《地球化學(xué)動力學(xué)》從理論和應(yīng)用方面系統(tǒng)地闡述了地球化學(xué)動力學(xué)——化學(xué)動力學(xué)應(yīng)用于地質(zhì)問題的學(xué)科!兜厍蚧瘜W(xué)動力學(xué)》既介紹了化學(xué)動力學(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)(反演溫度一時間歷史)和地質(zhì)速率計(推測冷卻速率)。《地球化學(xué)動力學(xué)》的一章在基礎(chǔ)水平上綜述了地球化學(xué)動力學(xué)的整個研究領(lǐng)域,其后各章分別針對均相反應(yīng)、物質(zhì)遷移、多相反應(yīng),以及反演問題闡釋了理論和應(yīng)用。
《地球化學(xué)動力學(xué)》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)!兜厍蚧瘜W(xué)動力學(xué)》還提供了附錄、章末習(xí)題以及豐富的參考文獻(xiàn)。讀者好具備簡單微分方程、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。《地球化學(xué)動力學(xué)》是所有對地球化學(xué)動力學(xué)問題感興趣的學(xué)生和學(xué)者的珍貴資源。
“很少有學(xué)術(shù)著作如這本書般雅致地為每一問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)或教科書中所沒有的新觀點、新例子和數(shù)學(xué)處理方法。閱讀過程令人感到愉快!
——Martial Talllererc(美國佐治亞理工學(xué)院)
“地球化學(xué)動力學(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、實驗學(xué)家和野外工作者都會從中受益!
——JamesKubickl(美國賓夕法尼亞州立大學(xué))
“這是一本非常優(yōu)秀的教科書,我推薦給所有想了解地球
《地球化學(xué)動力學(xué)》是一本為研究生和高年級本科生撰寫的教科書。本書以我在密歇根大學(xué)執(zhí)教的“地球化學(xué)動力學(xué)”課程為基礎(chǔ),其目的是全面介紹地球化學(xué)動力學(xué)的原理和理論。地球化學(xué)工作者也可以將本書作為標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)。
地球化學(xué)動力學(xué)起源于化學(xué)動力學(xué),因此前人常僅視之為化學(xué)動力學(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),過去數(shù)十年來地球化學(xué)動力學(xué)也開始有別于化學(xué)動力學(xué),具體表現(xiàn)在三個方面:①化學(xué)動力學(xué)只研究正演問題,而地球化學(xué)動力學(xué)還著眼于反演問題,如通過地質(zhì)年代學(xué)、熱年代學(xué)和地質(zhì)速率計測定巖石年齡和熱演化史。②化學(xué)動力學(xué)一般只研究等溫反應(yīng)動力學(xué),而地球化學(xué)動力學(xué)常常需要處理變溫條件下的動力學(xué),如冷卻過程中的反應(yīng)和擴散。③化學(xué)動力學(xué)強調(diào)均相反應(yīng)動力學(xué),而地球化學(xué)動力學(xué)家更多地研究多相反應(yīng)動力學(xué)。
應(yīng)地球化學(xué)動力學(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)遷移和動力學(xué)的會(Hofmann,etaI,1974)。美國礦物學(xué)會組織了關(guān)于地球化學(xué)動力學(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)動力學(xué)的系統(tǒng)專著Kinetic Thg0ry in theEarth sciences(《地球科學(xué)中的動力學(xué)理論》)。相較之下本書著重于地球化學(xué)動力學(xué)的“地球”面向,而淡化了某些化學(xué)面向。例如,本書詳盡闡釋了地球化學(xué)反演問題,包括了地質(zhì)年代學(xué)、熱年代學(xué)(一種越來越重要的地球化學(xué)工具)和地質(zhì)速率計(例如基于均相反應(yīng)動力學(xué)的地質(zhì)速率計,包括有序一無序反應(yīng))。反之,本書對過渡態(tài)理論只作了扼要介紹。本書和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(例如本書章末附有習(xí)題,在書后還有部分習(xí)題的參考答案)。此外,本書包括了Lasaga的著作(1998)出版之后的研究進(jìn)展。
本書力圖涵蓋地球化學(xué)動力學(xué)的所有基本理論。盡管本書含有若干天文和常溫反應(yīng)的實例,但大部分的深入闡述來自高溫地球化學(xué)范疇。這種不對稱是由于我的主要研究方向為高溫地球化學(xué)動力學(xué)。
本書架構(gòu)如下:地球化學(xué)動力學(xué)綜述、均相反應(yīng)、物質(zhì)遷移(包括擴散和對流)、多相反應(yīng)和反演問題。均相反應(yīng)動力學(xué)在概念上和數(shù)學(xué)處理上比較簡單,只需要解常微分方程。
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物理常數(shù)
第1章 簡介和綜述
1.1 熱力學(xué)與動力學(xué)
1.2 化學(xué)動力學(xué)與地球化學(xué)動力學(xué)
1.3 均相反應(yīng)動力學(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)級數(shù)
1.3.5 不同級數(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)機制
1.4 物質(zhì)遷移和熱傳遞
1.4.1 擴散
1.4.2 對流
1.5 多相反應(yīng)動力學(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)與擴散系數(shù)的溫度和壓力效應(yīng)
1.6.1 碰撞理論
1.6.2 過渡態(tài)理論
1.7 反演問題
1.7.1 冷卻過程中的反應(yīng)和擴散
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、表觀平衡溫度和地質(zhì)速率計
1.7.4 兩相或多相交換反應(yīng)的地質(zhì)速率計
1.7.5 小結(jié)
1.8 附注
1.8.1 動力學(xué)問題中所需要的數(shù)學(xué)
1.8.2 揭開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 對未來研究的展望
習(xí)題
第2章 均相反應(yīng)動力學(xué)
2.1 可逆反應(yīng)
2.1.1 一級可逆反應(yīng)的濃度演化
2.1.2 二級可逆反應(yīng)的濃度演化
2.1.3 冷卻過程中的可逆反應(yīng)
2.1.4 斜方輝石中的Fe-Mg有序一無序反應(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:擴散和對流
3.1 基礎(chǔ)理論和概念
3.1.1 物質(zhì)守恒和遷移
3.1.2 能量守恒
3.1.3 動量守恒
3.1.4 擴散的類型
3.2 二元體系中的擴散
3.2.1 擴散方程
3.2.2 初始條件和邊界條件
3.2.3 穩(wěn)態(tài)下擴散方程的簡單解
3.2.4 擴散系數(shù)恒定時一維無限或半無限介質(zhì)中的擴散
3.2.5 瞬時平面源、線源或點源
3.2.6 疊加原理
3.2.7 擴散系數(shù)恒定時一維有限介質(zhì)中的擴散:分離變量法
3.2.8 可變動的擴散系數(shù)
3.2.9 二元體系中的上坡擴散和不穩(wěn)分解
3.2.10 三維擴散;不同坐標(biāo)系
3.2.11 各向異性介質(zhì)中的擴散;擴散張量
3.2.12 求擴散方程解析解方法總結(jié)
3.2.13 數(shù)值解
3.3 多種型組分的擴散
3.3.1 水在硅酸巖漿中的擴散
3.3.2 C02在硅酸巖漿中的擴散
3.3.3 氧在巖漿和礦物中的擴散
3.4 多組分體系中的擴散
3.4.1 有效二元方法
3.4.2 改進(jìn)的有效二元方法
3.4.3 基于濃度的多組分?jǐn)U散系數(shù)矩陣
3.4.4 基于活度的多組分?jǐn)U散系數(shù)矩陣
3.4.5 結(jié)語
3.5 一些特殊的擴散問題
3.5.1 放射性組分的擴散
3.5.2 放射成因組分的擴散和熱年代學(xué)
3.5.3 里策岡0環(huán)(Liesegangrings)
3.5.4 同位素比值擴散曲線與元素濃度擴散曲線
3.5.5 移動邊界問題
3.5.6 擴散和流動
3.6 擴散系數(shù)
3.6.1 實驗測定擴散系數(shù)
3.6.2 關(guān)于擴散系數(shù)的關(guān)系和模型
習(xí)題
第4章 多相反應(yīng)動力學(xué)
4.1 多相反應(yīng)的基元過程和特殊問題
4.1.1 成核
4.1.2 界面反應(yīng)
4.1.3 物質(zhì)遷移和熱傳遞的作用
4.1.4 枝晶生長
4.1.5 多個晶體的成核和生長
4.1.6 顆粒粗化
4.1.7 形成新相的動力學(xué)控制
4.1.8 備注
4.2 由物質(zhì)遷移或熱傳遞控制的單個晶體、氣泡或液滴的溶解、熔融和生長
4.2.1 參照系
4.2.2 無限熔體介質(zhì)中晶體的擴散溶解
4.2.3 無限流體介質(zhì)中下沉或上浮晶體的對流溶解
4.2.4 晶體的擴散生長和對流生長
4.2.5 氣泡的擴散生長/溶解和對流生長/溶解
4.2.6 其他可作類似處理的問題
4.2.7 界面反應(yīng)和擴散的相互影響
4.3 其他多相反應(yīng)
4.3.1 啤酒和香檳中氣泡生長的化學(xué)動力學(xué)和物理動力學(xué)
4.3.2 爆發(fā)式火山噴發(fā)的動力學(xué)
4.3.3 兩種接觸晶相之間的組分交換
4.3.4 熔體包裹體或流體包裹體與宿主礦物的擴散再平衡
4.3.5 兩種晶相的熔融或相互反應(yīng)
4.4 未來研究的方向
習(xí)題
第5章 反演問題:地質(zhì)年代學(xué)、熱年代學(xué)和地質(zhì)速率計
5.1 地質(zhì)年代學(xué)
5.1.1 定年方法1:可以推測最初母核素數(shù)目
5.1.2 定年方法2:可以推測最初子核素數(shù)目
5.1.3 定年方法3:等時線法
5.1.4 定年方法4:用已絕滅核素測相對年齡
5.1.5 準(zhǔn)確定年的若干條件
5.2 熱年代學(xué)
5.2.1 封閉溫度和封閉年齡
5.2.2 擴散丟失與放射成因增長的數(shù)學(xué)分析
5.2.3 封閉溫度概念的拓展
5.2.4 應(yīng)用
5.3 地質(zhì)速率計
5.3.1 基于均相反應(yīng)的定量地質(zhì)速率計
5.3.2 測量無水玻璃的熱容以估計冷卻歷史
5.3.3 單晶內(nèi)基于擴散和環(huán)帶結(jié)構(gòu)的地質(zhì)速率計
……
附錄
習(xí)題答案
參考文獻(xiàn)
索引