具体描述
矿物学前沿：晶体结构与地球深部过程 作者：[此处可填入虚构的专家姓名，例如：Dr. Eleanor Vance] 出版社：[此处可填入虚构的学术出版社名称，例如：Terra Nova Academic Press] 页数：约 750 页 定价：[此处可填入虚构的价格，例如：£125.00 / $185.00] --- 内容概要： 《矿物学前沿：晶体结构与地球深部过程》是一部深入探讨现代矿物学核心概念、前沿实验技术以及这些知识如何应用于理解地球和行星内部复杂物理化学过程的专著。本书旨在为高年级本科生、研究生以及相关研究领域的专业人士提供一个全面且具有挑战性的视角，超越基础的矿物形态学和命名法，聚焦于原子尺度的相互作用、高压高温下的相变动力学，以及矿物学在地球化学循环和地球物理学中的关键作用。 本书的结构设计旨在引导读者逐步深入，从基础的晶体化学和对称性原理出发，过渡到尖端的同步辐射技术和计算模拟方法，最终聚焦于地幔、地核乃至系外行星内部矿物的行为预测。 --- 第一部分：晶体化学与结构解析的基石 本部分奠定了理解矿物宏观性质如何源于其微观原子排列的基础。 第一章：晶体对称性与电子结构 本章详细回顾了点群和空间群的数学框架，并将其应用于描述自然界中存在的230种空间群。重点讨论了劳埃德符号（Laue Symmetry）在矿物识别中的应用。此外，本章深入探究了离子半径、电荷密度和共价性在决定晶格常数和配位数中的作用。特别关注了键长-键角分布函数的统计学处理，以及配位多面体的几何变形对矿物稳定性的影响。电子结构部分，通过费米能级、态密度（DOS）的概念，解释了导电性、光学性质（如双折射率的各向异性）与电子轨道杂化的关系。 第二章：晶体缺陷与非化学计量 本章摒弃了理想晶体的概念，转而探讨实际晶体中普遍存在的结构缺陷。详细分析了点缺陷（如弗伦克尔缺陷、肖特基缺陷）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界）的形成能、迁移率及其对扩散过程的影响。对非化学计量矿物（如氧化铁、硫化物）的化学计量偏差进行了深入的量化分析，引入了维格纳-塞茨元胞模型和克洛斯特曼模型来描述缺陷在不同氧逸度下的平衡状态。重点讨论了位错的运动机制如何控制岩石在慢速形变下的流变学行为。 第三章：结构弛豫与相变动力学 本章聚焦于矿物在环境变化下如何重新组织其晶体结构。讨论了热力学驱动下的相变类型，包括一阶（涉及潜热）和二阶（连续）相变。详细阐述了成核与长大理论在矿物结晶过程中的应用。引入了阿伦尼乌斯和“应力驱动”模型来量化相变速率。对于固态扩散，本章详细分析了激活能的谱系，区分了晶界扩散、体扩散和滑移扩散的相对贡献，并用实验数据（如放射性同位素的比率）来验证这些模型的有效性。 --- 第二部分：先进的表征技术与实验探究 本部分侧重于现代矿物学赖以发展的前沿实验手段，这些技术能够实现原子尺度的精确观测和高能量条件下的原位分析。 第四章：同步辐射与中子散射技术在矿物学中的应用 本章探讨了同步辐射光源（Synchrotron Source）如何革新矿物学研究。重点分析了高能X射线衍射（XRD）在极端条件（高达150 GPa，2500 K）下的应用，特别是如何通过吸收边精细结构光谱（XANES）确定局部原子配位环境和氧化态。详细阐述了粉末衍射与单晶衍射在确定复杂晶体结构中的优缺点。同时，中子散射（特别是高通量飞行时间中子衍射）被深入分析，强调其在区分轻元素（如氢、锂）和精确测量晶格振动（声子谱）方面的独特优势。 第五章：高压高温实验方法论与矿物合成 本章详细介绍了实现地球深部条件模拟的实验装置和技术。对六面砧、柱塞式（Bazzar Cell）和金刚石对顶砧（DAC）系统的设计原理、压力和温度标定方法进行了比较分析。强调了在DAC中使用激光加热、电阻加热和激光耦合中子束进行原位结构监测的挑战与解决方案。合成部分，重点讨论了通过溶剂捕捉法、熔剂熔融法以及高温固相反应法合成具有地幔意义的非天然相（如高密度硅酸盐相、钙钛矿结构）的工艺控制。 第六章：光谱学与电子探针分析 本章回归到实验室尺度的分析技术。对拉曼光谱、红外光谱（FTIR）和光致发光（PL）在识别分子基团（如水、CO2在矿物中的溶解度）、晶格振动模式和半导体矿物特性方面的应用进行了深入阐述。详细描述了电子微探针（EMP）的定量分析流程，包括波长色散光谱（WDS）和能量色散光谱（EDS）的数据采集、校正模型（ZAF修正）以及在微区成分分析中的精度评估。 --- 第三部分：矿物学在地球系统科学中的应用 本部分将结构和实验发现与地球科学的宏大问题联系起来，探讨矿物学如何驱动地球的演化。 第七章：地幔矿物学的结构与动力学 本章的核心是解释地幔的物理状态。详细分析了橄榄石（Olivine）的晶体结构如何应对地幔的温度梯度，特别是其在高压下的多晶型转变（如橄榄石 $
ightarrow$ 尖晶石结构 $
ightarrow$ 柯石文 $
ightarrow$ 后尖晶石相）。探讨了过渡带（Transition Zone）中水对矿物稳定性的影响，以及水在矿物晶格中（例如，OH基团）的溶解机制和扩散途径。本章也深入探讨了高压下粘滞度（Viscosity）与晶体缺陷（位错密度）之间的耦合关系，对地幔对流模型的构建提供了结构学基础。 第八章：地核矿物学：铁合金与低速带 本章专注于地球最深处的铁镍合金的结构预测。结合DFT（密度泛函理论）计算结果，分析了在超高压下液态铁的结构演化及其对地磁发电机的影响。讨论了外核中轻元素（如S、O、Si）的溶解机制，以及这些元素如何影响合金的熔点和密度。对于固态内核的结构，重点分析了六方紧密堆积（HCP）铁与立方晶系（FCC）铁的相图，以及层状硅酸盐在D''层（Core-Mantle Boundary）的分解和反应过程，解释了地震波低速带的成因。 第九章：行星际过程与非地球矿物学 本章将视角扩展到太阳系内的其他天体。分析了陨石中发现的极端高压矿物（如 হীর石、Shock Melt）的形成机制，利用冲击波实验数据重建了撞击事件的压力-时间历程。讨论了火星、月球表面水合矿物（如粘土矿物、硫酸盐）的形成环境及其对水循环历史的指示意义。最后，引入了系外行星矿物学的概念，探讨了围绕不同恒星的行星在其内部可能形成的奇异矿物相，如富含碳或镁的硅酸盐结构，并预测了它们的热力学稳定性。 --- 目标读者与特色： 本书的深度和广度使其成为材料科学家、地球物理学家、地球化学家和行星科学家的重要参考书。它不仅提供了坚实的理论基础，更通过大量的实例和最新的实验数据，展现了现代矿物学在解决地球系统科学重大问题中的前沿地位。本书的特色在于其计算矿物学与高压实验数据的有机结合，强调理解原子尺度的基本原理如何驱动地球深部的宏观现象。 ---
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