第13卷第2期地球科學進展Vol 13 No. 21998年4月ADVANCE IN EARTH SCIENCESApr, 1998非線性地球化學動力學譚凱旋(中國科學院長沙大地構(gòu)造研究所長沙410013戴塔根(中南工業(yè)大學地質(zhì)親長沙410083)摘要非線性地球化學動力學的研究主要包括五個方面:①地球化學非線性反應(yīng)動力學;②礦物沉淀、結(jié)晶與生長的非線性動力學;③流休流動-反應(yīng)耦合的非線性動力學;④力學一化學耦合的非線性動力學;⑤地球化學循環(huán)的非線性動力學或非線性全球動力學。分別總結(jié)了上述五個方面的研究進展,討論了地球化學非線性動力學研究中存在的問題和今后的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞非線性現(xiàn)象非線性親統(tǒng)非線性動力學地球化學分類號P59/O643.1近二十多年來,地球化學已開始從平衡的靜態(tài)描述轉(zhuǎn)向重視其作用過程的動力學研究。越來越多的野外觀察、實驗與理論研究-3)表明,地球化學系統(tǒng)是開放的和非平衡的復(fù)雜系統(tǒng),許多地球化學作用是復(fù)雜的非線性動力學過程。因此,地球化學中的非平衡非線性現(xiàn)象及其動力學的研究引起了人們的廣泛關(guān)注,隨著非線性科學的理論發(fā)展及其在地球化學中的引入和應(yīng)用,一門新興的地球化學分支學科—非線性地球化學動力學正在逐步誕生。根據(jù)地球化學作用體系的特征、主要動力學過程和目前的研究現(xiàn)狀,就非線性地球化學動力學的以下五個主要研究方面的主要研究進展做初步分析和總結(jié)。地球化學非線性反應(yīng)動力學化學反應(yīng)是一種最重要的地球化學作用,例如水巖反應(yīng)(礦物溶解反應(yīng))影響到巖石的風化、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(nèi)外廣泛開展了對造巖礦物和部分金屬硫化礦物的溶解動力學的實驗與理論研究,認識到開放體系、非平衡和不可逆性是地球化學反應(yīng)體系的普遍而重要的特征3,并建立了一些地球化學反應(yīng)動力學·中國科學院重點項目“構(gòu)造成礦作用的非線性動力學研究”(項A和國家博士后基金項目地洼盆地構(gòu)造一流體演化與成礦作用的非線性動力學研究中國煤化工第一作者簡介:譚凱旋,男,1963年3月出生,副研究員,主要從CNMHG學研究收稿日期:1997-05-20;修改稿:1997-09-27146地球科學進展第13卷的實驗方法(如連續(xù)流動攪拌反應(yīng)器等)和理論模式。特別是近年來通過實驗陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了化學振蕩、混沌振蕩、化學分形等非線性現(xiàn)象68)文獻〔6〕報道了螢石溶解動力學過程中的化學振蕩和反應(yīng)速率隨反應(yīng)時間波動變化的非線性現(xiàn)象。文獻7在花崗閃長巖、長石等的風化淋濾實驗中,發(fā)現(xiàn)了溶液中Si和A濃度的振蕩現(xiàn)象,并進行了簡單的動力學分析。譚凱旋等(9對輝銅礦和黃銅礦在NaCl溶液中的溶解動力學進行了系統(tǒng)的實驗,發(fā)現(xiàn)在弱酸性至弱堿性(pH=3.04~11.0)條件下,它們?nèi)芙膺^程中Cu濃度隨反應(yīng)時間發(fā)生明顯振蕩變化的現(xiàn)象,且不同的pH值和NaCl濃度的條件下甚至在同一實驗中振蕩幅度和周期都是變化的,即表現(xiàn)為非周期混沌振蕩。利用時間系列數(shù)據(jù)分析法對實驗數(shù)據(jù)進行了分析,輝銅礦和黃銅礦的溶解反應(yīng)過程存在混沌吸引子,輝銅礦溶解動力系統(tǒng)的混沌吸引子分維值為1.45~3.35,相空間維數(shù)為4;黃銅礦溶解動力系統(tǒng)的混沌吸引子分維值為3.25~349,相空間維數(shù)為5。最近,我們又對輝銅礦和黃銅礦在酸性NaCl溶液中的溶解動力學作了進一步的實驗,發(fā)現(xiàn)了溶解速率隨反應(yīng)時間發(fā)生明顯振蕩變化的新現(xiàn)象。這些都表明輝銅礦和黃銅礦的溶解作用是一個非線性反應(yīng)過程。2礦物沉淀、結(jié)晶和生長的非線性動力學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(gòu)造,例如斜長石的環(huán)帶構(gòu)造、條紋長石、瑪瑙的環(huán)帶構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)單元層的混層等。目前普遍認為大多數(shù)這種構(gòu)造是礦物沉淀、結(jié)晶和生長過程中的非線性動力學機制形成的自組織現(xiàn)象(1目前,國內(nèi)外許多研究者(1-1°分別從考慮界面反應(yīng)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(jié)晶和生長的動力學模型,通過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力學。對火成巖中礦物結(jié)晶的分形特征及其動力學機理()和礦物結(jié)晶過程中的形態(tài)不穩(wěn)定性及復(fù)雜礦物形態(tài)形成的動力學機理120也做了初步研究。此外,還應(yīng)用奧斯特瓦爾德一李澤岡過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的動力學模型研究了溶液中礦物沉淀的動力學和沉積巖中某些層狀構(gòu)造、條帶構(gòu)造形成的動力學機理(21~24)。3流體流動一反應(yīng)耦合的非線性動力學與熱液流體活動有關(guān)的地球化學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和流體一巖石反應(yīng)的耦合作用,這種耦合作用是一個非線性動力學過程23),可以形成巖石和礦床中的許多非線性現(xiàn)象,如礦床的分帶(0,6,201、圍巖蝕變分帶巖石中的指狀反應(yīng)前鋒2、聚流作用和巖溶作用等當流體流過孔隙巖石時,巖石中的一些易溶礦物將發(fā)生溶解反應(yīng),由于礦物的溶解會使巖石的孔隙度(滲透率)增大,孔隙度的增大促使流入的流體量增大,流量的增大又進一步促進礦物的溶解并增大孔隙度,這樣在流體流動與化中國煤化工反饋作用。流動一反應(yīng)的耦合與反饋將導(dǎo)致反應(yīng)前鋒的形態(tài)不穩(wěn)定CNMHG。目前,一些研究者建立了流體流動一反應(yīng)耦合與反饋的非線性動力學模型3,通過對模型的穩(wěn)定性分析和數(shù)值模擬探討了巖石中蝕變分帶、條帶構(gòu)造形成的動力學機理;研究了碳酸鹽膠結(jié)砂巖中指第2期譚凱旋等:非線性地球化學動力學147狀反應(yīng)前鋒形成的動力學(23);從流動一反應(yīng)耦合的角度分析了沉積銅礦床(20和云南個舊錫石一硫化物礦床2中礦物分帶形成的動力學機制。譚凱旋等(29從流體流動一反應(yīng)耦合與反饋研究了成礦流體向局部地區(qū)匯聚和砂巖銅礦床成礦作用的非線性動力學機制,并提出了“聚流成礦作用”的慨念。4力學一化學耦合的非線性動力學地球化學過程中由力學(包括構(gòu)造應(yīng)力、巖石靜壓力等)與化學反應(yīng)耦合作用形成的非線性現(xiàn)象及其動力學的研究也是目前地球化學非線性動力學研究的重要內(nèi)容之一。巖石、礦床和構(gòu)造中許多重要的復(fù)雜現(xiàn)象如變質(zhì)層理(變質(zhì)分異層狀構(gòu)造)縫合線構(gòu)造、礦物晶體中的位錯構(gòu)造、板劈理、破劈理、折劈理、壓力影構(gòu)造、軸面面理、石英桿狀構(gòu)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一化學耦合作用形成的非線性復(fù)雜現(xiàn)象。文獻〔30~32從巖石結(jié)構(gòu)動力學角度建立了力學一化學耦合作用的動力學模型,并探討了變質(zhì)分異層理、破劈理及縫合線構(gòu)造形成的動力學機理。一些研究指出變質(zhì)分異層狀構(gòu)造、板劈理、破劈理、折劈理、軸面面理、石英桿等構(gòu)造是由于力學一化學耦合作用引起礦物局部再分配或溶解過程的局域化而形成的3;:而位錯的形成與應(yīng)力作用下的反應(yīng)一遷移耦合動力學有關(guān)331);巖石中甲烷的運移與振蕩性釋放也是由于力學一化學耦合作用所產(chǎn)生的自組織現(xiàn)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(xiàn)象的非線性動力學分析也做了大量研究工作3-80),從流體質(zhì)量守恒、壓實作用、水巖反應(yīng)、水力斷裂等方面建立了反應(yīng)一遷移一力學耦合的非線性動力學偏微分方程組,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力學機理5地球化學循環(huán)的非線性動力學從全球的尺度研究元素的地球化學分布與循環(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,稱之為地球化學循環(huán)動力學或全球動力學。對地球化學全球循環(huán)的動力學研究1表明,各種元素循環(huán)之間的非線性耦合和各個庫之間的非線性耦合能夠深刻影響地球化學循環(huán)動態(tài)行為的反饋過程的發(fā)生和循環(huán)過程的穩(wěn)定性,必須在地球化學循環(huán)中開展非線性動力學的研究,并稱之為非線性全球動力學。文獻〔42通過分析碳、氧、氮、硫、鐵和錳的反應(yīng)一遷移耦合作用探討了沉積物中鐵和錳循環(huán)的動力學。6討論以上從5個方面總結(jié)了非線性地球化學動力學的研究現(xiàn)狀和進展,這5個方面也是地球化學過程中的主要非線性動力系統(tǒng)和非線性作用方式。從上面的總結(jié)可看出,非線性地球化學動力學的研究剛剛起步,還存在許多問題:①實中國煤化士化學過程中的非線性反應(yīng)還知之甚少;②許多動力學模型缺乏普適CNMHG型中數(shù)學假設(shè)過多,而地質(zhì)條件基本上沒有考慮,僅僅是物理一數(shù)學意乂工的快型,舁個上地質(zhì)模型,所得的結(jié)果也似是而非;③目前大多是對單一現(xiàn)象進行研究,缺乏對非線性現(xiàn)象進行動力學分類和對起因相同或相近的一類非線性現(xiàn)象進行綜合的動力學研究。148地球科學進展第13卷因此,非線性地球化學動力學的研究方向和任務(wù)主要為:①開展動力學實驗,更深入廣泛地了解地球化學中的非線性反應(yīng)體系、影響因素及動力學機理,對巖石和礦物中一些非線性現(xiàn)象進行實驗?zāi)M;②對地球化學中的非線性現(xiàn)象從成因角度進行分類,對動力學起因相同或相近的同一類非線性現(xiàn)象進行綜合研究,建立普適性的動力學模型,通過對模型的穩(wěn)定性分析和模擬計算,分析各種現(xiàn)象形成的動力學機理和動力學條件及不同現(xiàn)象間的動力學差異性;③建立地球化學非線性動力學的實驗研究方法和理論體系;④與實際應(yīng)用相結(jié)合,通過對動力學模型的分析計算,反演已發(fā)生地球化學事件的歷史和預(yù)測未來的發(fā)展趨勢,例如通過非線性全球動力學的研究,可以預(yù)測未來的全球環(huán)境變化趨勢;通過流體流動反應(yīng)耦合和流動一反應(yīng)一力學耦合的動力學研究,可以預(yù)測地下水資源的運移和水質(zhì)變化的趨勢,預(yù)測油氣的運移和儲存并指導(dǎo)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·地球化學系統(tǒng)的復(fù)雜性探索,地球科學,199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Cycling of iron and manganesetransport and reaction of carbon, oxygen, nitrogen, sulfur, ironYH際150地球科學進展第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