Question

成矿作用和成矿过程

Answer 1

2.4.1 成矿作用

成矿作用过程的实质是有用元素在地壳中的富集过程，而自发过程是熵值增加的过程，意味着元素趋于分散，不可能成矿。事实上，成矿系统是一个开放系统，要不断与外界发生物质和能量的交换。热力学第二定律不适合这样的系统。成矿作用的本质无非是矿化的非平衡定态由于各种涨落（岩浆作用、变质作用等）使控制参数超过临界值失稳而转变成一种时空有序结构（局域化耗散结构），即矿床，其边界条件也就是元素工业品位的下限。因此，根据实际地质情况，建立起成矿作用的动力学模型，通过热力学分析可以从原则上指出非平衡系统中出现不稳定现象的可能性，以及由此而产生时空有序结构的自组织现象的可能性。通过动力学方程的线性稳定性分析，可以发现可能发生耗散结构分支现象的具体条件。也就是说，可以知道成矿的可能性与成矿条件。因此，应用耗散结构理论不仅丰富了成矿作用理论，也为找矿提供了一条新的途径。

依据“耗散结构”理论，“成矿作用的发生”实质上就是无矿的非平衡定态失稳并转变为耗散结构（成矿状态）的条件与机制问题。在无矿非平衡定态失稳并发生转变之前，地球化学系统遵循化学动力学定律，因而可将成矿状态（耗散结构）的形成（亦即成矿作用的发生）在数学上归结为“反应-扩散方程”（反映成矿作用时间演化的动力学方程）解的稳定性与“分支”（bifurcation）问题，从而可以应用确定论的理论与方法——“分支理论”（bifurcation theory）进行研究。

反应-扩散方程的表达式为

耗散结构、自组织、突变理论与地球科学

式中：X_i为成分变量，代表组分i的浓度；D_i为组分i的扩散系数； Δ²为拉普拉斯算子；f_i（｛X_i｝，λ）表示化学反应的速率定律，它是X_i的非线性（通常是多项式类型）函数，因而（2.1）式是一个抛物线型的非线性偏微分方程组；λ又是一组参数，其中包括化学反应的速率常数、主要反应物的浓度和扩散系数等。

但分支理论还只能对成矿状态的产生作唯象的、宏观的解释，指出成矿作用发生的临界条件。为了从根本上阐明矿化向成矿转变的原因与机制，就必须将着眼点放在矿化和成矿状态之间的转变点上；而在非平衡定态失稳的转变点上，地球化学系统遵循随机动力学定律，因而必须用概率论的理论和方法——“涨落理论”对成矿状态的出现作微观解释，指出成矿作用发生的原因与机制。

2.4.2 圈定成矿远景区

根据“耗散结构”理论提出了确定广东韶关成矿元素的异常下限、圈定成矿远景区边界的新方法。以成矿作用的空间结构为基础，在各种元素的克立格估计值等值线图上，以各种成矿元素的浓度值从平缓涨落至急剧陡增的转折点作为异常下限。在综合异常图中根据不同元素的异常下限等值线相互叠合而显示的自然边界圈定成矿远景区。

进一步根据“耗散结构”理论对成矿远景区的形成进行了理论分析，认为：

1）“成矿地球化学分区”是囿于有界介质内的“局域化耗散结构”。

2）应用“涨落的局域理论”（local theory of fluctuations）对涨落进行局域分析可以阐明局域化耗散结构形成的原因与机制，从而也就阐明了成矿地球化学分区的形成与发展。

3）成矿远景区在其边界以外，元素浓度等值线比较稀疏，而在其边界以内则等位线异常稠密。等值线稀疏区反映该区域内系统处于近平衡态，并与“热力学分支”相对应；而等值线稠密区则反映该区域内系统处于远离平衡态，并与热力学分支相对应。因此成矿远景区的边界正位于区域性的近平衡态与局域性的远离平衡态的分界处。这一分界对应于热力学分支的分支点（临界点）。

4）在临界点上，涨落增大，定态失稳，空间上出现涨落的协同长度，促进了系统的自组织，系统由无序的混乱状态转变为新的有序的“耗散结构”。因此，局域上临界点的出现就标志着局域化耗散结构的形成，而涨落的协同长度则决定了成矿地球化学分区（成矿远景区）的规模和大小。

5）在远离平衡的条件下，成矿作用动力学方程的解依赖于系统大小与边界条件等宏观因素，后者对于成矿地球化学分区（长程时-空相关）的形成与发展具有决定性的影响。

2.4.3 成矿过程

成矿过程是一个非平衡的开放系统，它不断地与外界进行成矿物质和能量的交换，促使成矿过程的形成和发展。因此，应用耗散结构理论分析成矿过程，可以把成矿过程的演化、发展分成几个阶段。现以金矿为例说明如下。

（1）成矿空间的形成而未成矿阶段

在此阶段中，成矿过程尚未开始或成矿空间太小，对成矿不利。因此，称该阶段系统处于平衡参考态。这个阶段往往是断裂开始形成或开始活动的阶段，规模不大，裂隙不发育，地下水活动不活跃，与外界相对处于封闭状态。当然，不是所有的断裂都能成矿。要形成有经济价值的矿床还取决于该系统所处的地质环境，主要有四条：有成矿的物质来源、热源、断裂活动向有利成矿方向发展以及驱动地下水活动的能量来源等。

（2）成矿空间进一步发展并开始成矿阶段

由于成矿空间的进一步发展，在有利的成矿地质环境下，开始进入了成矿的阶段。在成矿物质来源充分、地下水活动以及适宜的温度压力等条件下，成矿物质开始沉淀，与外界开始有物质和能量的交换。因此，称该阶段为平衡参考态失稳，系统开始向非平衡态转变。

（3）成矿速度加速阶段

由于成矿地质环境继续向有利成矿的方向发展，即系统由非平衡态向远离平衡态推进，在适宜的条件下沉淀的矿量迅速增加，当系统的某一参量（分异度）超过一定的阈值时，矿量的形成趋于稳定，这时成矿的耗散结构形成了，系统进入了一个新的稳定有序状态。这种耗散结构形成后，系统又会保持相对稳定的状态。矿量的多少就取决于这种稳定状态所保持的时间长短。在这个阶段中，成矿（矿量）方程为

耗散结构、自组织、突变理论与地球科学

则单个矿体的矿量（Q）为

耗散结构、自组织、突变理论与地球科学

式中：x为矿量；k为沉淀（饱和）系数；d为溶解系数；a为矿体保存不完备性（剥蚀等后期破坏）系数；β为资源饱和系数；t₁，t₂分别为成矿的初始与终止时间。

由（2.2）式可知，当（k＋α）＞d（环境有利于成矿），且β也小时，则矿量x会不断地增加（成矿）；相反，若（k＋α）＜d（环境不利于成矿）时，则已形成的矿又会重新被溶走。随着时间的推移，［（k＋α）-d］/β趋于稳定，矿量x也趋于稳定（沉淀与溶解的矿量达到动态平衡），系统达到新的稳定态，进而形成了有序结构（图2.1）。在这个阶段中形成矿物质的分异度为

耗散结构、自组织、突变理论与地球科学

式中：s为矿物质种类的总数；p_i为第i种矿物质的百分比。此外，沉淀系数k和溶解系数d可用下式表示：

耗散结构、自组织、突变理论与地球科学

式中：T为温度；P为压力；V为空间体积；C为主成矿物质的浓度；g为主成矿物质的饱和浓度；S为渗透率；pH为pH值；E _h为E _h值；K为地下水流量。

资源饱和系数β对不同矿体是不一样的，因此图2.1中所画的最大矿量，对不同的矿体也不一样，仅仅是曲线形态相似而已。从图中可以看到，在特定的条件下，矿量具有一定的临界矿量（Q₀），即系统处于动态平衡状态，矿量这一参数的变化达到一定的阈值。随着时间的推移，矿量是不会增加的。在一定的外界条件下组织性和相干性自行产生，即是耗散结构的形成。

图2.1 成矿的有序结构

（4）其他元素参与形成演替阶段

当矿体形成以后，如果成矿环境有利于成矿发生，则系统仍维持远离平衡态。问题是地下水中溶解的成矿物质成分一旦改变或掺杂其他矿物质，则成矿进入了演替阶段，溶液变成了多相态，即我们常常看到的矿体中伴生元素成矿的分带性。这个阶段的最大特点，即存在过渡关系，成矿作用不间断，由一种成矿物质经过新成分的伴生加入到新成分的完全替代。这种过程称为演替（community succession）。它们之间在成因上有联系。由分支理论可知，成矿演替实质上是一种向上分支的现象（图2.2）。如果系统一直维持远离平衡态，成矿演替会继续下去，且有可能进入混沌（Chaos）区（高层次无序区）。

图2.2 成矿演替示意图

B为成矿演替点

由图2.2可知，在成矿演替过程中，系统的熵产生率P＝diS/dt是增加的，即系统无序度越高，熵值越大，但其熵流对时间的变化率是减少的，且系统的总熵变dS＝diS＋deS≤0。由于耗散结构的deS＜0，因此，当∣deS∣＞diS时，dS＜0，系统出现有序状态。也就是说，系统在与外界进行物质能量交换时，只有经历熵减过程，才可能使系统有序度增加，从而达到有序状态。

耗散结构理论认为，马尔可夫过程与耗散系统紧密相连，马尔可夫链熵可视为系统信息总量的一种度量。依据马尔可夫链熵表达式有：

耗散结构、自组织、突变理论与地球科学

式中：I为马尔可夫链之熵；P_i为初始概率分布；P_ij为从第i态到第j态的转移概率。而马尔可夫熵函的表达式为：

耗散结构、自组织、突变理论与地球科学

式中：S［P（Q），t］为系统熵函；P（Q，t）为过渡到第Q态的转移数。因此，可以看出，马尔可夫链熵与系统熵有着一定的正比关系。所以成矿作用增强，｜I｜增加，从而使断裂成矿系统的dS减少，使系统达到有序状态。

在成矿演替阶段，两种矿物质的成矿（矿量）模型为

耗散结构、自组织、突变理论与地球科学

式中：d₁，d₂为溶解系数。

由上述模型可以看出，只有［（k ＋a）-d］/β 大的矿物质才能沉淀成矿，即当［（k₂＋a₂）-d₂］/β₂＞［（k₁＋a₁）-d₁］/β₁时，矿物x₂才能沉淀成矿，改变成矿物质的成分及类型。

（5）成矿的取代阶段

当成矿条件受到破坏而结束时，称之为耗散结构失稳，则成矿系统由远离平衡态向平衡参考态退缩，系统回到平衡参考态。当新的成矿环境产生时，又形成了新的成矿作用（可以是原来的成矿物质，也可以是新的成矿物质），这个过程称为取代（community replacement）。取代过程产生的矿，一般来说，不是成因相关，最多只是位置相关。由分支理论可知，成矿过程的取代，实质上，是系统向下分支的现象（图2.3）。

图2.3 成矿取代示意图

B为成矿取代点

由图2.3可知，系统熵产生增量P在该阶段是减少的。

在成矿取代阶段中，成矿环境变坏的规律可用微分方程（2.2）解释为：由于成矿条件恶化，β值增大（资源短缺），从而导致k值减少（沉淀少）而d增加（溶解多），最后当k＜d时，成矿消失。

（6）矿体破坏阶段

随着断裂活动的加剧，节理、裂隙越发发育。当它超过一定规模时，系统成了“完全”开放的系统，地下水的活动特别活跃。最终当k＜d时，成矿过程不仅结束，而且已形成的矿体开始被溶解与搬运，致使已形成的矿体遭受破坏，进入到矿体破坏阶段。这个阶段一般会同时发生在上述（3），（4），（5）阶段中的任何阶段，当然也可以不发生（相对而言）。如果它发生在（4），（5）阶段的后期，对矿体的破坏性较大。

上述成矿过程的耗散结构分析，对特定的矿体和地质成矿环境、地质过程的模拟可在计算机中进行，确定成矿过程的各种参数，从而再现成矿的地质过程，对修正或建立新的成矿理论，指导找矿勘探工作均有补益。