非线性地球化学动力学

第13卷第2期地球科学进展Vol 13 No. 21998年4月ADVANCE IN EARTH SCIENCESApr, 1998非线性地球化学动力学谭凯旋(中国科学院长沙大地构造研究所长沙410013戴塔根(中南工业大学地质亲长沙410083)摘要非线性地球化学动力学的研究主要包括五个方面:①地球化学非线性反应动力学;②矿物沉淀、结晶与生长的非线性动力学;③流休流动-反应耦合的非线性动力学;④力学一化学耦合的非线性动力学;⑤地球化学循环的非线性动力学或非线性全球动力学。分別总结了上述五个方面的研究进展,讨论了地球化学非线性动力学研究中存在的问题和今后的发展方向。关键词非线性现象非线性亲统非线性动力学地球化学分类号P59/O643.1近二十多年来,地球化学已开始从平衡的静态描述转向重视其作用过程的动力学研究。越来越多的野外观察、实验与理论研究-3)表明,地球化学系统是开放的和非平衡的复杂系统,许多地球化学作用是复杂的非线性动力学过程。因此,地球化学中的非平衡非线性现象及其动力学的研究引起了人们的广泛关注,随着非线性科学的理论发展及其在地球化学中的引入和应用,一门新兴的地球化学分支学科—非线性地球化学动力学正在逐步诞生。根据地球化学作用体系的特征、主要动力学过程和目前的研究现状,就非线性地球化学动力学的以下五个主要研究方面的主要研究进展做初步分析和总结。地球化学非线性反应动力学化学反应是一种最重要的地球化学作用,例如水岩反应(矿物溶解反应)影响到岩石的风化、环境变化、水质、成矿元素活化迁移与矿床的形成等。目前国内外广泛开展了对造岩矿物和部分金属硫化矿物的溶解动力学的实验与理论研究,认识到开放体系、非平衡和不可逆性是地球化学反应体系的普遍而重要的特征3,并建立了一些地球化学反应动力学·中国科学院重点项目“构造成矿作用的非线性动力学研究”(项A和国家博士后基金项目地洼盆地构造一流体演化与成矿作用的非线性动力学研究中国煤化工第一作者简介:谭凯旋,男,1963年3月出生,副研究员,主要从CNMHG学研究收稿日期:1997-05-20;修改稿:1997-09-27146地球科学进展第13卷的实验方法(如连续流动搅拌反应器等)和理论模式。特别是近年来通过实验陆续发现了化学振荡、混沌振荡、化学分形等非线性现象68)文献〔6〕报道了萤石溶解动力学过程中的化学振荡和反应速率随反应时间波动变化的非线性现象。文献7在花岗闪长岩、长石等的风化淋滤实验中,发现了溶液中Si和A浓度的振荡现象,并进行了简单的动力学分析。谭凯旋等(9对辉铜矿和黄铜矿在NaCl溶液中的溶解动力学进行了系统的实验,发现在弱酸性至弱碱性(pH=3.04~11.0)条件下,它们溶解过程中Cu浓度随反应时间发生明显振荡变化的现象,且不同的pH值和NaCl浓度的条件下甚至在同一实验中振荡幅度和周期都是变化的,即表现为非周期混沌振荡。利用时间系列数据分析法对实验数据进行了分析,辉铜矿和黄铜矿的溶解反应过程存在混沌吸引子,辉铜矿溶解动力系统的混沌吸引子分维值为1.45~3.35,相空间维数为4;黄铜矿溶解动力系统的混沌吸引子分维值为3.25~349,相空间维数为5。最近,我们又对辉铜矿和黄铜矿在酸性NaCl溶液中的溶解动力学作了进一步的实验,发现了溶解速率随反应时间发生明显振荡变化的新现象。这些都表明辉铜矿和黄铜矿的溶解作用是一个非线性反应过程。2矿物沉淀、结晶和生长的非线性动力学岩石和矿物中广泛存在物质组分或矿物的振荡型分带构造,例如斜长石的环带构造、条纹长石、玛瑙的环带构造与纤维状扭曲、球状岩石、层状火成侵入体、矽卡岩条带状构造钙球与鲕粒、矿物中微量元素的振荡变化、粘土矿物和稀土矿物中结构单元层的混层等。目前普遍认为大多数这种构造是矿物沉淀、结晶和生长过程中的非线性动力学机制形成的自组织现象(1目前,国内外许多研究者(1-1°分别从考虑界面反应与扩散、晶面多重态和界面质量守恒等角度建立了岩浆中矿物结晶和生长的动力学模型,通过对模型的分析和模拟计算研究了矿物和岩石中一些振荡分带形成的动力学。对火成岩中矿物结晶的分形特征及其动力学机理()和矿物结晶过程中的形态不稳定性及复杂矿物形态形成的动力学机理120也做了初步研究。此外,还应用奥斯特瓦尔德一李泽冈过饱和一成核一消耗循环及奥斯特瓦尔德成熟作用引起的竞争性颗粒生长的动力学模型研究了溶液中矿物沉淀的动力学和沉积岩中某些层状构造、条带构造形成的动力学机理(21~24)。3流体流动一反应耦合的非线性动力学与热液流体活动有关的地球化学作用如热液成矿作用、热液蚀变、热液交代作用、变质作用等均受到流体流动和流体一岩石反应的耦合作用,这种耦合作用是一个非线性动力学过程23),可以形成岩石和矿床中的许多非线性现象,如矿床的分带(0,6,201、围岩蚀变分带岩石中的指状反应前锋2、聚流作用和岩溶作用等当流体流过孔隙岩石时,岩石中的一些易溶矿物将发生溶解反应,由于矿物的溶解会使岩石的孔隙度(渗透率)增大,孔隙度的增大促使流入的流体量增大,流量的增大又进一步促进矿物的溶解并增大孔隙度,这样在流体流动与化中国煤化工反馈作用。流动一反应的耦合与反馈将导致反应前锋的形态不稳定CNMHG。目前,一些研究者建立了流体流动一反应耦合与反馈的非线性动力学模型3,通过对模型的稳定性分析和数值模拟探讨了岩石中蚀变分带、条带构造形成的动力学机理;研究了碳酸盐胶结砂岩中指第2期谭凯旋等:非线性地球化学动力学147状反应前锋形成的动力学(23);从流动一反应耦合的角度分析了沉积铜矿床(20和云南个旧锡石一硫化物矿床2中矿物分带形成的动力学机制。谭凯旋等(29从流体流动一反应耦合与反馈研究了成矿流体向局部地区汇聚和砂岩铜矿床成矿作用的非线性动力学机制,并提出了“聚流成矿作用”的慨念。4力学一化学耦合的非线性动力学地球化学过程中由力学(包括构造应力、岩石静压力等)与化学反应耦合作用形成的非线性现象及其动力学的研究也是目前地球化学非线性动力学研究的重要内容之一。岩石、矿床和构造中许多重要的复杂现象如变质层理(变质分异层状构造)缝合线构造、矿物晶体中的位错构造、板劈理、破劈理、折劈理、压力影构造、轴面面理、石英杆状构造、盆地中流体分隔间、流体异常压力的形成与流体阶段性释放、热液成矿的多阶段性等均被认为可能是由力学一化学耦合作用形成的非线性复杂现象。文献〔30~32从岩石结构动力学角度建立了力学一化学耦合作用的动力学模型,并探讨了变质分异层理、破劈理及缝合线构造形成的动力学机理。一些研究指出变质分异层状构造、板劈理、破劈理、折劈理、轴面面理、石英杆等构造是由于力学一化学耦合作用引起矿物局部再分配或溶解过程的局域化而形成的3;:而位错的形成与应力作用下的反应一迁移耦合动力学有关331);岩石中甲烷的运移与振荡性释放也是由于力学一化学耦合作用所产生的自组织现象30,3)此外,对沉积盆地中流体分隔间的形成、流体异常压力与流体阶段性释放等现象的非线性动力学分析也做了大量研究工作3-80),从流体质量守恒、压实作用、水岩反应、水力断裂等方面建立了反应一迁移一力学耦合的非线性动力学偏微分方程组,分析了流体压力演化流体分隔的形成及流体阶段性释放的动力学机理5地球化学循环的非线性动力学从全球的尺度研究元素的地球化学分布与循环如碳、硫、氧、氮、磷等元素在大气圈、生物圈、地壳、湖泊、海洋、河流和沉积物中的分布及其循环的速率、机制和模式,称之为地球化学循环动力学或全球动力学。对地球化学全球循环的动力学研究1表明,各种元素循环之间的非线性耦合和各个库之间的非线性耦合能够深刻影响地球化学循环动态行为的反馈过程的发生和循环过程的稳定性,必须在地球化学循环中开展非线性动力学的研究,并称之为非线性全球动力学。文献〔42通过分析碳、氧、氮、硫、铁和锰的反应一迁移耦合作用探讨了沉积物中铁和锰循环的动力学。6讨论以上从5个方面总结了非线性地球化学动力学的研究现状和进展,这5个方面也是地球化学过程中的主要非线性动力系统和非线性作用方式。从上面的总结可看出,非线性地球化学动力学的研究刚刚起步,还存在许多问题:①实中国煤化士化学过程中的非线性反应还知之甚少;②许多动力学模型缺乏普适CNMHG型中数学假设过多,而地质条件基本上没有考虑,仅仅是物理一数学意乂工的快型,舁个上地质模型,所得的结果也似是而非;③目前大多是对单一现象进行研究,缺乏对非线性现象进行动力学分类和对起因相同或相近的一类非线性现象进行综合的动力学研究。148地球科学进展第13卷因此,非线性地球化学动力学的研究方向和任务主要为:①开展动力学实验,更深入广泛地了解地球化学中的非线性反应体系、影响因素及动力学机理,对岩石和矿物中一些非线性现象进行实验模拟;②对地球化学中的非线性现象从成因角度进行分类,对动力学起因相同或相近的同一类非线性现象进行综合研究,建立普适性的动力学模型,通过对模型的稳定性分析和模拟计算,分析各种现象形成的动力学机理和动力学条件及不同现象间的动力学差异性;③建立地球化学非线性动力学的实验研究方法和理论体系;④与实际应用相结合,通过对动力学模型的分析计算,反演已发生地球化学事件的历史和预测未来的发展趋势,例如通过非线性全球动力学的研究,可以预测未来的全球环境变化趋势;通过流体流动反应耦合和流动一反应一力学耦合的动力学研究,可以预测地下水资源的运移和水质变化的趋势,预测油气的运移和储存并指导油气储层的酸化和提高油气产量(20主要参考文献1於祟文·地球化学系统的复杂性探索,地球科学,1994,19(3);283~2862於崇文,地球化学动力学体系,现代地质,1989,3(3):267~2893 Ortoleva P. 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Cycling of iron and manganesetransport and reaction of carbon, oxygen, nitrogen, sulfur, ironYH际150地球科学进展第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中国煤化工CNMHG