yīng)級(jí)數(shù)　　1.3.5 不同級(jí)數(shù)反應(yīng)的濃度演化　　1.3.6 反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度的變化：阿倫尼烏斯方程　　1.3.7 變溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)　　1.3.8 更復(fù)雜的均相反應(yīng)　　1.3.9 確定反應(yīng)速率定律、反應(yīng)速率常數(shù)和反應(yīng)機(jī)制　1.4 物質(zhì)遷移和熱傳遞　　1.4.1 擴(kuò)散　　1.4.2 對(duì)流　1.5 多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)　　1.5.1 控制因素和“反應(yīng)定律”　　1.5.2 多相反應(yīng)中的步驟　1.6 反應(yīng)速率常數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)的溫度和壓力效應(yīng)　　1.6.1 碰撞理論　　1.6.2 過(guò)渡態(tài)理論　1.7 反演問(wèn)題　　1.7.1 冷卻過(guò)程中的反應(yīng)和擴(kuò)散　　1.7.2 地質(zhì)年代學(xué)、封閉年齡和熱年代學(xué)　　1.7.3 地質(zhì)溫度計(jì)、表觀平衡溫度和地質(zhì)速率計(jì)　　1.7.4 兩相或多相交換反應(yīng)的地質(zhì)速率計(jì)　　1.7.5 小結(jié)　1.8 附注　　1.8.1 動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中所需要的數(shù)學(xué)　　1.8.2 揭開(kāi)一些似乎違反熱力學(xué)的反應(yīng)之謎　　1.8.3 其他“似是而非”之謎　　1.8.4 對(duì)未來(lái)研究的展望　習(xí)題第2章 均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)　2.1 可逆反應(yīng)　　2.1.1 一級(jí)可逆反應(yīng)的濃度演化　　2.1.2 二級(jí)可逆反應(yīng)的濃度演化　　2.1.3 冷卻過(guò)程中的可逆反應(yīng)　　2.1.4 斜方輝石中的Fe-Mg有序一無(wú)序反應(yīng)　　2.1.5 流紋巖漿中水的種型反應(yīng)　2.2 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)　　2.2.1 放射性衰變系列　　2.2.2 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)導(dǎo)致的負(fù)活化能　　2.2.3 臭氧的熱分解　2.3 平行反應(yīng)　　2.3.1 水溶液中Fe2+Fe3+間的電子轉(zhuǎn)移　　2.3.2 溶解的C02形成碳酸氫根　　2.3.3 氫的核燃燒　2.4 特殊主題　　2.4.1 臭氧的光化學(xué)合成和分解與臭氧層空洞　　2.4.2 受擴(kuò)散控制的均相反應(yīng)　　2.4.3 ?；D(zhuǎn)變　習(xí)題第3章 物質(zhì)遷移：擴(kuò)散和對(duì)流第4章 多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)第5章 反演問(wèn)題：地質(zhì)年代學(xué)、熱年代學(xué)和地質(zhì)速率計(jì)附錄習(xí)題答案參考文獻(xiàn)索引

章節(jié)摘錄

插圖：地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)可以被認(rèn)為是化學(xué)動(dòng)力學(xué)在地球科學(xué)中的應(yīng)用，從化學(xué)中移植了很多概念和理論。雖然兩者從根本上說(shuō)非常相似，但地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)的區(qū)別至少體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）化學(xué)工作者一般只研究正演問(wèn)題，即在一組給定條件下（溫度、壓力、初始條件等）體系將會(huì)如何變化。而地球化學(xué)工作者不單致力于正演問(wèn)題，而且對(duì)從產(chǎn)物（常為巖石）推斷初始條件和歷史（包括巖石的年齡、峰期溫度和壓力、溫度和壓力歷史、初始同位素比值以及礦物的初始成分）的反演問(wèn)題也很感興趣。如果某反應(yīng)的進(jìn)度僅取決于時(shí)間而與溫度或壓力都不相干（如放射性衰變和生長(zhǎng)），那么就可以用該反應(yīng)推測(cè)年齡（地質(zhì)年代學(xué)）。如果反應(yīng)的進(jìn)度還取決于溫度（如化學(xué)反應(yīng)或放射成因子同位素的擴(kuò)散丟失），該反應(yīng)則可被用作地質(zhì)溫度計(jì)或冷卻速率指示計(jì)（地質(zhì)速率計(jì)）。如果反應(yīng)的進(jìn)度取決于壓力，該反應(yīng)則可被用作地質(zhì)壓力計(jì)（由于化學(xué)反應(yīng)的速率一般與壓力關(guān)系不大，減壓速率指示計(jì)的發(fā)展非常有限）。概括來(lái)講，地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)中的反演問(wèn)題包括建立在放射性衰變和生長(zhǎng)之上的地質(zhì)年代學(xué)，建立在放射成因子同位素的生長(zhǎng)和擴(kuò)散丟失之上的熱年代學(xué)，和建立在與溫度相關(guān)的反應(yīng)速率之上的地質(zhì)速率計(jì)研究。

媒體關(guān)注與評(píng)論

“很少有學(xué)術(shù)著作如這本書(shū)般雅致地為每一問(wèn)題提出了多種解決方案。我從中發(fā)現(xiàn)了低溫地球化學(xué)文獻(xiàn)或教科書(shū)中所沒(méi)有的新觀點(diǎn)、新例子和數(shù)學(xué)處理方法。閱讀過(guò)程令人感到愉快。”　　——Martial Talllererc（美國(guó)佐治亞理工學(xué)院）“地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)》的內(nèi)容均衡地涵蓋了多領(lǐng)域地球化學(xué)研究者所關(guān)注的各種課題。理論學(xué)家、實(shí)驗(yàn)學(xué)家和野外工作者都會(huì)從中受益?！薄　　狫amesKubickl（美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)）“這是一本非常優(yōu)秀的教科書(shū)，我推薦給所有想了解地球化學(xué)的動(dòng)力學(xué)方向的人。……章末精心準(zhǔn)備的生動(dòng)習(xí)題便于教學(xué)?！薄　　猅erry M Se'arard（瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等理工學(xué)院）Elements  “地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)》內(nèi)容廣泛，計(jì)算嚴(yán)格，敘述生動(dòng)，而且非常實(shí)用?！薄　　狹ichael A Velbel（美國(guó)密歇根州立大學(xué)）Physics Today 本書(shū)作者張有學(xué)（Youxue-Zhang）是美國(guó)密歇根大學(xué)的地質(zhì)學(xué)教授。

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《地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)》是由高等教育出版社出版的。

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