地球化學(xué)動力學(xué)起源現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

邊鵬+郭媛媛

摘要：地球化學(xué)研究元素和同位素在地球或天體中的分布、演化和遷移；其中分布是相對靜態(tài)的概念，演化時間有關(guān)，而遷移與時間和空間都有聯(lián)系。地球化學(xué)熱力學(xué)只能解決化學(xué)反應(yīng)的方向和程度，研究各組分隨時空的變化及其機(jī)制則必須依賴動力學(xué)。本文簡單闡述國內(nèi)外有關(guān)地球化學(xué)動力學(xué)的來源和發(fā)展現(xiàn)狀并探討了地球化學(xué)動力學(xué)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：地球化學(xué)；同位素；地球化學(xué)熱力學(xué)；地球化學(xué)動力學(xué)

自然地球化學(xué)的許多過程大多處于或者即將處于動態(tài)平衡狀態(tài)，深入的來看普遍存在的是不平衡狀態(tài)，這就為確定反應(yīng)過程的路徑以及反應(yīng)速度提高了難度。而動力學(xué)恰恰是研究現(xiàn)實中的速度與機(jī)制等問題的。因此，地球化學(xué)動力學(xué)便出現(xiàn)并為解決復(fù)雜地球化學(xué)問題提供了可能?，F(xiàn)如今研究地球化學(xué)過程已經(jīng)離不開地球化學(xué)動力學(xué)了，它在研究地球內(nèi)部化學(xué)組成和演化時，把地球看做一個不可分割的完整動力學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)一步推動了人們認(rèn)識地球各個圈層對成礦作用做出的貢獻(xiàn)以及地殼及地幔的演化。

一、地球化學(xué)動力學(xué)起源及現(xiàn)狀

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)十年來地球哈學(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：

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。

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(kuò)散。

化學(xué)動力學(xué)強(qiáng)調(diào)均相反應(yīng)動力學(xué)，而地球化學(xué)動力學(xué)家更多的研究多相反應(yīng)動力學(xué)。

（一）、國外現(xiàn)狀

國外在上世紀(jì)90年代以前對地球化學(xué)動力學(xué)的研究只局限在，成礦元素的輸運與沉淀、輸運與化學(xué)反應(yīng)、以及簡單的反應(yīng)動力學(xué)、硅酸鹽熔體的成核作用和生長動力學(xué)、還有水～巖相互作用、熱致與流體驅(qū)動的斷裂作用和動力學(xué)模型。進(jìn)入90年代以后國外主要在與水～巖相互作用有關(guān)的動力學(xué)模型；輸運和化學(xué)反應(yīng)；成礦元素的輸運與沉淀中取得了一定的進(jìn)展。

（二）、國內(nèi)現(xiàn)狀

一些學(xué)者從不同的角度進(jìn)行地球化學(xué)動力學(xué)（尤其是成礦作用動力學(xué)方面）的研究，主要有：凌其聰從基礎(chǔ)學(xué)科數(shù)學(xué)物理理化學(xué)人手應(yīng)用強(qiáng)大的計算機(jī)模擬并定量的去研究地球化學(xué)動力學(xué)與成礦的規(guī)律問題。解釋了很多礦床產(chǎn)生的速率、機(jī)制和全過程。闕為民應(yīng)用地球化學(xué)動力學(xué)模型來研究礦床地球化學(xué)中含礦物質(zhì)的遷移問題，并成功建立原地浸出采鈾地球化學(xué)動力學(xué)模型。同時，比較透徹的研究出水～巖相互作用的實質(zhì)為巖石中礦物與水發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)關(guān)系，并確定了大量的定量反應(yīng)定律。為地球化學(xué)動力學(xué)在找礦應(yīng)用上提供了具有說服力的成果。

二、未來研究展望

地球化學(xué)動力學(xué)仍處在萌芽階段，需要很多研究。一個任務(wù)是積累動力學(xué)數(shù)據(jù)，如實驗測定的均相反應(yīng)色反應(yīng)速率定律和反應(yīng)速率常數(shù)，各種條件（溫度、壓力、流體組成和相組成）下各種相中各種組分的擴(kuò)散系數(shù)，界面反應(yīng)速率作為過飽和的函數(shù)，晶體生長和溶解速率，以及氣泡生長和溶解速率。這些數(shù)據(jù)對于動力學(xué)的地質(zhì)應(yīng)用十分重要。數(shù)據(jù)采集需要越來越精密的實驗設(shè)備和分析儀器，所以新的進(jìn)展經(jīng)常來自于新的儀器和方法。

礦物和硅酸巖漿中沒有多少均相反應(yīng)被研究的非常充分，其中的難點在于測量礦物和巖漿中各組分的濃度。

擴(kuò)散系數(shù)的實驗測定雖然已經(jīng)有了一個很大的數(shù)據(jù)庫，但是可用于特定實驗中的數(shù)據(jù)常難以找到，因為已有的數(shù)據(jù)庫可能沒有涵蓋合適的溫度范圍、礦物組成或流體條件。