Question

成矿系统的耗散结构

Answer 1

耗散理论认为，对于非均匀系统，熵(S)一般是依赖于密度变量{P_i}及其空间梯度和随时间变化率的一个泛函数：

构造应力场控岩控矿

式中：r是粒子坐标，r={r_i}，对于开放系统，考虑在时间dt内熵的改变dS，可以把它分为两项贡献之和：

dS=d_iS+d_eS (4.54)

式中：d_eS是系统与外界交换物质与能量引起外熵产生的熵流；d_iS是系统内部自发产生内熵产生的熵。

当d_eS≪0时，|d_eS|＞|d_iS|，系统远离平衡态，从环境中不断获取的物质与能量给系统带来负熵，使整个系统有序性增加大于无序性增加，最终趋于有序，形成耗散结构。

成矿系统满足耗散结构形成的条件是，它本身是一个远离平衡态的开放系统，各种地质作用是系统内外的随机“涨落”，其结果使成矿元素活化、迁移、富集，使已生成的矿物形成新的结构、构造和元素组合并出现分带性，成矿系统与外界进行物质和能量交换的形式就像地下流体的迁移、上地幔隆起、构造应力的集中与释放、热浆上涌等。这种物质与能量的交换使随机分散的成矿元素形成一种时空有序结构。例如，热液型矿床、岩浆由地壳深部沿不同尺度构造裂隙上升至地壳浅部，成岩时放出大量热量(或断层错动时，放出大量热量)，致使中上部围岩中的初生水、矿物结晶水、孔隙水及封存的深地层水、下渗水等，在温度梯度驱使下沿岩石裂隙、孔隙或层面运移，增大了溶液对流，循环系统发育，最先在围岩中溶解盐类矿物称为热卤水，加强了对围岩中金属离子的活化迁移。热液库在地质条件作用下形成了一个正反馈的自催化体系，由无序趋向有序，使其化学反应体系中成矿元素的成分、浓度变化分异，形成有序的时间演化与空间结构。热液矿床中因温度梯度与浓度梯度而引起的热扩散与溶液扩散实质是一种自组织过程。

耗散结构的另一个条件是系统内部各不可逆过程之间必须有非线性的相互作用，对成矿系统来说，影响成矿的构造、岩浆活化体系、地层与岩相古地理、深部壳幔条件、区域地球化学因素等控制条件之间的关系正是非线性的，它们在不同的成矿阶段对不同的成矿作用有不同程度的影响。

开放体系是形成、维持耗散结构的重要条件。

图4.26 系统演化分支图解

(据周硕愚，1988)

与环境有物质和能量交换的开放非线性系统的平衡在远离平衡态的最简单情况下，某些系数的变化对系统初始解的状况起决定作用，当系数变化超过一定值时，单一解会出现分叉，产生突变(图4.26)。成矿系统从无序到有序的过程中便存在突变。成矿作用可理解为成矿系统的非平衡状态由各种控矿地质因素作用度的改变造成涨落，使参量超过临界值失稳，而转变为一种新的局域化耗散有序结构。成矿系统的随机涨落经常存在，既包括外界影响条件的随机扰动，如造山运动、海进海退；也包括系统自身的涨落，如隶属于系统的岩浆喷发、沉积环境的改变、断裂的错动等。体系的分叉是无矿的不稳定状态向有矿的稳定状态发生转化的过程(於崇文，1987)。