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出版者:

作者:张有学

出品人:

页数:531

译者:

出版时间:2010-1

价格:55.00元

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isbn号码:9787040281972

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《大地回响：地球化学的奇妙旅程》 序言 我们赖以生存的地球，是一个生机勃勃、瞬息万变的动态系统。从巍峨的山脉到深邃的海洋，从炽热的地心到浩瀚的大气，无数物质和能量在其中交织、转化，奏响着一曲宏大的大地交响乐。而这支交响乐的指挥者，正是那看不见却无处不在的“地球化学动力学”——驱动着地球物质循环、能量流动以及生命演化的深层机制。 本书并非一本严谨的教科书，也不试图穷尽地球化学动力学的所有理论和模型。相反，它是一次充满好奇心与探索欲的旅程，旨在带领读者穿梭于地球的各个角落，亲身感受那些正在发生的、塑造着我们星球的伟大化学过程。我们将聚焦于那些引人入胜的现象，解析其背后的化学原理，并尝试理解它们与我们日常生活、乃至整个地球未来的紧密联系。 旅程的起点，是那些我们最熟悉却又最容易忽视的元素。碳，生命的基石，它如何从大气中被吸收，又如何在漫长的时间里沉淀为煤炭与石油？氮，空气的组成部分，它如何被固定，又如何成为滋养生命的养分？水，生命的源泉，它在地球化学循环中扮演着怎样的角色，又如何驱动着地表的风化与侵蚀？我们将深入探讨这些基本元素在地球不同圈层间的迁移与转化，揭示其在塑造地貌、影响气候、维持生态平衡中的关键作用。 我们将目光投向地球的内部，那里隐藏着更加剧烈而神秘的化学活动。地幔的对流如何驱动板块运动，火山喷发又带来了怎样的物质交换？岩浆的结晶与分异，是如何创造出丰富多样的岩石矿物？地下水的化学性质，如何影响着矿产资源的形成？我们将穿越地壳的束缚，进入地球的心脏地带，去感受那股蕴含在岩石与熔岩中的强大化学力量，理解它们如何塑造着地球的构造格局，并为地表的生命提供物质基础。 旅程的脚步不会止步于无机世界。生命，作为地球上最独特的化学现象，又是如何与无机化学相互作用，共同演化的？光合作用如何将太阳能转化为化学能，驱动着整个生态系统的运转？微生物如何在土壤、海洋以及极端环境中，进行着至关重要的化学转化，影响着元素的循环和物质的生成？我们将探索生物地球化学的奇妙融合，理解生命与岩石、水、大气之间的精妙配合，以及它们共同创造出的独特地球生命圈。 本书还将带我们审视那些影响深远的地球化学现象。酸雨的形成与危害，如何体现了大气化学的失衡？温室效应的加剧，又与我们排放的化学物质有着怎样的因果关系？海洋酸化，是否威胁着珊瑚礁的生存，又将对全球生态系统产生怎样的连锁反应？我们将关注那些由人类活动引发的地球化学变化，反思我们在地球系统中的角色，并思考如何以更负责任的态度，与我们共同的家园和谐共处。 在这段旅程中，我们不回避那些复杂的化学反应和过程。但我们将尽力以生动形象的比喻和通俗易懂的语言，将它们呈现给读者。我们相信，即使是最抽象的化学概念，也能在具体的地球现象中找到生动的注脚。从古老的化石燃料的形成，到现代能源的开发利用；从自然界的元素循环，到工业生产中的化学转化；从地球的诞生与演化，到人类文明的兴衰更替，处处都闪耀着地球化学动力学的智慧之光。 “大地回响”不仅仅是一本书名，它更是我们希望传达的一种理念：地球的每一处变化，每一次呼吸，每一次脉动，都在发出属于自己的化学讯息。理解这些讯息，便是理解我们自身，理解我们所处的这个宏大而精妙的宇宙。 愿这段探索地球化学动力学的旅程，能点燃你对我们星球的更多好奇，激发你对自然科学的更深兴趣，并让你以一种全新的视角，去感受我们脚下这片土地的深邃与壮丽。 第一章：元素的低语——生命之源与大地之本 我们的星球，由无数种元素构成。然而，正是那其中一些“平凡”的元素，在地球化学动力学的宏大叙事中，扮演着至关重要的角色。本章，我们将从最基本的元素——碳、氧、氮、氢、磷、硫——的视角出发，探寻它们在地质历史长河中如何被塑造，如何在地球的固、液、气三相之间循环往复，并最终成为支撑地球生命繁衍生息的物质基础。 碳：生命的骨架与气候的调节者 想象一下，一片广袤的森林，郁郁葱葱，生机勃勃。这片绿色，正是由碳元素搭建起来的。植物通过光合作用，将大气中的二氧化碳转化为有机分子，构建出生命的躯体。但碳的旅程远不止于此。当植物死亡，其残骸在厌氧条件下被埋藏，历经数百万年的高温高压，最终可能成为煤炭、石油或天然气——这些地球赋予我们的宝贵能源，同时也是过去生命活动的“化学印记”。 地质学家们告诉我们，地球历史上曾发生过多次“碳爆发”，例如恐龙时代，大气中的二氧化碳含量极高，导致了温暖湿润的气候。而另一些时期，例如冰河时代，大量的碳被封存在岩石或海洋中，使得大气中的二氧化碳浓度骤降，气候变得寒冷。这些自然界的碳循环，以一种宏大而缓慢的节奏，调控着地球的温度，影响着生命的分布与演化。 当我们将视线转向人类活动，工业革命以来，我们以前所未有的速度从地壳中提取并燃烧这些古老的碳储存。煤炭、石油、天然气的燃烧，将大量的二氧化碳重新释放到大气中，这正是当前全球气候变化的核心驱动力之一。我们燃烧化石燃料的过程，并非简单的能量获取，而是一次跨越亿万年的“化学考古”，它正在深刻地改变着地球大气的化学组成，进而影响着地球的“体温”。 氧：呼吸的火花与岩石的风化 氧，不仅是生命呼吸所必需的气体，也是地球表面岩石风化的重要“推手”。大气中的游离氧，主要来源于植物的光合作用，它持续地为地球提供着生命所需的“火花”。然而，当氧气与地表暴露的矿物接触时，化学反应便悄然发生。铁的氧化，形成红色的锈迹；硫化物矿物的氧化，可能产生酸性物质。这些氧化反应，如同“化学的锯子”，一点点地分解着坚硬的岩石，将其中的元素释放出来，为新的矿物形成或水溶性元素的迁移创造条件。 想象一下，一座巍峨的山峰，历经风雨侵蚀，最终化为山脚下的泥土。其中，氧气的氧化作用功不可没。它改变着矿物的化学组成，使其结构变得不稳定，更容易被物理侵蚀（如风吹雨打）所破坏。这种“化学风化”与“物理风化”的协同作用，是塑造地球地貌、创造土壤层的关键过程。 氮：生命的循环与生态的平衡 氮，是构成蛋白质和核酸的重要元素，是生命不可或缺的“建筑材料”。然而，大气中约78%的氮气，却处于一种惰性状态，大多数生物无法直接利用。这时，地球化学动力学中的“氮循环”便展现了它的神奇。 首先，闪电的能量或土壤中的固氮细菌，能够将氮气转化为可以被植物吸收的氨或硝酸盐。植物吸收这些氮化合物，构建起自身的生物质。当生物体死亡，或通过排泄作用，氮元素又会经历硝化、反硝化等一系列化学转化，最终重新回到大气中，完成循环。 这个循环看似简单，却至关重要。它决定了土壤的肥力，影响着植物的生长，进而牵动着整个生态系统的健康。人类的活动，如化肥的大量使用，显著增加了氮在土壤和水体中的浓度，导致了富营养化、水体蓝藻爆发等一系列环境问题，这正是对自然氮循环的“化学干预”。 氢与水：地球的生命线与地质的塑造者 氢，最轻盈的元素，它的氧化物——水，则是地球上最为普遍也最为重要的物质。水不仅是生命的载体，更是地球化学过程中的“万能溶剂”和“化学媒介”。 水在地壳中的循环，是一个庞大而复杂的地球化学旅程。雨水落下，溶解大气中的酸性气体，成为弱酸性的“化学家”，开始侵蚀地表岩石。渗透地下，溶解矿物中的离子，成为“携带者”，将物质输送到远方。汇入江河湖海，参与更为复杂的化学反应，最终蒸发，重新升入大气。 想象一下，一个温泉，它从地底深处涌出，携带着地幔深处的化学信息。温泉水的化学成分，如硫化物、碳酸氢盐等，揭示了地下岩石的组成以及与高温高压水的相互作用。这些信息，对于我们理解地壳物质的迁移、矿产资源的形成，乃至预测火山活动，都具有重要的意义。 水与岩石的相互作用，远不止于溶解。在高温高压条件下，水还能催化岩石的变质，形成新的矿物。例如，在地壳深处，水的存在能够降低岩石的熔点，促进岩浆的形成，而岩浆的上升与喷发，又将地幔的物质带到地表，开启新的地球化学循环。 磷与硫：生命密码与地质的痕迹 磷，是生命体的遗传物质（DNA）和能量载体（ATP）的重要组成部分。尽管在地球化学循环中的总量相对较少，但其浓度变化对生态系统的健康有着决定性的影响。磷的来源主要是岩石的风化，它在水体中的迁移过程相对缓慢，一旦进入水体，往往会成为限制性营养元素。磷的过度富集，同样会导致水体富营养化，破坏水生生态系统。 硫，则与生命的代谢活动以及地质过程密切相关。大气中的二氧化硫，是火山喷发和人类燃烧含硫燃料的产物，它在大气中氧化形成硫酸，是酸雨的主要成分。土壤和水体中的硫化物，则在微生物的作用下，参与着复杂的氧化还原反应，影响着元素的迁移和矿物的形成。 例如，深海热液喷口附近，富含硫化物的化学环境，孕育了独特的“化能合成”生态系统，这里的生物并不依赖阳光，而是依靠硫化物等化学物质提供的能量来生存。这揭示了地球化学动力学如何为生命的出现和演化提供多样的可能。 通过对这些基本元素的“低语”的倾听，我们得以窥见地球化学动力学的宏伟图景。它们并非孤立存在，而是相互联系，相互制约，共同谱写着地球物质循环与生命演化的壮丽篇章。理解这些元素的行为，便是理解我们星球的过去、现在与未来。 第二章：大地之心——熔岩、矿物与地球的内部动力 地球，并非一块静止的岩石。在地表之下，是一个充满活力、高温高压的地下世界，那里涌动着熔岩的洪流，孕育着形态各异的矿物，驱动着板块的运动。本章，我们将深入地球的“心脏”，去探寻那些塑造着我们星球地貌、影响着地表物质组成的地球化学过程。 熔岩之舞：从地幔到地表 火山，是地球内部化学活动的“窗口”。当我们看到火山喷发的熔岩，我们看到的不仅仅是炽热的岩浆，更是来自地球深处物质的化学“叙述”。熔岩的成分，并非千篇一律，它取决于其形成的深度、周围的围岩以及经历的化学反应。 地幔深处，那熔融的岩石，被称为“原始熔岩”或“玄武岩质熔岩”。它富含铁、镁等元素，密度较大。当这些熔岩上升至地壳，经过减压熔融、部分结晶分异以及与地壳岩石的相互作用，其化学成分会发生显著改变，形成成分更复杂的“安山岩质熔岩”或“流纹岩质熔岩”，后者通常富含硅、铝等元素，黏度也更高，喷发时往往伴随剧烈的爆炸。 熔岩的冷却与凝固，是创造矿物的起点。在熔岩流动的过程中，各种元素在高温下相互结合，形成特定的晶体结构。这种“结晶”过程，如同一次精密的化学“编排”，将游离的元素按照一定的化学“规则”组织起来，形成了我们所见的各种矿物。 矿物王国：元素的化学“签名” 矿物，是大自然中最基本、最纯粹的化学物质。每一种矿物，都拥有独特的化学成分和晶体结构，它们如同元素的“化学签名”，记录着形成它们的环境信息。 例如，富含铁和镁的橄榄石，是地幔深处常见的矿物，它的存在指示着较高的温度和压力。而富含硅和铝的长石，则在地壳中广泛分布，它们是构成花岗岩等大陆岩石的主要成分。石英，一种纯净的二氧化硅矿物，其坚硬的性质和广泛的分布，使其成为地质学研究的“经典模型”。 金属矿产，如铜、金、银、铁矿石等，它们的形成与特定的地球化学过程紧密相关。例如，铜矿常常与火山热液活动有关，当富含铜离子的热水在地壳裂隙中循环，并在适宜的温度和压力下沉淀，便形成了铜矿床。金的分布则更为稀少，其富集往往需要漫长而复杂的地球化学过程。 研究矿物的化学成分和晶体结构，可以帮助我们追溯地球的演化历史，理解地壳物质的形成与演变，并为寻找和开发矿产资源提供重要的科学依据。 板块的律动：热液活动与大陆的漂移 地球的表层，并非一个整体，而是由几块巨大的“板块”组成，这些板块在地幔上缓慢地漂移、碰撞、分离，驱动着地震、火山活动和山脉的形成。而这一切的背后，是地球内部巨大的热量和物质交换。 在中洋脊，新的地壳不断生成，熔岩从地幔涌出，冷却形成新的玄洋壳。在这个过程中，海水会渗透到岩石裂隙中，与高温的岩石发生强烈的化学反应，形成“热液”。这些热液携带者大量的金属离子和溶解气体，从海底喷出，形成壮观的“黑烟囱”和“白烟囱”。 热液活动，不仅是物质交换的重要途径，也是许多矿产资源形成的关键环节。例如，海底的硫化物矿床，就主要形成于热液喷口附近。 当大陆板块碰撞，喜马拉雅山脉这样的高大山脉便拔地而起。这个过程，也伴随着剧烈的地壳变质作用，岩石在高温高压下发生化学重组，形成新的变质岩。 当大陆板块分离，例如东非大裂谷，地壳开始拉伸，岩浆活动随之增加，形成裂谷地形。 地球内部的物质运动，是一个复杂而连续的化学过程。地幔的对流，驱动着板块的运动；岩浆的生成与冷却，创造着地壳的物质组成；热液活动，则在海底和陆地上进行着重要的物质交换。这些过程，共同塑造着我们星球的面貌，也为生命的演化提供了多样的环境。 第三章：生命的化学——从微生物到生态系统的化学共舞 生命，是地球上最令人着迷的化学现象。我们熟知的宏观生物，只是地球化学动力学宏大图景中的一部分。事实上，那些微小的、肉眼看不见的微生物，在地球化学循环中扮演着不可替代的角色，它们是地球“活”起来的关键。本章，我们将探索生命与化学的精妙互动，揭示微生物如何驱动着地球物质的转化，以及整个生态系统如何构成一个复杂的地球化学网络。 微生物的化学魔法：元素的转化者 在土壤、水体、甚至地壳深处，无数的微生物正进行着它们的“化学工作”。它们利用各种化学反应来获取能量和维持生命，而这些反应，恰恰是地球化学循环的核心驱动力。 固氮作用： 前面提到，大气中的氮气对大多数生物是不可用的。然而，土壤中的固氮细菌，能够利用特殊的酶，将氮气转化为氨，供植物吸收。这个过程，是陆地生态系统氮供应的关键。 硝化与反硝化： 氨在好氧条件下，会被硝化细菌氧化成硝酸盐，这是植物最易吸收的氮形态。而当环境缺氧时，反硝化细菌则会将硝酸盐还原成氮气，重新释放到大气中，完成氮循环。 硫的转化： 硫细菌在自然界扮演着至关重要的角色。它们能够氧化硫化物，产生能量，并将硫元素以不同的形式传递。例如，在某些水体中，硫细菌可以氧化硫化氢，防止其对生物体产生毒害。 甲烷的生成与利用： 在厌氧环境中，如湿地、沼泽或动物的消化道，一些古菌能够产生甲烷（CH4）。甲烷是一种重要的温室气体，但也可能被好氧的甲烷氧化菌所消耗。 这些微生物的化学活动，看似微不足道，但它们构成了地球生物地球化学循环的“引擎”。没有它们，元素的循环将停滞，生命也将无法维系。 生物地球化学循环：相互依存的化学网络 地球上的物质，并非在各自的圈层中独立存在，而是通过一系列复杂的生物地球化学循环，在固、液、气、生四圈之间流动。 碳循环： 除了我们前面提到的光合作用与化石燃料的燃烧，微生物在碳循环中也发挥着重要作用。它们分解动植物残骸，将有机碳转化为二氧化碳，重新释放到大气或土壤中。在海洋中，浮游生物的光合作用是重要的碳汇，而海洋微生物的活动则影响着溶解的二氧化碳浓度。 水循环： 水的蒸发、降雨，本身就是物理过程，但水的化学性质（如溶解性、酸碱度）使其能够溶解和携带各种化学物质，影响着地表的化学组成。植物的蒸腾作用，也是水循环的重要组成部分，并与土壤的化学性质相互影响。 磷循环： 磷的循环相对缓慢，主要通过岩石风化释放，然后通过生物吸收、死亡与分解，以及沉积等过程进行。水体中的磷含量，对藻类等浮游生物的生长至关重要，其富集常导致水体富营养化。 硫循环： 硫的循环涉及大气、水体、土壤和生物体。火山活动、化石燃料的燃烧是大气中硫化物的主要来源，而微生物的氧化还原作用是驱动硫在不同形态间转化的关键。 这些循环相互交织，形成了一个动态平衡的地球化学网络。任何一个环节的改变，都可能对整个系统产生连锁反应。 生态系统的化学信号：从土壤到海洋 每一个生态系统，都是一个精密的化学实验室。 土壤： 土壤的形成与演化，是矿物风化、有机物分解、微生物活动以及气候等多种因素共同作用的结果。土壤的化学性质，如pH值、有机质含量、养分浓度，直接决定了植物的生长条件，也影响着土壤微生物的活性。 海洋： 海洋是巨大的碳汇和物质交换场所。海水中的溶解氧、盐度、pH值、营养盐浓度等化学参数，影响着海洋生物的分布和生长。海洋中的浮游生物，通过光合作用固定大量的二氧化碳，同时也是海洋食物链的基础。海底的热液喷口，则形成了一个独特的化能合成生态系统，不依赖阳光，而是依靠化学能维生。 生命与地球化学的共演化 生命并非仅仅是地球化学过程的“产物”，它更是地球化学动力学的重要“参与者”和“塑造者”。数亿年来，生命与地球化学环境相互影响，共同演化。 早期地球的还原性大气，在蓝细菌出现后，逐渐被氧气所“氧化”。恐龙时代的地球，可能因为植物的繁盛而拥有更高的二氧化碳浓度。而我们现在所处的时代，人类的活动正在以前所未有的速度改变着地球的化学组成，这必将驱动着地球化学与生命的新一轮演化。 结语：倾听大地的声音 “大地回响：地球化学的奇妙旅程”即将抵达终点，但对地球化学动力学的探索永无止境。我们所看到的，只是冰山一角。每一次潮汐的涨落，每一次山川的形成，每一次生命的呼吸，都在向我们诉说着地球化学的奥秘。 地球化学动力学，是理解地球系统运作的钥匙。它不仅解释了地球的过去，更指引着地球的未来。它提醒我们，我们是这个宏大而精妙的地球化学网络中的一部分，我们的行为，无论大小，都在深刻地影响着这个星球的化学平衡。 希望这段旅程，能让你对我们脚下的这片土地，有更深刻的认识，更饱满的好奇，以及更深沉的敬畏。去倾听大地母亲的声音吧，她正在用化学的语言，诉说着关于生命、关于演化、关于未来的故事。

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这本书的排版和装帧质量堪称一流，这在学术专著中并不多见。纸张的质感细腻，印刷的墨色浓郁清晰，即便是那些高密度的公式和复杂的晶体结构图，也能看得一清二楚，长时间阅读下来眼睛也不会感到疲惫。我想对于那些需要长期参考和查阅的专业人士来说，这种细节上的关怀是至关重要的。内容组织上，结构划分得极其清晰，章节间的过渡自然流畅，使得知识体系的构建非常稳固。我尝试跳跃性地阅读不同章节，发现即便是跨度较大的主题，也能通过清晰的内部引用和概念回顾，保证了阅读的连贯性。这种对细节的极致追求，体现了出版方对知识传播的尊重，也让阅读体验本身成为一种享受。

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这本书的封面设计非常引人注目，那种深邃的蓝色调，仿佛直接将你拉入了浩瀚的宇宙深处，让人不禁对手中的内容产生了极大的好奇心。当我翻开第一页，映入眼帘的是对物质循环过程的细腻描绘，那种将宏观地质现象与微观化学反应紧密结合的叙事方式，着实让人耳目一新。作者显然在这方面投入了极大的心血，不仅概念阐释得清晰透彻，而且辅以大量的实例和图表，即便是初次接触这类复杂理论的读者，也能很快抓住重点。特别是关于同位素示踪技术在研究地幔对流中的应用那几章，讲解得深入浅出，那种层层递进的逻辑推导，让人感觉自己仿佛跟随科学家们一起，在地球内部进行了一场精彩的探索之旅。读完这部分内容，我对地球的动态平衡有了一种全新的、更深层次的理解，它不再是静止的岩石集合，而是一个充满活力、不断演化的复杂系统。

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坦率地说，这本书的知识密度极高，初次接触者可能会感到一定的挑战。例如，在涉及流体力学和扩散理论与矿物反应速率结合的部分，需要读者具备扎实的物理化学背景。我个人花了相当长的时间去消化理解那些关于界面张力和扩散系数的讨论，感觉自己像是在攀登一座陡峭的山峰。然而，一旦跨越了最初的门槛，随之而来的成就感是无与伦比的。作者在提供硬核理论的同时，也巧妙地设置了一些“思考题”或“延伸阅读”的提示，鼓励读者主动去探索更广阔的研究领域。这种培养读者独立思考和批判性分析的能力的教学方法，远比单纯的知识灌输来得更有价值。这本书，无疑是为那些渴望深度钻研、不惧怕复杂性的硬核学习者准备的盛宴。

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我必须说，这本书的行文风格充满了学术的严谨性，但绝不枯燥乏味。作者似乎拥有一种魔力，能将那些原本令人望而生畏的数学模型和热力学原理，转化成生动的故事。我特别欣赏其中关于岩浆房演化和矿物分异过程的论述，那些关于温度、压力梯度如何精妙地控制着地球深处物质迁移的描述，简直就像一出精心编排的化学交响乐。更难得的是，作者在讨论理论的同时，始终保持着对现实观测数据的尊重和结合，比如通过对现代火山喷发物的分析来反推古代地球的化学状态，这种“古为今用，今为古鉴”的思路，极大地增强了本书的实用价值和可信度。我感觉自己像一个侦探，手里拿着线索，一步步解开了地球形成与演化过程中的诸多谜团。

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这本书最让我欣赏的一点，是它对“时间尺度”这一核心概念的深刻把握。地球化学的过程，往往跨越数百万乃至数十亿年，如何在一个有限的篇幅内，有效地传达这种跨越漫长岁月的变化轨迹，是一项巨大的挑战。这本书做到了，它通过对比不同的地质纪元的化学特征，清晰地展示了地球系统是如何在能量输入和输出的驱动下，不断地进行“自我重塑”。阅读过程中，我时常会产生一种强烈的历史感和敬畏感，仿佛时间被压缩并浓缩在了这些文字和图表中。它不仅仅是一本关于化学反应的书，更像是一部关于地球“生命史诗”的编年史，引导我们思考人类活动对这个古老星球未来化学走向的潜在影响。

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太专业了。。。

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