地球化学动力学起源现状及发展趋势

边鹏+郭媛媛

摘要：地球化学研究元素和同位素在地球或天体中的分布、演化和迁移；其中分布是相对静态的概念，演化时间有关，而迁移与时间和空间都有联系。地球化学热力学只能解决化学反应的方向和程度，研究各组分随时空的变化及其机制则必须依赖动力学。本文简单阐述国内外有关地球化学动力学的来源和发展现状并探讨了地球化学动力学的发展趋势。

关键词：地球化學；同位素；地球化学热力学；地球化学动力学

自然地球化学的许多过程大多处于或者即将处于动态平衡状态，深入的来看普遍存在的是不平衡状态，这就为确定反应过程的路径以及反应速度提高了难度。而动力学恰恰是研究现实中的速度与机制等问题的。因此，地球化学动力学便出现并为解决复杂地球化学问题提供了可能。现如今研究地球化学过程已经离不开地球化学动力学了，它在研究地球内部化学组成和演化时，把地球看做一个不可分割的完整动力学系统，进一步推动了人们认识地球各个圈层对成矿作用做出的贡献以及地壳及地幔的演化。

一、地球化学动力学起源及现状

地球化学动力学起源于化学动力学，因此前人常仅视之为化学动力学在地质研究中的应用。然而，恰似地球化学源于化学但又有别于化学，过去数十年来地球哈学动力学也开始有别于化学动力学，具体表现在三个方面：

化学动力学只研究正演问题，而地球化学动力学还着眼于反演问题，如通过地质年代学、热年代学、和地质速率计测定岩石年龄和热演化史。

化学动力学一般只研究等温反应动力学，而地球化学动力学常常需要处理变温条件下的动力学，如冷却过程中的反应和扩散。

化学动力学强调均相反应动力学，而地球化学动力学家更多的研究多相反应动力学。

（一）、国外现状

国外在上世纪90年代以前对地球化学动力学的研究只局限在，成矿元素的输运与沉淀、输运与化学反应、以及简单的反应动力学、硅酸盐熔体的成核作用和生长动力学、还有水～岩相互作用、热致与流体驱动的断裂作用和动力学模型。进入90年代以后国外主要在与水～岩相互作用有关的动力学模型；输运和化学反应；成矿元素的输运与沉淀中取得了一定的进展。

（二）、国内现状

一些学者从不同的角度进行地球化学动力学（尤其是成矿作用动力学方面）的研究，主要有：凌其聪从基础学科数学物理理化学人手应用强大的计算机模拟并定量的去研究地球化学动力学与成矿的规律问题。解释了很多矿床产生的速率、机制和全过程。阙为民应用地球化学动力学模型来研究矿床地球化学中含矿物质的迁移问题，并成功建立原地浸出采铀地球化学动力学模型。同时，比较透彻的研究出水～岩相互作用的实质为岩石中矿物与水发生的化学反应关系，并确定了大量的定量反应定律。为地球化学动力学在找矿应用上提供了具有说服力的成果。

二、未来研究展望

地球化学动力学仍处在萌芽阶段，需要很多研究。一个任务是积累动力学数据，如实验测定的均相反应色反应速率定律和反应速率常数，各种条件（温度、压力、流体组成和相组成）下各种相中各种组分的扩散系数，界面反应速率作为过饱和的函数，晶体生长和溶解速率，以及气泡生长和溶解速率。这些数据对于动力学的地质应用十分重要。数据采集需要越来越精密的实验设备和分析仪器，所以新的进展经常来自于新的仪器和方法。

矿物和硅酸岩浆中没有多少均相反应被研究的非常充分，其中的难点在于测量矿物和岩浆中各组分的浓度。

扩散系数的实验测定虽然已经有了一个很大的数据库，但是可用于特定实验中的数据常难以找到，因为已有的数据库可能没有涵盖合适的温度范围、矿物组成或流体条件。