地球化学动力学PDF|Epub|txt|kindle电子书版本网盘下载

地球化学动力学PDF格式电子书版下载

注意：本站所有压缩包均有解压码： 点击下载压缩包解压工具

第1章　简介和综述1

1.1 热力学与动力学3

1.2 化学动力学与地球化学动力学4

1.3　均相反应动力学6

1.3.1　反应进度参数ξ9

1.3.2　基元反应与总反应10

1.3.3　反应的分子数11

1.3.4　反应速率定律、反应速率常数和反应级数11

1.3.5　不同级数反应的浓度演化15

1.3.6　反应速率常数随温度的变化：阿伦尼乌斯方程20

1.3.7　变温反应动力学23

1.3.8　更复杂的均相反应25

1.3.9　确定反应速率定律、反应速率常数和反应机制26

1.4　物质迁移和热传递29

1.4.1　扩散29

1.4.2　对流37

1.5 多相反应动力学37

1.5.1　控制因素和“反应定律”38

1.5.2　多相反应中的步骤43

1.6　反应速率常数与扩散系数的温度和压力效应46

1.6.1　碰撞理论47

1.6.2　过渡态理论48

1.7　反演问题52

1.7.1　冷却过程中的反应和扩散52

1.7.2　地质年代学、封闭年龄和热年代学55

1.7.3　地质温度计、表观平衡温度和地质速率计60

1.7.4　两相或多相交换反应的地质速率计63

1.7.5　小结64

1.8 附注65

1.8.1　动力学问题中所需要的数学65

1.8.2　揭开一些似乎违反热力学的反应之谜65

1.8.3　其他“似是而非”之谜67

1.8.4　对未来研究的展望67

习题68

第2章　均相反应动力学73

2.1 可逆反应74

2.1.1　一级可逆反应的浓度演化75

2.1.2　二级可逆反应的浓度演化76

2.1.3　冷却过程中的可逆反应81

2.1.4　斜方辉石中的Fe-Mg有序-无序反应88

2.1.5　流纹岩浆中水的种型反应97

2.2　链式反应102

2.2.1　放射性衰变系列103

2.2.2　链式反应导致的负活化能115

2.2.3　臭氧的热分解116

2.3　平行反应117

2.3.1　水溶液中Fe2＋和Fe3＋之间的电子转移117

2.3.2　溶解的CO2形成碳酸氢根118

2.3.3　氢的核燃烧120

2.4　特殊主题124

2.4.1　臭氧的光化学合成和分解与臭氧层空洞124

2.4.2　受扩散控制的均相反应125

2.4.3　玻化转变127

习题134

第3章　物质迁移：扩散和对流138

3.1　基础理论和概念140

3.1.1　物质守恒和迁移140

3.1.2　能量守恒146

3.1.3　动量守恒146

3.1.4　扩散的类型146

3.2　二元体系中的扩散151

3.2.1　扩散方程151

3.2.2　初始条件和边界条件152

3.2.3　稳态下扩散方程的简单解153

3.2.4　扩散系数恒定时一维无限或半无限介质中的扩散155

3.2.5　瞬时平面源、线源或点源164

3.2.6　叠加原理165

3.2.7　扩散系数恒定时一维有限介质中的扩散：分离变量法168

3.2.8　可变动的扩散系数170

3.2.9　二元体系中的上坡扩散和不稳分解178

3.2.10　三维扩散；不同坐标系181

3.2.11　各向异性介质中的扩散；扩散张量184

3.2.12　求扩散方程解析解方法总结187

3.2.13　数值解187

3.3 多种型组分的扩散191

3.3.1　水在硅酸岩浆中的扩散193

3.3.2　CO2在硅酸岩浆中的扩散200

3.3.3　氧在岩浆和矿物中的扩散202

3.4　多组分体系中的扩散205

3.4.1　有效二元方法205

3.4.2　改进的有效二元方法207

3.4.3　基于浓度的多组分扩散系数矩阵207

3.4.4　基于活度的多组分扩散系数矩阵214

3.4.5　结语214

3.5　一些特殊的扩散问题215

3.5.1　放射性组分的扩散215

3.5.2　放射成因组分的扩散和热年代学216

3.5.3　里策刚环（Liesegang rings）219

3.5.4　同位素比值扩散曲线与元素浓度扩散曲线220

3.5.5　移动边界问题221

3.5.6　扩散和流动227

3.6　扩散系数230

3.6.1　实验测定扩散系数231

3.6.2　关于扩散系数的关系和模型243

习题260

第4章　多相反应动力学265

4.1 多相反应的基元过程和特殊问题269

4.1.1　成核269

4.1.2　界面反应278

4.1.3　物质迁移和热传递的作用286

4.1.4　枝晶生长294

4.1.5　多个晶体的成核和生长296

4.1.6　颗粒粗化298

4.1.7　形成新相的动力学控制302

4.1.8　备注304

4.2 由物质迁移或热传递控制的单个晶体、气泡或液滴的溶解、熔融和生长304

4.2.1　参照系305

4.2.2　无限熔体介质中晶体的扩散溶解308

4.2.3　无限流体介质中下沉或上浮晶体的对流溶解320

4.2.4　晶体的扩散生长和对流生长331

4.2.5　气泡的扩散生长／溶解和对流生长／溶解337

4.2.6　其他可作类似处理的问题340

4.2.7　界面反应和扩散的相互影响340

4.3　其他多相反应342

4.3.1 啤酒和香槟中气泡生长的化学动力学和物理动力学342

4.3.2　爆发式火山喷发的动力学346

4.3.3　两种接触晶相之间的组分交换349

4.3.4　熔体包裹体或流体包裹体与宿主矿物的扩散再平衡352

4.3.5　两种晶相的熔融或相互反应355

4.4　未来研究的方向359

习题360

第5章　反演问题：地质年代学、热年代学和地质速率计363

5.1　地质年代学364

5.1.1　定年方法1：可以推测最初母核素数目366

5.1.2　定年方法2：可以推测最初子核素数目376

5.1.3　定年方法3：等时线法382

5.1.4　定年方法4：用已绝灭核素测相对年龄393

5.1.5　准确定年的若干条件396

5.2　热年代学397

5.2.1　封闭温度和封闭年龄398

5.2.2　扩散丢失与放射成因增长的数学分析400

5.2.3　封闭温度概念的拓展415

5.2.4　应用420

5.3　地质速率计424

5.3.1　基于均相反应的定量地质速率计424

5.3.2　测量无水玻璃的热容以估计冷却历史435

5.3.3　单晶内基于扩散和环带结构的地质速率计436

5.3.4　基于两相或多相之间扩散的地质速率计445

5.3.5　用其他多相反应估计冷却历史450

5.3.6　各种地质速率计评述454

习题456

附录460

A1 熵的不守恒和扩散矩阵460

A2　误差函数及其相关函数462

A3 若干扩散问题的解466

A4　扩散系数475

习题答案480

参考文献484

索引528

插图一览15

图1-1 若干基元反应的组分浓度演化15

图1-2 作为温度的函数的反应速率常数21

图1-3 最小方差拟合23

图1-4 不同化合物中7Be活度随时间的变化27

图1-5　确定某一假想反应的级数28

图1-6　粒子随机运动的实例29

图1-7 点源浓度分布的演化33

图1-8　半无限介质中的热量与物质扩散33

图1-9 扩散偶曲线34

图1-10 交替环带晶体的均匀化35

图1-11 由界面反应或由迁移控制的晶体生长40

图1-12 晶体溶解的控制机制42

图1-13 反应速率的抛物线生长律和线性生长律43

图1-14　晶体的成核速率和生长速率对比44

图1-15　正在生长的晶体之间的相互作用和颗粒粗化45

图1-16　过渡态和活化能48

图1-17　反应的速率常数（阿伦尼乌斯型和非阿伦尼乌斯型）50

图1-18 温度-压力历史的示意图（火山岩、深成岩和变质岩）53

图1-19 冷却过程中KD的变化55

图1-20　封闭温度和封闭年龄58

图1-21 两块花岗岩的冷却历史59

图1-22　表观平衡温度62

图1-23 光合反应的能量学66

图2-1　可逆反应的组分浓度演化77

图2-2　二级可逆反应的冷却-加热结果　87

图2-3　斜方辉石的穆斯堡尔谱图　89

图2-4　斜方辉石中KD与温度的关系91

图2-5　斜方辉石中Fe（M1）浓度随时间的演化93

图2-6 含水流纹岩玻璃的红外光谱98

图2-7 红外标定摩尔吸收系数100

图2-8 水的种型反应的K与温度的关系101

图2-9 水的种型反应中种型摩尔分数商随时间的演化102

图2-10　核素活度随时间的演化110

图2-11 中间产物导致206Pb亏损111

图2-12　核反应速率，PPⅠ链和PPⅡ链123

图2-13 冷却速率对玻璃的密度和熵的影响129

图2-14 加热过程Tf对T曲线和dTf/dT对T曲线示意图132

图2-15 加热和冷却过程中的热容曲线133

图3-1 扩散流通量示意图141

图3-2　扩散和浓度曲线的曲率152

图3-3　稳态扩散曲线154

图3-4　整块板状样品中的扩散曲线160

图3-5 两相间的组分交换164

图3-6 延展源扩散167

图3-7 石榴子石中物质的量曲线的模拟173

图3-8　玻耳兹曼分析176

图3-9　从玻耳兹曼分析得到扩散系数随质量分数的变化177

图3-10 采用经验函数对图3-8中数据所作的拟合178

图3-11 不完全混溶二元系相图180

图3-12 活度、扩散系数与浓度的关系181

图3-13 石英晶体的“完美”形状和“有效”形状186

图3-14 将扩散介质分为N个等距单元188

图3-15 水的种型反应平衡对扩散的影响195

图3-16 水的扩散曲线（脱水和水化实验）196

图3-17 用不同方法拟合脱水曲线197

图3-18 从扩散偶实验得到的H2O曲线198

图3-19 种型浓度比与组分含量的关系，以及对比CO2和H2O扩散系数与SiO2含量的关系201

图3-20　H2O和18O同时扩散204

图3-21 三元扩散偶的扩散曲线212

图3-22 三元体系的组成示意图213

图3-23 里策刚环和环带状玛瑙219

图3-24 多组分扩散的微量元素扩散曲线和同位素分数曲线221

图3-25 晶体在岩浆中的溶解222

图3-26 计算出的石英生长过程中SiO2在岩浆内的质量分数曲线224

图3-27 河中污染物的分布229

图3-28 用不同的D（C）函数拟合扩散曲线232

图3-29 用误差函数和逆误差函数拟合的比较235

图3-30　从整体交换实验提取扩散系数237

图3-31 从薄膜（thin-film）实验提取扩散系数239

图3-32　从受扩散控制的矿物溶解实验提取扩散系数241

图3-33 比较向外扩散系数Dout和向内扩散系数Din243

图3-34　补偿法则244

图3-35 爱因斯坦关系和苏册兰得（Sutherland）关系250

图3-36　互扩散系数和示踪扩散系数（两种模型）252

图3-37 扩散系数与成分的关系258

图4-1 分子簇的能量271

图4-2　成核速率的计算274

图4-3 实验和理论成核速率的比较275

图4-4　均相成核和异相成核278

图4-5　界面反应和活化络合物279

图4-6 温度、压力和浓度对界面反应速率的影响282

图4-7 晶体生长速率和成核速率与温度的关系对比284

图4-8　界面反应的三种机制285

图4-9 晶体的一维恒速生长问题的计算292

图4-10 晶体表面的突起294

图4-11　枝晶生长295

图4-12 气泡生长的多体问题296

图4-13　基于阿夫拉米（Avrami）方程的结晶度298

图4-14 用阿夫拉米（Avrami）方程拟合气泡生长299

图4-15 粗化前后晶体粒度分布的变化301

图4-16 奥斯特瓦尔德（Ostwald）反应法则303

图4-17　参数a和b的关系311

图4-18　橄榄石溶解时橄榄石和熔体中的MgO浓度（以质量分数表示）曲线314

图4-19　斜长石的相图和斜长石的熔融319

图4-20 地幔捕掳体在玄武岩浆中的下沉速率322

图4-21 边界层的概念和边界层厚度δ324

图4-22　橄榄石在玄武岩浆中生长时橄榄石和熔体中的MgO扩散曲线332

图4-23 晶体扩散生长时微量元素的扩散曲线335

图4-24　界面处的熔体组成如何趋向饱和341

图4-25 香槟中气泡形成示意图342

图4-26 啤酒中上升气泡的高度和半径随时间的变化344

图4-27　计算得到的啤酒中气泡的大小和高度345

图4-28 啤酒和香槟中气泡生长的比较345

图4-29　含CO2和含N2的啤酒中气泡生长的比较346

图4-30 圣海伦斯火山的喷发柱347

图4-31 爆发式喷发的各个阶段示意图348

图4-32 橄榄石和石榴子石之间的Fe-Mg交换351

图4-33 宿主矿物中的熔体包裹体示意图354

图4-34　榍石-钙长石相图355

图4-35 两种矿物界面处的熔融357

图4-36 钠长石-钙长石-透辉石相图358

图5-1 14C的衰变368

图5-2 14C年龄的标定曲线370

图5-3 初始14C的变化370

图5-4　铀系不平衡定年376

图5-5 40Ar-39Ar年龄谱378

图5-6　U-Pb定年谐和曲线和不谐和曲线举例380

图5-7　Sm-Nd等时线383

图5-8 地球年龄等时线392

图5-9 己绝灭核素等时线394

图5-10 ［26Al］／［27Al］和年龄的关系395

图5-11 冷却过程中的浓度演化　401

图5-12 扩散导致的质量丢失分数　402

图5-13　持续冷却时仍保留在相中的质量分数403

图5-14　起始温度和冷却速率对扩散丢失的影响405

图5-15 扩散导致的40Ar的质量丢失分数407

图5-16 其他参数对体平均表观年龄的影响　408

图5-17 时间和年龄的关系　410

图5-18　数值计算不同时刻的40Ar浓度曲线的演化　413

图5-19 数值计算单一冷却历史中两个不同时间的40Ar浓度曲线与无扩散丢失的增长曲线　414

图5-20　计算得到的封闭年龄和封闭温度曲线　415

图5-21 g1和位置的关系　416

图5-22 两近红外峰的单位厚度的红外吸收峰强和冷却速率q的关系　434

图5-23 热容曲线和冷却速率　436

图5-24 锆石的BSE图像437

图5-25 扩散偶和混溶隙438

图5-26　“球形扩散偶”的浓度演化440

图5-27 一个大石榴子石颗粒中Fe的浓度曲线的模拟　441

图5-28 对称浓度曲线的均一化　443

图5-29 两矿物间交换的扩散曲线示意图　446

图5-30　基于浮石氧化的地质速率计　451

图A2-1　误差函数和余误差函数　464

图A3-2-4 对应于解A3-2-4（e1）和A3-2-4（e3）的浓度分布的演化472

图A3-3-4　“球形扩散偶”中的扩散曲线演化　475

图A4-1 热液条件下矿物中的18O扩散系数479

表格一览13

表1-1　均相反应速率常数13

表1-2　基元反应的浓度演化和半衰期18

表1-3　扩散系数30

表1-4　一些物质的溶解机制41

表2-1 可逆反应的弛豫时间尺度和浓度演化79

表2-2 衰变链中的衰变步骤103

表2-3 若干核反应的反应速率常数122

表3-1　298.15 K下无限稀释水溶液中离子摩尔电导率246

表3-2　25℃下水溶液中挥发组分的扩散系数251

表3-3 在0.1 MPa和298.15 K下一些矿物的离子孔隙度254

表4-1　相转换的步骤269

表4-2 实验测定的晶体在其自身熔体中的生长速率283

表4-3 计算得到的溶解度与晶体大小的关系300

表4-4　1 573 K下“无水”硅酸盐熔体中的有效二元扩散系数329

表4-5　1 300℃下一些典型的溶解参数330

表5-1 宇宙成因的放射性核素367

表5-2　等时线体系384

表5-3 一些已绝灭核素396

表5-4　校正函数g1的值　416

表5-5　校正函数g2的值　418

表A2-1　误差函数及其相关函数的值　464

表A4-1　水溶液中的扩散系数　475

表A4-2　硅酸盐熔体中的扩散系数　476

表A4-3 矿物中若干放射性和放射成因组分的扩散系数　476

表A4-4　矿物中的若干互扩散系数　477

表A4-5 矿物（与流体相交换）中的若干氧同位素扩散系数478