关于实验地球化学介绍

[拼音]：shiyan diqiu huaxue

[外文]：experimental geochemistry

地球化学的一个研究领域。它应用化学原理和现代实验技术，在实验室中模拟自然条件，研究地球化学过程中元素的行为和自然化学反应的机理。实验地球化学不仅为地球化学的理论和假说提供实验证据，而且是地球化学研究和地球化学过程的热力学计算与数学模拟之间的桥梁。它对地球化学，甚至整个地球科学的发展均有重要作用。

实验地球化学是在实验矿物学和实验岩石学的基础上逐步发展起来的。20世纪30年代实验地球化学这一术语始见于文献。第二次世界大战以后，高温高压实验技术发展很快，除已有的多种水热设备外，发明了塔特尔冷封口高温高压水热设备、约得内加热高压装置等。50年代末到60年代初，又发明了巴恩斯定容热液系统和迪克森热液系统等较为复杂的设备，特别是一系列以固体为压力介质的超高压高温设备（2000℃,100亿帕）的出现为实验地球化学研究提供了有利的物质条件。这一时期还发展了在高温实验和水热实验中控制挥发份逸度的技术，其中最突出的是利用铂的半透膜性质和固体氧缓冲剂控制氧逸度的方法。进入70年代，由于有关基础科学和技术科学研究向高温高压方向深入，各种新型微量、微区、快速分析测试仪器的发展和普遍应用，使得实验能在精确控制的物理化学条件下进行，并与热力学计算密切配合，从而逐渐由简单的模拟实验发展到系统的、定量的实验，使实验地球化学提高到一个崭新的水平。

实验地球化学的研究内容主要有以下几方面。

水溶液和热水溶液体系的实验研究

涉及温度范围由地表温度到500℃，压力不超过 5000万帕，重点在流体相的研究。其中包括下列内容：

（1）常温常压水溶液体系的实验研究。涉及海洋、湖泊的沉积环境和岩石风化、淋滤条件以及环境地球化学，探讨表生地球化学环境中元素的活化、运移和富集规律。主要研究方向如盐－水体系的相关系和溶液相成分的演化、矿物溶解和沉淀的物理化学条件及动力学、吸附作用、有机物和微生物在表生地球化学过程中的作用等。

（2）高温高压条件下气体－盐－水体系的溶解度和相关系的研究。实验证明，地下热水溶液是成分复杂的电解质溶液，随温度和压力的变化电解质离解对溶液中离子活度、酸碱平衡和元素存在形式产生影响。通过高温高压溶液电导测量已确定多种电解质的离解常数。

（3）水热流体中成矿元素存在形式和沉淀条件的研究。通过矿物溶解度测定和高温溶液光谱学研究，已确定主要成矿元素（铜、铅、锌、铁、钨、钼、金、银、汞、锑等）的氟、氯、羟基、碳酸、硫络合物和复杂络合物的稳定性及其热力学参数。

（4）水－岩反应。岩石（或矿物）与水之间的化学反应是地壳中最常见的地球化学过程。研究玄武岩－海水反应后海水成分的变化、岩石的蚀变（见围岩蚀变）、反应机理和控制反应的各种因素等，验证了洋底扩张假说。水－岩反应的实验研究还涉及热液成矿作用、核废料的地质处理、地热能的开发和利用等。

（5）地球化学过程动力学实验。主要研究矿物溶解速率，建立反应速率方程式，进行水-岩反应机理和矿物-流体界面现象的实验等。各种可控制流速的循环式、流动式热液设备的研制，促进了高温高压条件下定量动力学实验研究的发展。

此外，矿物－热水溶液体系中同位数分馏动力学和分馏系数的测定，矿物和岩石与有机溶液的反应，金属有机络合物高温稳定性的实验研究已成为实验地球化学的新方向。

流体－矿物体系的实验研究

温度低于固相线温度，压力不超过10亿帕。研究重点是矿物相。主要利用各种外加热高温高压设备，研究固溶体矿物的成分界限、矿物与流体之间元素的分配及其与物理化学条件的关系，以及测定分配系数等。目的是建立地球化学指示剂，用于判断成岩成矿过程的温度、压力和挥发份逸度等参数。另外以获取矿物热力学参数为目的的精确相平衡实验和量热学研究也是重要的研究方向。

硅酸盐体系的高温高压实验研究

温度高于固相线温度,压力一般高于100万帕。研究的重点是熔体相。所用设备包括内加热高压装置和超高压高温设备。

岩石中微量元素的丰度、分配及其相互关系与成岩的物理化学条件密切相关。为建立微量元素地球化学指示剂，进行了流体－晶体－熔体中微量元素分配的实验研究，特别是成岩元素、成矿元素、稀土元素在流体、矿物和熔体之间分配系数的测定已取得不少成果。

硅酸盐熔体中挥发分和惰性气体溶解度的实验研究对于探讨岩浆的产生、地壳－地幔体系的演化意义重大。通过硅酸盐熔体（淬火玻璃）的拉曼光谱、穆斯鲍尔谱学研究，了解硅酸盐熔体的结构，查明各种元素在硅酸盐熔体中的结构作用，加深了认识岩浆熔体的本质。

水热体系的实验地球化学研究，也是水热化学和许多技术科学共同感兴趣的研究领域，是多种学科交叉研究的会合点，这方面的研究有可能取得重大突破。