地球化學動力學起源現狀及發展趨勢

邊鵬+郭媛媛

摘要：地球化學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的概念，演化時間有關，而遷移與時間和空間都有聯系。地球化學熱力學只能解決化學反應的方向和程度，研究各組分隨時空的變化及其機制則必須依賴動力學。本文簡單闡述國內外有關地球化學動力學的來源和發展現狀并探討了地球化學動力學的發展趨勢。

關鍵詞：地球化學；同位素；地球化學熱力學；地球化學動力學

自然地球化學的許多過程大多處于或者即將處于動態平衡狀態，深入的來看普遍存在的是不平衡狀態，這就為確定反應過程的路徑以及反應速度提高了難度。而動力學恰恰是研究現實中的速度與機制等問題的。因此，地球化學動力學便出現并為解決復雜地球化學問題提供了可能。現如今研究地球化學過程已經離不開地球化學動力學了，它在研究地球內部化學組成和演化時，把地球看做一個不可分割的完整動力學系統，進一步推動了人們認識地球各個圈層對成礦作用做出的貢獻以及地殼及地幔的演化。

一、地球化學動力學起源及現狀

地球化學動力學起源于化學動力學，因此前人常僅視之為化學動力學在地質研究中的應用。然而，恰似地球化學源于化學但又有別于化學，過去數十年來地球哈學動力學也開始有別于化學動力學，具體表現在三個方面：

化學動力學只研究正演問題，而地球化學動力學還著眼于反演問題，如通過地質年代學、熱年代學、和地質速率計測定巖石年齡和熱演化史。

化學動力學一般只研究等溫反應動力學，而地球化學動力學常常需要處理變溫條件下的動力學，如冷卻過程中的反應和擴散。

化學動力學強調均相反應動力學，而地球化學動力學家更多的研究多相反應動力學。

（一）、國外現狀

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

（二）、國內現狀

一些學者從不同的角度進行地球化學動力學（尤其是成礦作用動力學方面）的研究，主要有：凌其聰從基礎學科數學物理理化學人手應用強大的計算機模擬并定量的去研究地球化學動力學與成礦的規律問題。解釋了很多礦床產生的速率、機制和全過程。闕為民應用地球化學動力學模型來研究礦床地球化學中含礦物質的遷移問題，并成功建立原地浸出采鈾地球化學動力學模型。同時，比較透徹的研究出水～巖相互作用的實質為巖石中礦物與水發生的化學反應關系，并確定了大量的定量反應定律。為地球化學動力學在找礦應用上提供了具有說服力的成果。

二、未來研究展望

地球化學動力學仍處在萌芽階段，需要很多研究。一個任務是積累動力學數據，如實驗測定的均相反應色反應速率定律和反應速率常數，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散系數，界面反應速率作為過飽和的函數，晶體生長和溶解速率，以及氣泡生長和溶解速率。這些數據對于動力學的地質應用十分重要。數據采集需要越來越精密的實驗設備和分析儀器，所以新的進展經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。

擴散系數的實驗測定雖然已經有了一個很大的數據庫，但是可用于特定實驗中的數據常難以找到，因為已有的數據庫可能沒有涵蓋合適的溫度范圍、礦物組成或流體條件。