非線(xiàn)性地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)

第13卷第2期地球科學(xué)進(jìn)展Vol 13 No. 21998年4月ADVANCE IN EARTH SCIENCESApr, 1998非線(xiàn)性地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)譚凱旋(中國科學(xué)院長(cháng)沙大地構造研究所長(cháng)沙410013戴塔根(中南工業(yè)大學(xué)地質(zhì)親長(cháng)沙410083)摘要非線(xiàn)性地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究主要包括五個(gè)方面:①地球化學(xué)非線(xiàn)性反應動(dòng)力學(xué);②礦物沉淀、結晶與生長(cháng)的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué);③流休流動(dòng)-反應耦合的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué);④力學(xué)一化學(xué)耦合的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué);⑤地球化學(xué)循環(huán)的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)或非線(xiàn)性全球動(dòng)力學(xué)。分別總結了上述五個(gè)方面的研究進(jìn)展,討論了地球化學(xué)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)研究中存在的問(wèn)題和今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞非線(xiàn)性現象非線(xiàn)性親統非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)地球化學(xué)分類(lèi)號P59/O643.1近二十多年來(lái),地球化學(xué)已開(kāi)始從平衡的靜態(tài)描述轉向重視其作用過(guò)程的動(dòng)力學(xué)研究。越來(lái)越多的野外觀(guān)察、實(shí)驗與理論研究-3)表明,地球化學(xué)系統是開(kāi)放的和非平衡的復雜系統,許多地球化學(xué)作用是復雜的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)過(guò)程。因此,地球化學(xué)中的非平衡非線(xiàn)性現象及其動(dòng)力學(xué)的研究引起了人們的廣泛關(guān)注,隨著(zhù)非線(xiàn)性科學(xué)的理論發(fā)展及其在地球化學(xué)中的引入和應用,一門(mén)新興的地球化學(xué)分支學(xué)科—非線(xiàn)性地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)正在逐步誕生。根據地球化學(xué)作用體系的特征、主要動(dòng)力學(xué)過(guò)程和目前的研究現狀,就非線(xiàn)性地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的以下五個(gè)主要研究方面的主要研究進(jìn)展做初步分析和總結。地球化學(xué)非線(xiàn)性反應動(dòng)力學(xué)化學(xué)反應是一種最重要的地球化學(xué)作用,例如水巖反應(礦物溶解反應)影響到巖石的風(fēng)化、環(huán)境變化、水質(zhì)、成礦元素活化遷移與礦床的形成等。目前國內外廣泛開(kāi)展了對造巖礦物和部分金屬硫化礦物的溶解動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗與理論研究,認識到開(kāi)放體系、非平衡和不可逆性是地球化學(xué)反應體系的普遍而重要的特征3,并建立了一些地球化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)·中國科學(xué)院重點(diǎn)項目“構造成礦作用的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)研究”(項A和國家博士后基金項目地洼盆地構造一流體演化與成礦作用的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)研究中國煤化工第一作者簡(jiǎn)介:譚凱旋,男,1963年3月出生,副研究員,主要從CNMHG學(xué)研究收稿日期:1997-05-20;修改稿:1997-09-27146地球科學(xué)進(jìn)展第13卷的實(shí)驗方法(如連續流動(dòng)攪拌反應器等)和理論模式。特別是近年來(lái)通過(guò)實(shí)驗陸續發(fā)現了化學(xué)振蕩、混沌振蕩、化學(xué)分形等非線(xiàn)性現象68)文獻〔6〕報道了螢石溶解動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的化學(xué)振蕩和反應速率隨反應時(shí)間波動(dòng)變化的非線(xiàn)性現象。文獻7在花崗閃長(cháng)巖、長(cháng)石等的風(fēng)化淋濾實(shí)驗中,發(fā)現了溶液中Si和A濃度的振蕩現象,并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)分析。譚凱旋等(9對輝銅礦和黃銅礦在NaCl溶液中的溶解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了系統的實(shí)驗,發(fā)現在弱酸性至弱堿性(pH=3.04~11.0)條件下,它們溶解過(guò)程中Cu濃度隨反應時(shí)間發(fā)生明顯振蕩變化的現象,且不同的pH值和NaCl濃度的條件下甚至在同一實(shí)驗中振蕩幅度和周期都是變化的,即表現為非周期混沌振蕩。利用時(shí)間系列數據分析法對實(shí)驗數據進(jìn)行了分析,輝銅礦和黃銅礦的溶解反應過(guò)程存在混沌吸引子,輝銅礦溶解動(dòng)力系統的混沌吸引子分維值為1.45~3.35,相空間維數為4;黃銅礦溶解動(dòng)力系統的混沌吸引子分維值為3.25~349,相空間維數為5。最近,我們又對輝銅礦和黃銅礦在酸性NaCl溶液中的溶解動(dòng)力學(xué)作了進(jìn)一步的實(shí)驗,發(fā)現了溶解速率隨反應時(shí)間發(fā)生明顯振蕩變化的新現象。這些都表明輝銅礦和黃銅礦的溶解作用是一個(gè)非線(xiàn)性反應過(guò)程。2礦物沉淀、結晶和生長(cháng)的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)巖石和礦物中廣泛存在物質(zhì)組分或礦物的振蕩型分帶構造,例如斜長(cháng)石的環(huán)帶構造、條紋長(cháng)石、瑪瑙的環(huán)帶構造與纖維狀扭曲、球狀巖石、層狀火成侵入體、矽卡巖條帶狀構造鈣球與鮞粒、礦物中微量元素的振蕩變化、粘土礦物和稀土礦物中結構單元層的混層等。目前普遍認為大多數這種構造是礦物沉淀、結晶和生長(cháng)過(guò)程中的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)機制形成的自組織現象(1目前,國內外許多研究者(1-1°分別從考慮界面反應與擴散、晶面多重態(tài)和界面質(zhì)量守恒等角度建立了巖漿中礦物結晶和生長(cháng)的動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)對模型的分析和模擬計算研究了礦物和巖石中一些振蕩分帶形成的動(dòng)力學(xué)。對火成巖中礦物結晶的分形特征及其動(dòng)力學(xué)機理()和礦物結晶過(guò)程中的形態(tài)不穩定性及復雜礦物形態(tài)形成的動(dòng)力學(xué)機理120也做了初步研究。此外,還應用奧斯特瓦爾德一李澤岡過(guò)飽和一成核一消耗循環(huán)及奧斯特瓦爾德成熟作用引起的競爭性顆粒生長(cháng)的動(dòng)力學(xué)模型研究了溶液中礦物沉淀的動(dòng)力學(xué)和沉積巖中某些層狀構造、條帶構造形成的動(dòng)力學(xué)機理(21~24)。3流體流動(dòng)一反應耦合的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)與熱液流體活動(dòng)有關(guān)的地球化學(xué)作用如熱液成礦作用、熱液蝕變、熱液交代作用、變質(zhì)作用等均受到流體流動(dòng)和流體一巖石反應的耦合作用,這種耦合作用是一個(gè)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)過(guò)程23),可以形成巖石和礦床中的許多非線(xiàn)性現象,如礦床的分帶(0,6,201、圍巖蝕變分帶巖石中的指狀反應前鋒2、聚流作用和巖溶作用等當流體流過(guò)孔隙巖石時(shí),巖石中的一些易溶礦物將發(fā)生溶解反應,由于礦物的溶解會(huì )使巖石的孔隙度(滲透率)增大,孔隙度的增大促使流入的流體量增大,流量的增大又進(jìn)一步促進(jìn)礦物的溶解并增大孔隙度,這樣在流體流動(dòng)與化中國煤化工反饋作用。流動(dòng)一反應的耦合與反饋將導致反應前鋒的形態(tài)不穩定CNMHG。目前,一些研究者建立了流體流動(dòng)一反應耦合與反饋的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型3,通過(guò)對模型的穩定性分析和數值模擬探討了巖石中蝕變分帶、條帶構造形成的動(dòng)力學(xué)機理;研究了碳酸鹽膠結砂巖中指第2期譚凱旋等:非線(xiàn)性地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)147狀反應前鋒形成的動(dòng)力學(xué)(23);從流動(dòng)一反應耦合的角度分析了沉積銅礦床(20和云南個(gè)舊錫石一硫化物礦床2中礦物分帶形成的動(dòng)力學(xué)機制。譚凱旋等(29從流體流動(dòng)一反應耦合與反饋研究了成礦流體向局部地區匯聚和砂巖銅礦床成礦作用的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)機制,并提出了“聚流成礦作用”的慨念。4力學(xué)一化學(xué)耦合的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)地球化學(xué)過(guò)程中由力學(xué)(包括構造應力、巖石靜壓力等)與化學(xué)反應耦合作用形成的非線(xiàn)性現象及其動(dòng)力學(xué)的研究也是目前地球化學(xué)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)研究的重要內容之一。巖石、礦床和構造中許多重要的復雜現象如變質(zhì)層理(變質(zhì)分異層狀構造)縫合線(xiàn)構造、礦物晶體中的位錯構造、板劈理、破劈理、折劈理、壓力影構造、軸面面理、石英桿狀構造、盆地中流體分隔間、流體異常壓力的形成與流體階段性釋放、熱液成礦的多階段性等均被認為可能是由力學(xué)一化學(xué)耦合作用形成的非線(xiàn)性復雜現象。文獻〔30~32從巖石結構動(dòng)力學(xué)角度建立了力學(xué)一化學(xué)耦合作用的動(dòng)力學(xué)模型,并探討了變質(zhì)分異層理、破劈理及縫合線(xiàn)構造形成的動(dòng)力學(xué)機理。一些研究指出變質(zhì)分異層狀構造、板劈理、破劈理、折劈理、軸面面理、石英桿等構造是由于力學(xué)一化學(xué)耦合作用引起礦物局部再分配或溶解過(guò)程的局域化而形成的3;:而位錯的形成與應力作用下的反應一遷移耦合動(dòng)力學(xué)有關(guān)331);巖石中甲烷的運移與振蕩性釋放也是由于力學(xué)一化學(xué)耦合作用所產(chǎn)生的自組織現象30,3)此外,對沉積盆地中流體分隔間的形成、流體異常壓力與流體階段性釋放等現象的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)分析也做了大量研究工作3-80),從流體質(zhì)量守恒、壓實(shí)作用、水巖反應、水力斷裂等方面建立了反應一遷移一力學(xué)耦合的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)偏微分方程組,分析了流體壓力演化流體分隔的形成及流體階段性釋放的動(dòng)力學(xué)機理5地球化學(xué)循環(huán)的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)從全球的尺度研究元素的地球化學(xué)分布與循環(huán)如碳、硫、氧、氮、磷等元素在大氣圈、生物圈、地殼、湖泊、海洋、河流和沉積物中的分布及其循環(huán)的速率、機制和模式,稱(chēng)之為地球化學(xué)循環(huán)動(dòng)力學(xué)或全球動(dòng)力學(xué)。對地球化學(xué)全球循環(huán)的動(dòng)力學(xué)研究1表明,各種元素循環(huán)之間的非線(xiàn)性耦合和各個(gè)庫之間的非線(xiàn)性耦合能夠深刻影響地球化學(xué)循環(huán)動(dòng)態(tài)行為的反饋過(guò)程的發(fā)生和循環(huán)過(guò)程的穩定性,必須在地球化學(xué)循環(huán)中開(kāi)展非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)的研究,并稱(chēng)之為非線(xiàn)性全球動(dòng)力學(xué)。文獻〔42通過(guò)分析碳、氧、氮、硫、鐵和錳的反應一遷移耦合作用探討了沉積物中鐵和錳循環(huán)的動(dòng)力學(xué)。6討論以上從5個(gè)方面總結了非線(xiàn)性地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究現狀和進(jìn)展,這5個(gè)方面也是地球化學(xué)過(guò)程中的主要非線(xiàn)性動(dòng)力系統和非線(xiàn)性作用方式。從上面的總結可看出,非線(xiàn)性地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究剛剛起步,還存在許多問(wèn)題:①實(shí)中國煤化士化學(xué)過(guò)程中的非線(xiàn)性反應還知之甚少;②許多動(dòng)力學(xué)模型缺乏普適CNMHG型中數學(xué)假設過(guò)多,而地質(zhì)條件基本上沒(méi)有考慮,僅僅是物理一數學(xué)意乂工的快型,舁個(gè)上地質(zhì)模型,所得的結果也似是而非;③目前大多是對單一現象進(jìn)行研究,缺乏對非線(xiàn)性現象進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分類(lèi)和對起因相同或相近的一類(lèi)非線(xiàn)性現象進(jìn)行綜合的動(dòng)力學(xué)研究。148地球科學(xué)進(jìn)展第13卷因此,非線(xiàn)性地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)的研究方向和任務(wù)主要為:①開(kāi)展動(dòng)力學(xué)實(shí)驗,更深入廣泛地了解地球化學(xué)中的非線(xiàn)性反應體系、影響因素及動(dòng)力學(xué)機理,對巖石和礦物中一些非線(xiàn)性現象進(jìn)行實(shí)驗模擬;②對地球化學(xué)中的非線(xiàn)性現象從成因角度進(jìn)行分類(lèi),對動(dòng)力學(xué)起因相同或相近的同一類(lèi)非線(xiàn)性現象進(jìn)行綜合研究,建立普適性的動(dòng)力學(xué)模型,通過(guò)對模型的穩定性分析和模擬計算,分析各種現象形成的動(dòng)力學(xué)機理和動(dòng)力學(xué)條件及不同現象間的動(dòng)力學(xué)差異性;③建立地球化學(xué)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗研究方法和理論體系;④與實(shí)際應用相結合,通過(guò)對動(dòng)力學(xué)模型的分析計算,反演已發(fā)生地球化學(xué)事件的歷史和預測未來(lái)的發(fā)展趨勢,例如通過(guò)非線(xiàn)性全球動(dòng)力學(xué)的研究,可以預測未來(lái)的全球環(huán)境變化趨勢;通過(guò)流體流動(dòng)反應耦合和流動(dòng)一反應一力學(xué)耦合的動(dòng)力學(xué)研究,可以預測地下水資源的運移和水質(zhì)變化的趨勢,預測油氣的運移和儲存并指導油氣儲層的酸化和提高油氣產(chǎn)量(20主要參考文獻1於祟文·地球化學(xué)系統的復雜性探索,地球科學(xué),1994,19(3);283~2862於崇文,地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)體系,現代地質(zhì),1989,3(3):267~2893 Ortoleva P. Geochemical Self-organization. Oxford: Oxford University Press,19944 Thompson J B Jr. Geochemical reaction and open systems, Geochim Cosmochim Acta, 1970, 34: 520-5515 Dibble Jr W E, Tiller W A. Non-equilibrium water/rock interactions: I. Model for interface-controlled reactionsGeochim Cosmochim Acta, 1981,45:79-92.張榮華, Borcsik m, Crerar D.固一液相反應體系CaF2HClH2O內化學(xué)振蕩的發(fā)現,科學(xué)通報,1991,36(20)1836~1837Faimon J Oscillatory silicon and aluminum aqueous concentrations during experimental aluminosilicate weatheringGeochim Cosmochim Acta, 1996, 60:2 901-2 9078譚凱旋,張哲儒,王中剛.輝銅礦溶解反應的非周期振蕩.自然科學(xué)進(jìn)展,1996,6(6):751~7569 Tan Kaixuan, Zhang Zheru, Wang Zhonggang. Chemical oscillation and chaotic attractors of dissolution reaction ofchalcopyrite in NaCI solutions. Chinese Science Bulletin, 1996, 41(12)1 020-1023.10 Merino E. Survey of geochemical self-patterning phenomena. In: Nicolis G, Baras F, eds. Chemical Instabilities.Boston: D Reidel Publishing Company, 1984. 30532811 Haase C S, Chadam J, Feinn D,et al. Oscillatory zoning in plagioclase feldspar. Science, 1980, 209: 272-27412 Ortoleva P. Role of attachment kinetic feed back in the oscillatory zoning of crystals from melts. Earth Sci Rev13 Anovitz L M. Oscillatory zonation patterns in hydrothermal grossular -andradite garnet Nonlinear dynamics in regions of immiscibility. American Mineralogist, 1991,76:1 319-1 327.14李如生,巖漿巖中礦物組分分布的有序現象和耗散結構.礦物學(xué)報,1984,4:303~31015吳金平,王江海.硅酸鹽固溶體礦物中組分的韻律型空間分布及形成過(guò)程的時(shí)空自組織,礦物學(xué)報,1990,10:193~16吳金平,李才偉,肖文丁,等.界面質(zhì)量守恒方程和一些生長(cháng)層的自組織模型.中國科學(xué)(E輯),1996,26(5):117王江海,吳金平,硅酸鹽固溶體礦物中組分的非韻律型空間分布及形成過(guò)程的動(dòng)力學(xué)機制.礦物學(xué)報,1992,12(1):1~6.中國煤化工18 Fowler A D. Self-organized mineral textures of igneous rocksCNMHGRev,1990 29:4719 Chadam J, Ortoleva P. Morphological instabilities in physico-chemical systems. Earth Sci Rev, 1990, 29 :175181第2期譚凱旋等:非線(xiàn)性地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)14920 Wollkind D J, Vislocky M. An interfacial model equation for the bifurcation of solidification patterns during LPEEprocesses. Earth Sci Rev, 1990, 29: 349-3681 Fisher G w, Lasaga A C. Irreversible thermodynamics in petrology. In: Lasaga A C, Kirkpatrick R J, eds. Kineticsf Geochemical Processes. Washington Mineral Soc Am, 1981. 171-20922 Ortoleva P. The self-organization of Liesegang bands and other precipitate patterns. In: Nicolis G, Baras F, edsChemical Instabilities. Boston D Reidel Publishing Company, 1984. 289-297.23 Sultan R, Ortoleva P, De Pasquale F, et aL. Bifurcation of the Ostwald-Liesegang supersaturation-nucleation-deple-tion cycle. Earth Sci Rev, 1990, 29:163-173.24譚凱旋.熱水沉積中的奧斯特瓦爾德作用.見(jiàn):歐陽(yáng)自遠主編。礦物巖石地球化學(xué)新探索.北京:地震出版社,1993.99~1015 Ortoleva P, Merino E, Moore C. Geochemical self-organization I and I. Amer J Sci,1987,287:979-10406 Ripley E, Merino E, Moore C, et al. Mineral zoning in sediment-hosted copper deposits. In: Wolf K H, eds. Hand-book of Strata-Bound and Stratiform Ore Deposits, v13. Amsterdam: Elservier, 1985. 237-26027於崇文,蔣淞.云南個(gè)舊成礦區錫石一硫化物礦床原生金屬分帶形成的動(dòng)力學(xué)機制.地質(zhì)學(xué)報,1990,64(3):22628 Chen Wei, Ortoleva P. Reaction front fingering in carbonate-cemented sandstones. Earth Sci Rev,1990,29:183-19829譚凱旋,張哲儒,王中剛.聚流成礦作用的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué).礦物巖石,1995,15(增刊):139~14030 Ortoleva P, Merino E, Strickholm P. A kinetic theory of metamorphic layering in anisotropically stressed rocks.Amer J Sci,1982,282:617~643.1 Dewers T, Ortoleva P. Mechano-chemical coupling in stressed rocks. Geochim Cosmochim Acta, 1989, 53:1 2431258.2 Dewers T, Ortoleva P. A coupled reaction-transport- mechanical model for intergranular pressure solution, stylolitesand differential compaction and cementation in clean sand stone. Geochim Cosmochim Acta, 1990, 54:1 6091 62533 Williams P F. Differentiated layering in metamorphic rocks. Earth Sci Rev, 1990, 29: 267-28134 Walgraef D. Reaction-transport dynamics and dissolution patterns in deformed materials. Earth Sci Rev, 1990, 29:35 Meike A. Considerations fantitative determination of the role of dislocations in selective dissolution. Earth SciRev,1990,29:309~320.36 Park A, Dewers T, Ortoleva P. Cellular and oscillatory self-induced methane migration. Earth Sci Rev, 1990, 29t249~265.7 Ghaith A, Chen Wei, Ortoleva P. Oscillatory methane release from shale source rocks. Earth Sci Rev, 1990, 29;241~24838 Powley D E. Pressures, hydrogeology and large scale seals in petroleum basins. Earth Sci Rev, 1990,29:21539 Dewers T, Ortoleva P. Nonlinear dynamical aspects of deep basin hydrology fluid compartment formation andpisodie fluid release. Amer J Sci, 1994, 294: 713-75540 Ortoleva P, Al-Shaieb Z, Puckette J. Genesis and dynamics of basin compartments and seals. Amer J Sci, 1995295:345~4271 Lasaga A C. The kinetic treatment of geochemical cycles. Geochim Cosmochim Acta,1980,44:815-828.42 Cappellen P V, Wang Yifen. Cycling of iron and manganesetransport and reaction of carbon, oxygen, nitrogen, sulfur, ironYH際150地球科學(xué)進(jìn)展第13卷NONLINEAR GEOCHEMICAL DYNAMICSTan Kai-xuan(Changsha Institute of Geotectonics, Chinese Academy of science, Changsha 410013)DAI Ta-gen(Department of Geology, Central South University of Technology, Changsha 410083)Abstract The studies on nonlinear geochemical dynamics are mainly include: (1)dnamics of nonlinear reactions in geochemistry,(2)nonlinear dynamics of precipitationcrystalline and growth of minerals, (3) nonlinear dynamics of coupled between flow andreaction,(4)nonlinear dynamics of mechano-chemical coupling, and(5) nonlinear dynamics of geochemical cycles or nonlinear global dynamics. This paper reviews the new ad-vance on nonlinear geochemical dynamics and discusses the research priority of nonlineargeochemical dynamics.Key words Nonlinear phenomena, Nonlinear systems, Nonlinear dynamics, Geo-emistry中國煤化工CNMHG