實驗地球化學

地球化學的一個研究領域。它應用化學原理和現代實驗技術，在實驗室中模擬自然條件，研究地球化學過程中元素的行為和自然化學反應的機理。實驗地球化學不僅為地球化學的理論和假說提供實驗證據，而且是地球化學研究和地球化學過程的熱力學計算與數學模擬之間的橋樑。它對地球化學，甚至整個地球科學的發展均有重要作用。

實驗地球化學是在實驗礦物學和實驗岩石學的基礎上逐步發展起來的。它是地球化學的一個分支，是以野外及室內實驗資料為依據，利用不同溫度、壓力的技術和設備，在實驗室里創造不同的地球化學作用過程，研究元素的遷移與富集、分佈與分配，岩石及礦床的形成條件；探討自然化學反應機理，以實現實驗室對自然地球化學作用的再現。它不僅為地球化學的理論和假設提供實驗依據，而且是地球化學研究和地球化學過程的熱力學計算與數學模擬之間的橋樑。它對地球化學、甚至整個地球科學的發展均有重要貢獻。

20世紀30年代實驗地球化學這一術語始見於文獻。第二次世界大戰以後，高溫高壓實驗技術發展很快，除已有的多種水熱設備外，發明了塔特爾冷封口高溫高壓水熱設備、約得內加熱高壓裝置等。

50年代末到60年代初，又發明了巴恩斯定容熱液系統和迪克森熱液系統等較為複雜的設備，特別是一系列以固體為壓力介質的超高壓高溫設備（,100億帕）的出現為實驗地球化學研究提供了有利的物質條件。這一時期還發展了在高溫實驗和水熱實驗中控制揮發份逸度的技術，其中最突出的是利用鉑的半透膜性質和固體氧緩衝劑控制氧逸度的方法。

進入70年代，由於有關基礎科學和技術科學研究向高溫高壓方向深入，各種新型微量、微區、快速分析測試儀器的發展和普遍應用，使得實驗能在精確控制的物理化學條件下進行，並與熱力學計算密切配合，從而逐漸由簡單的模擬實驗發展到系統的、定量的實驗，使實驗地球化學提高到一個嶄新的水平。

實驗地球化學的研究內容主要有以下幾方面。

水溶液和熱水溶液體系的實驗研究 涉及溫度範圍由地表溫度到，壓力不超過 5000萬帕，重點在流體相的研究。其中包括下列內容：

①常溫常壓水溶液體系的實驗研究。涉及海洋、湖泊的沉積環境和岩石風化、淋濾條件以及環境地球化學，探討表生地球化學環境中元素的活化、運移和富集規律。主要研究方向如鹽－水體系的相關係和溶液相成分的演化、礦物溶解和沉澱的物理化學條件及動力學、吸附作用、有機物和微生物在表生地球化學過程中的作用等。

②高溫高壓條件下氣體－鹽－水體系的溶解度和相關係的研究。實驗證明，地下熱水溶液是成分複雜的電解質溶液，隨溫度和壓力的變化電解質離解對溶液中離子活度、酸鹼平衡和元素存在形式產生影響。通過高溫高壓溶液電導測量已確定多種電解質的離解常數。

③水熱流體中成礦元素存在形式和沉澱條件的研究。通過礦物溶解度測定和高溫溶液光譜學研究，已確定主要成礦元素（銅、鉛、鋅、鐵、鎢、鉬、金、銀、汞、銻等）的氟、氯、羥基、碳酸、硫絡合物和複雜絡合物的穩定性及其熱力學參數。

④水－岩反應。岩石（或礦物）與水之間的化學反應是地殼中最常見的地球化學過程。研究玄武岩－海水反應后海水成分的變化、岩石的蝕變（見圍岩蝕變）、反應機理和控制反應的各種因素等，驗證了洋底擴張假說。水－岩反應的實驗研究還涉及熱液成礦作用、核廢料的地質處理、地熱能的開發和利用等。

⑤地球化學過程動力學實驗。主要研究礦物溶解速率，建立反應速率方程式，進行水-岩反應機理和礦物-流體界面現象的實驗等。各種可控制流速的循環式、流動式熱液設備的研製，促進了高溫高壓條件下定量動力學實驗研究的發展。

此外，礦物－熱水溶液體系中同位數分餾動力學和分餾係數的測定，礦物和岩石與有機溶液的反應，金屬有機絡合物高溫穩定性的實驗研究已成為實驗地球化學的新方向。

流體－礦物體系的實驗研究　溫度低於固相線溫度，壓力不超過10億帕。研究重點是礦物相。主要利用各種外加熱高溫高壓設備，研究固溶體礦物的成分界限、礦物與流體之間元素的分配及其與物理化學條件的關係，以及測定分配係數等。目的是建立地球化學指示劑，用於判斷成岩成礦過程的溫度、壓力和揮發份逸度等參數。另外以獲取礦物熱力學參數為目的的精確相平衡實驗和量熱學研究也是重要的研究方向。

硅酸鹽體系的高溫高壓實驗研究　溫度高於固相線溫度，壓力一般高於100萬帕。研究的重點是熔體相。所用設備包括內加熱高壓裝置和超高壓高溫設備。

岩石中微量元素的丰度、分配及其相互關係與成岩的物理化學條件密切相關。為建立微量元素地球化學指示劑，進行了流體－晶體－熔體中微量元素分配的實驗研究，特別是成岩元素、成礦元素、稀土元素在流體、礦物和熔體之間分配係數的測定已取得不少成果。

硅酸鹽熔體中揮發分和惰性氣體溶解度的實驗研究對於探討岩漿的產生、地殼－地幔體系的演化意義重大。通過硅酸鹽熔體（淬火玻璃）的拉曼光譜、穆斯鮑爾譜學研究，了解硅酸鹽熔體的結構，查明各種元素在硅酸鹽熔體中的結構作用，加深了認識岩漿熔體的本質。

水熱體系的實驗地球化學研究，也是水熱化學和許多技術科學共同感興趣的研究領域，是多種學科交叉研究的會合點，這方面的研究有可能取得重大突破。

[1] 數字中國 http://www.china001.com/show_hdr.php?xname=PPDDMV0&dname=B6A2K31&xpos=16

[2] 拓普網 http://www.toopoo.com/book/tushu/301-06072-6_mulu.html