坚持自主创新　开辟地球化学动力学新领域——记第二届“新华联科技奖”杰出成就奖获得者、中国地质科学院矿产资源所研究员张荣华

2013-11-21

张荣华，中国地质科学院矿产资源所研究员，博士生导师。1963年毕业于北京大学地球化学专业，1966年毕业于中国地质科学院研究生院。上世纪80年代初，赴美国加里福尼亚大学伯克利和普林斯顿大学留学。1986年自筹经费开始建起我国第一台高温高压流动反应装置。多年来，坚持发明、研制系统化的高温高压流动反应装置，于1992年正式成立我国首个具有国际先进水平的地球化学动力学开放研究实验室，任地质矿产部地球化学动力学开放研究实验室主任和学术委员会副主任。1996年建立我国首台高温超高压（1000ºC，3万巴）流体实验装置，成为我国第一个高温超高压流体实验室。

先后担任“八五”、“九五”、“十五”地矿部、国土资源部重大基础项目首席科学家，任全国理化数据库项目首席科学家，主持或参与973计划、海洋863计划、国际合作、地调项目等。任国际科学数据委员地球热力学数据组中国任务组组长、国际矿床成因委员会工业矿物岩石委员会副主席等。出版专著5部，研究报告30多份。发表论文200篇，SCI收录43篇。获得国家发明专利6项，实用新型2项。曾获国土资源科技奖一等奖、2010年度国家技术发明奖二等奖，三次获得地矿科技成果奖二等奖和国土资源科技奖二等奖。2012年获中国地质科学院“新华联科技奖”杰出成就奖。

一、发明新的实验仪器，开辟地球化学动力学新领域

1984年，张荣华研究员提出实现固体地球科学两大重要的科学变革,一是从“平衡、封闭、静态”转向“非平衡、开放、动力学”研究；二是由地表样品“冷鉴定”转向“超高压高温下原位直测”，认识地球深内部，发展地球化学动力学新领域。

地球化学动力学是研究地球内部的化学过程，矿物、岩石–流体反应速率、反应机制，金属来源、迁移和堆积过程。张荣华研究员率先创建了模拟地球内部高温高压环境的实验装置、方法技术，再进一步实现原位观测高温高压过程，取得实验数据，相关成果获得国家技术发明奖二等奖。

1．发明了新型高温高压化学传感器，实现高温高压流体化学参数原位直接测量

攻克了适于洋中脊、地球深部和极端条件探测的国家关键技术，发明了多种新型高温高压化学传感器，适于400°C、40MPa（或更高温、压）流体原位测量pH、H2、H2S、Eh和电导率性质。

（1）高温高压pH传感器Zr/ZrO2电极，国际上首次发明并制作为高温高压化学传感器；（2）高温高压H2化学传感器，发明金电极新结构，更耐高温；（3）高温高压H2S化学传感器；（4）Zr/ZrO2电极制作方法和集成化高温高压化学传感器；（5）两类高温高压化学传感器标定实验平台。

2．发明有高温高压窗口观测的反应器，实现了原位观测高温高压流体

发明了可置于紫外谱仪中的带石英窗口高压腔，在400°C/40MPa直接测量高温高压流体的紫外可见谱，可测量温度压力，性能优于国外产品。

引进并改进了水热金刚石压砧，开创性地把探测高温高压流体的金刚石压腔与红外显微镜相连接，实现了高温高压流体原位红外谱测量，压力3～30万大气压，1000℃。

3．开创高温高压流动反应器与直测化学参数和多种谱学方法的整合技术

研制了一系列高压高温开放体系流动反应装置，包括各类流动体系，叠层反应器、搅拌型反应器。在400°C/40MPa（或更高温压）测量反应速率，电导监测，实时记录，计算机控制。1996年发明研制高温高压、500°C/50MPa下水–气多元、多道超临界流体萃取装置，即我国首套超临界水-气混合流体萃取装置。之后，又发明研制了超临界流体气液相分离实验装置，实现了窗口观测、传感器原位探测与高温超高压反应动力学实验的技术整合。这一突破对地学、化学化工、材料、极端条件、过程分析化学都具有重大意义。

二、以实验为基础，发展地球化学动力学新前沿领域

依据地面静止的冷岩石、地质作用的终结产物去推测地球内部具有很大的局限性。为了认识地球内部高温高压过程，张荣华研究员使用发明的新仪器进行实验，获得一大批大于300°C的高温高压矿物流体反应动力学新数据，填补了国际空白。模拟地壳内部高温高压水/岩相互作用的化学动力学过程，进行了550°C/25MPa玄武岩与水流动反应实验和最高温度水岩反应实验。

通过实验发现，跨越临界态时矿物（岩石）的化学动力学涨落是导致大多数金属矿石沉淀原因。还发现了固液体系的自组织现象——化学振荡。用水岩反应实验说明了中地壳高导低速层的成因，相关成果在国际刊物《构造物理》上发表。

三、高温超高压流体原位直测

张荣华研究员开创的地球化学动力学实验室是国际测量高温超高压流体较早的实验室之一，美籍华人毛河光院士曾评价其在热液高压独树一帜，开创了新领域。

1．高温超高压原位观测流体，发现地球深部流体新性质。成功地把研究流体的金刚石压砧HDAC与红外显微镜相连接。向国际报道了650℃/3万大气压卤水流体红外谱实验。实验室是国际原位观测流体红外谱达最高温度压力的实验室之一。

2．发现新流体结构。在2万大气压下近临界温度（330°C）发现水的氢键破坏。提出深部高温超高压流体在水临界态时氢键网络破坏，会导致跨越临界态水与矿物反应的化学动力学涨落，从而导致金属矿石沉淀新理论。

3．发现含金属流体在近临界态时气与液相的分离，金属会在气和液间再分配，导致一部分金属进入气相、气体迁移金属，使另一部分金属沉淀。

4．对我国极端条件下、异常环境原位快速检测的关键技术作出重要贡献。发展了大洋深海探测关键技术，在国际上首次发明研制成功Zr/ZrO2传感器。在国家863计划项目及大洋项目中成功地研制四种具有自主知识产权的高温高压化学传感器，即在400°C/400大气压原位直测pH、H2、H2S、Eh。这些新高温高压化学传感器两次随我国“大洋一号”考察船在南海3100米海域投放成功。

四、地球化学动力学实验推动成矿理论和找矿方法的创新

早在上世纪70年代，在长江中下游从事矿床地球化学研究时，张荣华研究员就提出火山岩区金属蚀变分带模型的新理论。含铁矿火山岩有两套蚀变：上有浅色蚀变与下有含矿的深色蚀变。该理论至今仍在国内被广泛应用，使找矿工作不断突破。曾根据火山岩浅色蚀变预测了大型黄铁矿床，后被地勘部门证实。

近年来，水岩相互作用的实验证实：各种金属溶解（沉淀）速率随温度改变，有温度梯度下水岩反应导致金属蚀变分带。在此基础上，张荣华研究员提出了深部多层次矿化带的依据，他通过气体迁移金属实验证明了深部成矿作用的新机制。相关成果被用作预测矿带外围找矿依据，在长江中下游提出了许多预测区。

多年来，张荣华研究员锲而不舍，自主研发实验仪器，开辟新科学前沿，他对于实验手段的革新，为科学家打开了新的窗口，促进了相关研究理论的创新突破，推动了地球化学动力学实验新领域的发展。