Geochemical and Biogeochemical Reaction Modeling pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Bethke, Craig M.

出品人:

页数:564

译者:

出版时间:2008-1

价格:$ 113.00

装帧:

isbn号码:9780521875547

丛书系列:

图书标签:

• 地球化学
• 生物地球化学
• 反应模型
• 地球系统
• 环境科学
• 水化学
• 矿物学
• 数值模拟
• 地球动力学
• 污染环境

地质化学与生物地球化学反应模拟 一本深入探讨地球系统关键过程的书籍 第一章：地球化学基础与反应动力学 本书的开篇将为读者构建一个坚实的地球化学基础。我们将从物质在地球内部和表层环境中的基本分布和迁移规律入手，详细阐述热力学定律如何支配地球化学反应的平衡状态。内容将涵盖溶解度、离子交换、络合反应等核心概念，并引入化学势和活度系数的计算方法，为后续的复杂模拟奠定理论基石。 随后，我们将深入探讨反应动力学。地球化学过程很少能立即达到平衡，因此理解反应速率至关重要。本章将系统介绍均相和非均相反应的速率方程，重点分析活化能、催化剂作用以及温度和压力对反应速率的控制机制。特别是，对于那些由矿物表面控制的溶解与沉淀过程，我们将结合表面络合理论和扩散限制模型，阐述如何量化这些关键的地球化学转化速率。 第二章：水岩相互作用与矿物地球化学 水是地球上物质迁移和转化的主要介质。本章将聚焦于水岩相互作用的复杂性。我们将详细讨论水体中常见离子（如硅酸盐、碳酸盐、铁、锰等）的溶解过程，以及它们与矿物表面的物理化学反应。 重点章节将用于解析风化过程——无论是化学风化还是物理风化——如何驱动地球表面的物质循环。我们将展示如何利用动力学模型模拟不同气候带和地貌条件下，特定矿物（如长石、云母、橄榄石等）的侵蚀速率。此外，本章还会涉及流体包裹体分析中涉及的压力-温度-化学成分（P-T-X）关系，以及岩浆作用和变质作用中流体驱动的反应路径。 第三章：生物地球化学过程的耦合 生命活动对地球化学循环的影响是深刻且广泛的。本章将系统地整合生物过程与非生物地球化学反应。我们将探讨微生物代谢活动，如氧化还原反应（如厌氧呼吸、硫酸盐还原、甲烷生成）如何改变局部环境的氧化还原电位（Eh）和pH值，从而驱动金属的迁移和沉淀。 微生物细胞表面（EPS）与矿物颗粒的相互作用是本章的另一个重点。我们将分析生物膜的形成如何影响矿物溶解速率，并讨论生物矿化过程——即有机体直接或间接参与的矿物沉淀。对于氮、硫、磷等关键营养元素的生物地球化学循环，本章将提供详细的反应路径图和相关的速率方程，强调生物过程对全球元素循环的反馈作用。 第四章：反应路径模拟的数值方法与软件应用 理论模型必须通过有效的数值方法求解才能应用于实际问题。本章将聚焦于反应路径模拟的技术实现。我们将从反应平衡计算（如Gibbs自由能最小化法）入手，逐步过渡到涉及大量物种和反应的非平衡态模拟。 核心内容将是求解耦合了扩散、对流和反应项的偏微分方程组（例如，反应-迁移方程）。我们将详细介绍有限差分法、有限元法和有限体积法在地球化学模型中的应用，并讨论如何处理复杂边界条件和多孔介质中的溶质迁移。本章还将提供实际案例分析，展示如何利用成熟的地球化学软件（如PHREEQC、Geochemical Workbench等）来模拟地下水地球化学演化、污染羽流迁移以及深层地质封存等实际工程问题。 第五章：同位素地球化学与示踪技术 同位素是理解地球化学过程历史和速率的强大工具。本章将详细阐述稳定同位素（如氧、氢、碳、硫的 $delta$ 值）和放射性同位素（如U-Pb, Rb-Sr, K-Ar）在地球化学研究中的应用。 理论上，我们将解释同位素分馏的机制，区分热力学分馏（平衡分馏）和动力学分馏（速率控制分馏）。在应用层面，本章将展示如何利用同位素“指纹”来区分水体来源、识别矿物形成温度、确定反应时间尺度，以及追踪污染物迁移路径。例如，通过分析特定反应的动力学同位素效应（KIE），我们可以量化生物地球化学反应的速率常数。 第六章：复杂地球系统中的多尺度耦合 现代地球科学面临的主要挑战是如何将微观尺度的分子作用与宏观尺度的地球系统联系起来。本章将探讨多尺度耦合模型。 我们将讨论如何将原子尺度的密度泛函理论（DFT）计算结果，用于校准介观尺度的矿物表面反应动力学参数，进而输入到描述宏观水文地质过程的模型中。重点案例将包括：在沉积物-水界面，如何模拟微生物群落结构（生物尺度）如何影响有机质的降解速率（化学/生物尺度），以及这些速率如何共同决定区域地下水的地球化学特征（地质尺度）。本章旨在引导读者超越单一尺度的思维定式，理解地球系统作为一个高度耦合的反馈网络是如何运作的。 第七章：地球化学模型的校准、不确定性分析与前沿展望 任何地球化学模型都依赖于输入参数和假设。本章将侧重于模型的实用性与可靠性。我们将介绍如何通过现场数据和实验结果对模型进行校准（Calibration）和验证（Validation）。 鉴于地球系统的复杂性，输入参数往往存在固有的不确定性。本章将系统介绍贝叶斯方法、蒙特卡洛模拟等不确定性分析工具，用以量化预测结果的置信区间。最后，本书将展望地球化学模拟的前沿领域，包括极端环境（如深海热液口、地下深层碳酸盐岩）中的反应建模、气候变化背景下的碳循环反馈机制，以及利用机器学习辅助地球化学参数估计的新兴方向。 --- 适用读者对象： 本书面向地质学、环境科学、化学工程、水文学以及地球物理学等相关领域的高年级本科生、研究生以及致力于地球系统科学研究的专业人士。读者应具备基础的化学、物理学和微积分知识。本书力求在理论深度和工程应用之间取得平衡，提供理解和模拟复杂地球化学现象的全面工具箱。

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