地球化学动力学基础

在地球化学研究领域中，热力学理论和方法的运用已经取得了丰富的成果，平衡热力学方法已经成为人们认识地球的化学结构和化学演化的重要手段之一。然而，地球化学过程通常极其缓慢，以致一些自然体系可能没有达到平衡。大量的野外观察资料和新的实验结果都充分地证明了这一观点。例如下述这些自然体系的研究结果：（1）单一物相内部化学成分的变化；（2）矿物晶体中的成分分带；（3）矿物组合中的反应边结构；（4）不平衡的矿物组合；（5）矿物晶体的出溶作用；（6）晶体的有序—无序结构和晶体缺陷等等。
     这些自然体系均显示对热力学平衡态的偏离。如何解释这些自然体系并且准确地描述这些自然体系的演化过程便成为地球化学研究的重要课题。平衡热力学理论方法之所以不能完全解决这些问题，是因为上述自然体系的演化过程是路径相关的，因而也是时间相关的。而平衡热力学方法仅考虑体系的状态参量和状态函数，由此讨论体系的演化方向，是路径无关的。
     研究自然体系的化学演化具有两个含义：（1）研究体系由平衡的起始状态Ⅰ演变到新的条件下的平衡的终了状态Ⅱ，其结果用状态函数的变化量△H，△S，△G等来表示；（2）研究体系演化的路径，这是时间相关的问题。如果自然体系均是平衡的，则我们无法确定体系演化的路径，即自然体系的演化过程被平衡的终了态掩蔽了。反之，大量自然体系的不平衡特征恰好成为自然体系演化路径的记录，有助于我们探讨自然体系化学演化的历程。
     例如对于晶体生长过程的认识正是来自晶体的各种缺陷，火成岩中某些矿物相出现顺序的颠倒、一些矿物组合中相律的不适用性等现象都将成为这些体系演化过程的记录。因此，为了解决这些路径相关的自然体系演化的问题，则必然要在讨论体系演化过程的时候引入速率的概念，进行演化过程的动力学研究。由于自然体系演化过程的复杂性，在引入速率概念的同时还必须具体分析体系演化的实际过程，包括：化学反应过程——反应速率，质量传输（迁移）——扩散速率，等等。
     体系演化的实际过程（化学反应、输运过程及其随状态参量的变化）正体现了演化的路径相关特性，而每一个实际过程的速率反映了体系演化时间相关特性。时间是最基本的地质参数之一，作用过程和方式是地球化学最关注的问题之一。在这两个意义上说，自然体系演化动力学研究是十分重要的。