地球化学模拟理论及其应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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朱晨，[加] G.M.安德森（Greg Anderson），吕鹏 著

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• 地球过程
• 环境地球化学
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• 地球演化
• 计算地球化学

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030530486

版次：1

商品编码：12246066

包装：精装

开本：16开

出版时间：2017-09-01

用纸：胶版纸

页数：182

字数：539000

正文语种：中文

内容简介

地球化学模拟是研究水-岩相互作用的有效工具，实现定量论证地质和环境过程的模型和假说，优化环境治理、能源生产方案，预测地质环境变化等目标。本书由国际上该领域主要学科带头人所著，深入浅出地介绍了热力学、反应动力学和地球化学建模的理论知识，由简到繁地阐释了化学形态-溶解度、表面络合、反应路径，逆向质量守恒、耦合反应溶质迁移等模型的原理，演示了PHREEQC、The Geochemist’s Workbench TM、TOUGHREACT等流行的模拟软件的应用。本书通过丰富的案例（二氧化碳地质封存、成岩作用、酸性矿山废水、核废料处理、尾矿和采矿废物处置、深井灌注、垃圾填埋场渗滤液污染），全方位展示了地球化学模拟的实用性。

目录

目录
第1章 绪论 1
1.1 环境问题与地球化学模拟的必要性 1
1.2 环境监管框架 8
1.3 地球化学模拟的作用 10
1.4 当前地球化学模拟在环境问题方面应用的情况介绍 12
1.5 地球化学模拟在CO2的地质封存中的应用 13
1.6 地球化学模拟在石油地质中的应用 15
1.7 本章小结 20
第2章 模型概念 21
2.1 模型定义 21
2.2 地球化学模型的整体认识 22
2.3 地球化学模型的分类 24
2.4 模型验证及确认 29
2.5 模型实用性和局限性 30
第3章 热力学背景 32
3.1 系统与平衡 32
3.2 化学反应 34
3.3 吉布斯自由能 34
3.4 活度、逸度和化学势 36
3.5 平衡常数 41
3.6 组分与物种 44
3.7 相律 49
3.8 氧化还原反应 52
3.9 碱度 55
3.10 酸度 60
3.11 局部平衡假设 63
3.12 本章小结 67
第4章 地球化学模拟软件 68
4.1 计算机程序、数据库和模型 68
4.2 常用模拟软件简介 69
4.3 数据库 71
4.4 化学浓度单位 75
4.5 输入/输出示例 75
第5章 建立地球化学模型 84
5.1 引言 84
5.2 确定目标 84
5.3 认识地下水流系统 84
5.4 野外和实验室数据采集 84
5.5 确定建立何种模型 89
5.6 化学特征数据收集 91
5.7 选择计算机程序 91
5.8 模型建立 92
5.9 模拟结果阐释 93
5.10 模拟结果的报告和展示 94
第6章 化学形态和溶解度模拟 95
6.1 引言 95
6.2 Bear Creek铀矿尾矿库区的模拟计算结果 95
6.3 在生物可利用性和风险评估研究中的应用 112
6.4 反应柱实验的解释 114
第7章 表面吸附模拟 118
7.1 引言 118
7.2 离子交换 119
7.3 表面络合 122
7.4 吸附反应的计算机程序 125
7.5 Oak Ridge放射性核素的阻滞实验 130
7.6 铀矿尾矿库区放射性核素的迁移性 132
7.7 砷在冶炼厂烟道灰中的吸附作用 136
第8章 反应路径模拟 137
8.1 引言 137
8.2 碱度滴定 139
8.3 酸性矿山废水的酸度 140
8.4 pH缓冲 143
8.5 有害废弃物的深井灌注 145
8.6 矿坑湖化学特征 150
8.7 人工回灌 153
8.8 自然背景值研究的应用 153
8.9 古海水主要化学成分的计算 154
第9章 逆向质量守恒模拟 159
9.1 引言 159
9.2 模型假设 159
9.3 亚利桑那州Black Mesa地下水成因 161
9.4 亚利桑那州Pinal Creek盆地的酸性矿山废水 166
9.5 亚利桑那州Black Mesa地区14C定年 168
9.6 评估深层含水层微生物代谢率 171
第10章 耦合反应溶质迁移模型 175
10.1 前言 175
10.2 多组分反应溶质迁移模型 175
10.3 基于等温式的反应迁移模型 176
10.4 简单示例 180
10.5 反应迁移中的缓冲作用 184
10.6 铀矿尾矿酸性污染羽的迁移 189
10.7 铀矿尾矿储存库的修复设计 196
10.8 总结与评述 199
第11章 化学反应动力学模拟 201
11.1 引言 201
11.2 基本理论 201
11.3 沉淀-溶解反应的动力学过程 206
11.4 醋酸盐分解动力学 210
11.5 溶液物种形态和生物过程 215
11.6 垃圾填埋场渗滤液进入含水层过程中的应用 217
11.7 总结 219
第12章 地球化学模拟在CO2地质封存中的应用 220
12.1 背景 220
12.2 CO2的封存机制 220
12.3 地球化学模拟的应用 221
12.4 矿物反应动力力学对CO2迁移转化的作用 226
12.5 本章小结 248
第13章 地球化学模拟共沉淀 250
13.1 引言 250
13.2 铁纳米颗粒对Pb2+的吸附和Pb与Fe的共沉淀实验的模拟 250
13.3 镭和重晶石的共沉淀 262
13.4 本章小结 264
第14章 地球化学模拟在碎屑岩成岩作用方面的应用实例 265
14.1 引言 265
14.2 德国北部Rotliegendes油气聚集带的伊利石化 267
14.3 钾长石溶解的动力学反应路径模拟 269
14.4 本章小结 295
第15章 地球化学模拟在碳酸盐岩成岩作用中的应用 296
15.1 引言 296
15.2 沙特加瓦尔油田白云石化的反应溶质运移模拟 297
15.3 哈萨克斯坦Tengiz油田热对流引起的成岩作用及其对储层质量的影响 312
15.4 本章小结 314
参考文献 316
附录 数据库的修改 339
中英文对照 345
索引 349
彩图

矿物物理化学基础与实验技术 作者： 张文强 教授 出版社： 科学技术文献出版社 出版日期： 2024年11月 ISBN： 978-7-5023-8877-5 --- 内容简介 《矿物物理化学基础与实验技术》是一本全面覆盖现代矿物学、岩石学和地球化学领域中物理化学原理及其实验方法的高级教材与参考书。本书旨在为地球科学、材料科学以及环境科学等相关专业的研究生、高年级本科生以及一线科研人员提供一个深入理解矿物形成、演化、反应机理，并掌握前沿实验表征技术的系统性框架。 本书结构严谨，内容涵盖从微观的晶体化学、热力学基础到宏观的矿物相平衡、反应动力学，并重点阐述了多种先进的实验技术及其在解决复杂地球科学问题中的应用。全书共分五大部分，二十章，内容详实，图表丰富，注重理论与实践的紧密结合。 第一部分：矿物物理化学基础（第1章至第5章） 本部分奠定了理解矿物体系的物理化学基石。 第1章 晶体结构与化学键合： 详细介绍了矿物晶体的基本构型，包括晶胞、点群、空间群的确定方法。深入探讨了离子键、共价键、金属键和范德华力在矿物结构中的作用及其对矿物稳定性的影响。特别关注了复杂硅酸盐和氧化物的结构单元的几何构型与空间排列规律。 第2章 热力学基础： 回顾并深化了适用于矿物体系的热力学基本定律。重点阐述了吉布斯自由能、焓、熵在矿物相变中的驱动力角色。详细推导了矿物生成反应的化学势方程，并引入了压力和温度对化学平衡常数影响的定量描述。讨论了矿物的偏摩尔量、活性度在多组分体系中的应用。 第3章 固态物质的统计力学： 从统计学角度解释宏观热力学性质的微观起源。讲解了晶格振动（声子）、缺陷统计（点缺陷、线缺陷、面缺陷的形成能与浓度）、以及混合熵的计算方法。这些基础概念对于理解矿物在非化学计量条件下的行为至关重要。 第4章 矿物表面化学与界面现象： 聚焦于矿物表面能、界面能的理论基础。阐述了矿物表面对水溶液的吸附/解吸机理，包括静电相互作用、配位作用和氢键的贡献。讨论了表面羟基（site）的酸碱性，以及这对矿物溶解-沉淀速率的控制作用。 第5章 矿物相图原理： 系统介绍了单组分、双组分（如矿物熔融体系）的相律应用。重点解析了P-T图、T-X图的构建与判读方法，特别是对于水-岩石体系中常见矿物的稳定性区间界定。内容深入到多相区内的相共存条件和弛豫时间的影响。 第二部分：矿物反应动力学与速率控制（第6章至第9章） 本部分关注矿物形成和消亡的过程，即反应的速率。 第6章 化学反应动力学基础： 复习了宏观动力学（级数、半衰期）和微观动力学（活化能、过渡态理论）。重点讨论了固-液反应、固-气反应的常见反应模型，如Avrami模型、Jander模型在矿物转化中的适用性。 第7章 矿物溶解与沉淀速率： 这是岩石风化和地球化学循环的核心。详细分析了溶解过程中的控制步骤，包括扩散控制、表面络合控制和表面位点密度控制。引入了布朗斯特-洛里酸碱理论在矿物表面反应中的应用，并结合实验数据讨论了pH、离子强度对速率常数的影响。 第8章 扩散与离子迁移： 探讨了矿物晶体内部和晶界上的物质迁移机制。讲解了固态扩散的菲克定律，并区分了空位机制、间隙机制在不同晶体结构中的主导地位。讨论了高压和高温环境下，矿物中挥发性组分（如H2O、CO2）的扩散行为。 第9章 矿物反应的耦合过程： 讨论了多过程耦合对整体反应速率的制约。例如，溶解-扩散耦合、表面反应-扩散耦合在矿物蚀变带形成中的作用。引入了反应控制模型（RCM）和扩散控制模型（DCM）的判据。 第三部分：先进实验表征技术（第10章至第15章） 本部分侧重于描述获取矿物物理化学数据的关键技术手段。 第10章 X射线衍射（XRD）与结构解析： 深入讲解了衍射理论、粉末衍射仪的结构与数据采集。重点阐述了利用Rietveld精修方法确定晶体结构、晶胞参数、微晶尺寸、应变以及有序-无序结构的方法。 第11章 电子显微学（SEM/TEM）与微区分析： 介绍了扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）的工作原理，特别关注高分辨透射电镜（HRTEM）在识别晶体缺陷、界面结构中的应用。结合能谱（EDS/EELS）技术，阐述了如何进行元素定性和定量微区分析。 第12章 光谱学技术 I：拉曼与红外光谱： 详解了振动光谱（Raman和FTIR）对矿物中化学键、水分子、羟基环境的敏感性。解释了晶格振动模式与矿物结构特征的对应关系，用于矿物的定性和官能团分析。 第13章 光谱学技术 II：X射线吸收光谱（XAS）： 重点介绍了近边吸收结构（XANES）和扩展边吸收精细结构（EXAFS）在确定元素价态、配位数和局部几何结构中的独特优势。这是研究过渡金属在矿物中替代行为的关键技术。 第14章 显微成像与原位技术： 介绍了原子力显微镜（AFM）在研究矿物表面形貌、粗糙度以及进行单颗粒溶解速率测量中的应用。强调了高温高压反应器中，同步辐射光源辅助的原位XRD和XAS实验设计与数据处理。 第15章 热分析方法（DTA/TG/DSC）： 阐述了差热分析（DTA）、热重分析（TG）和差示扫描量热法（DSC）在测量矿物脱水、脱羟基、相变温度和焓变方面的原理与实践。 第四部分：矿物体系的平衡与非平衡态（第16章至第18章） 本部分将理论与实验结果结合，探讨复杂体系的演化。 第16章 固溶体与缺陷热力学： 深入讨论了矿物固溶体的非理想性，利用Guggenheim-Meijering模型、Margules方程描述偏离理想混合行为的原因。结合缺陷化学，解析高温高压下元素在晶格中的替代机制。 第17章 矿物变质与成岩作用： 将前述的相平衡和动力学原理应用于实际地质过程。分析了变质岩中矿物的反应轨迹、反应速率的限制性因素，以及水热条件对变质矿物组分分异的影响。 第18章 胶体与纳米矿物物理化学： 关注粒径效应。讨论了纳米尺寸对矿物表面能、溶解速率的显著影响。介绍DLVO理论在稳定或非稳定矿物纳米悬浮液中的应用，这对水文地球化学和环境修复至关重要。 第五部分：数据处理与模型构建（第19章至第20章） 第19章 地球化学数据库与软件应用： 介绍了常用的地球化学数据库（如SUPCRT92, Thermo-Calc等）的构建逻辑和使用规范。演示如何利用这些工具进行热力学正演计算，预测矿物相平衡。 第20章 反应路径模拟与反演： 讲解了如何将反应动力学参数代入到反应传输方程中，利用数值方法模拟水-岩石反应的时空演化。介绍了基于观测数据的过程反演技术，以确定未知反应速率常数。 --- 本书特色 1. 深度融合理论与技术： 本书不仅仅停留在理论的介绍，而是将热力学、动力学理论直接与先进的实验表征技术（如原位XAS，HRTEM）相结合，指导读者如何通过实验数据验证或修正理论模型。 2. 强调微观机制： 详细剖析了原子尺度的缺陷、表面位点、界面结构如何控制宏观的化学反应速率和相稳定边界，是理解地球深部过程的关键。 3. 实例丰富： 每章均配有来自实际科研工作的案例分析，涵盖了岩浆作用、变质过程、以及环境地球化学中的关键矿物（如橄榄石、长石、粘土矿物、金属氧化物）的物理化学行为。 4. 面向前沿： 包含了对纳米矿物、水合作用、高压扩散等当前研究热点的系统性介绍。 本书是地球化学、矿物学、岩石学、材料学研究生和专业研究人员案头的必备参考书，有助于读者构建坚实的物理化学基础，并熟练掌握解决复杂地球科学问题的实验工具。

评分☆☆☆☆☆

作为一名对地球科学的某些方面略有涉猎的研究生，我总是希望能够找到一本能够系统性梳理某个特定领域理论框架的书籍。我关注的重点在于“理论”部分，我希望这本书能够清晰地阐述地球化学模拟的核心思想，包括但不限于哪些基本假设被采用，哪些关键的物理和化学过程被纳入模型，以及这些模型在数学上的表达形式。我尤其感兴趣的是，在构建这些模拟模型时，是如何权衡简化与真实性的。毕竟，真实的地球系统是极其复杂的，任何模型都必然是对现实的一种近似。我希望作者能够详细探讨不同模型在处理不同地质现象时的优缺点，以及它们各自的适用范围。另外，我也很期待书中能够对一些经典的地球化学模拟方法进行深入的剖析，例如如何利用动力学方程来描述物质迁移，如何通过热力学原理来预测化学反应的平衡态。如果这本书能够帮助我建立起一个对地球化学模拟的扎实理论基础，那么它无疑将是一本极具价值的参考书。

评分☆☆☆☆☆

我最近正在进行一项关于某个特定地质现象的研究，而我的研究方法似乎与地球化学模拟有着潜在的联系，但我对此并不十分熟悉。我希望这本书能够提供一些关于“应用”的深入指导，特别是针对我可能遇到的具体问题。我迫切地想知道，在进行某种类型的地球化学模拟时，需要收集哪些关键的地质和地球化学数据，以及如何对这些数据进行预处理和质量控制。我更希望书中能够提供一些关于如何选择合适的模拟模型、如何设置模型参数、以及如何解释模拟结果的实用建议。如果书中能够包含一些“案例分析”，并且这些案例能够与我正在研究的地质现象类似，那就再好不过了。我希望这本书能像一位经验丰富的导师一样，在我探索地球化学模拟应用的道路上给予我切实的帮助和指导，让我少走弯路，更高效地推进我的研究。

评分☆☆☆☆☆

我一直认为，科学研究的魅力在于它能够解释我们身边的世界，并为解决实际问题提供思路。所以，我拿到这本书，最先关注的便是它的“应用”部分。我希望书中能够展示地球化学模拟是如何被应用于解决各种现实问题的，例如如何评估地下水污染的扩散路径，如何预测地热资源的储量和开发潜力，甚至是如何模拟核废料的安全储存。我对那些能够将抽象的模拟结果转化为具体、可操作的建议的案例特别感兴趣。如果书中能够提供一些成功应用的实例，并详细介绍模拟过程中的关键步骤和数据处理方法，那我将从中受益匪浅。我希望这本书能够让我认识到，地球化学模拟不仅仅是理论上的推演，更是解决现实世界挑战的强大工具。我对书中关于模型验证和不确定性分析的部分也充满了期待，因为任何应用都离不开对模型可靠性的评估。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计简约大气，印着古朴的地球纹理，立刻就吸引了我。拿到手里，沉甸甸的质感也让人觉得内容一定十分扎实。我平时对地质学和化学的交叉领域就颇感兴趣，特别是那些能解释地球形成和演变的宏观理论，总能让我产生无限的遐想。我期待着书中能深入浅出地讲解那些复杂的模拟方法，比如如何通过数学模型来复现地幔对流、岩浆分异，甚至是板块构造的形成过程。我特别想知道，作者是如何将抽象的化学反应和物理定律转化为计算机可以理解的语言，又是如何通过大量的计算来揭示地球内部那些我们肉眼无法观测到的奥秘。这本书如果能让我对地球的“生命周期”有一个全新的认识，哪怕只是一个初步的了解，都将是我巨大的收获。我很想看到书中是否会引用一些具体的案例研究，比如某个火山爆发的地质成因分析，或者某个矿产资源的形成模拟，这样能让理论更加生动形象，也更容易被我这样的初学者所理解。

评分☆☆☆☆☆

这本书的标题让我联想到了一些我在本科时期学习过的关于地球物理学和地球化学的课程。我当时就对那些利用数学和计算机来模拟地球内部过程的尝试感到非常惊奇。我希望这本书能够深入探讨这些模拟的“理论基础”，比如，它是否会涉及流体力学、传热学、质量守恒定律等基础学科的原理，以及这些原理是如何被应用到地球化学模拟中的。我也会非常关注书中是否会介绍一些具体的模拟软件或者编程语言，以及如何使用这些工具来构建和运行模型。对于我来说，了解模拟的“技术细节”同样重要，因为这能帮助我更好地理解模拟的局限性，并思考如何改进现有的模拟方法。我希望这本书能够给我提供一个清晰的脉络，让我能够理解从基本的物理化学原理到复杂的地球化学模拟的整个过程。