1、成礦動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)Theory Background for the Metallogenic Geodynamics第一講提 綱一、基本概念及研究意義什么是動(dòng)力學(xué)成礦系統(tǒng)的自組織演化為什么要研究成礦動(dòng)力學(xué)二、多孔介質(zhì)中傳遞過(guò)程的耦合動(dòng)力學(xué)多孔價(jià)質(zhì)的基本特性多孔介質(zhì)的本構(gòu)方關(guān)系唯象律不可逆過(guò)程耦合多孔介質(zhì)的骨架變形多孔介質(zhì)的固-流反應(yīng)全反饋-耦合動(dòng)力學(xué)一、基本概念及研究意義什么是動(dòng)力學(xué)成礦系統(tǒng)的自組織演化為什么要研究成礦動(dòng)力學(xué)1. 動(dòng)力學(xué)、地質(zhì)動(dòng)力學(xué)和成礦動(dòng)力學(xué)“動(dòng)力學(xué)”一詞的原義泛指英文中的“kinetics”(化學(xué)動(dòng)力學(xué))和 “dynamics”（動(dòng)力學(xué)）。kinetics(或chemic

2、al Kinetics)研究化學(xué)反應(yīng)的速率和歷程（或機(jī)制）。所謂“反應(yīng)歷程”（或“反應(yīng)機(jī)制”）就是指反應(yīng)物分子在變?yōu)楫a(chǎn)物分子的過(guò)程中所經(jīng)歷的具體途徑和步驟?！癲ynamics”則是研究物體在力的作用下宏觀運(yùn)動(dòng)的速率或機(jī)制。Study of the motion of bodies under the influence of force.動(dòng)力學(xué)的較完整的涵義是某種作用（或物質(zhì)運(yùn)動(dòng)）的速率（rate）、機(jī)制(mechanism)和過(guò)程（process）。動(dòng)力學(xué)地質(zhì)動(dòng)力學(xué) (geodynamics)Geodynamics,國(guó)內(nèi)稱(chēng)為地球動(dòng)力學(xué), 主要研究地球及其各圈層的運(yùn)動(dòng)及其原因。這實(shí)際上是不確切

3、的。澳大利亞地質(zhì)動(dòng)力學(xué)合作研究中心(Australia Geodynamics Cooperative Research Centre)給出的定義為，Study of the changes that occur to and within bodies of rock under the influence of geological processes. These geological processes include tectonic and gravitational stress (which cause displacements and deformations), ther

4、mal fluxes (which cause metamorphism and melt of rock), fluid flows (which cause movement and convective circulation of mineral-laden water, hydrostatic stress and hydro-fracturing) and chemical reactions (which cause alternation, mineral solution and mineral deposition). There are strong feedback i

5、nteraction (couplings) between these processes.成礦動(dòng)力學(xué)（metallogenic dynamics ）確切地說(shuō)，成礦動(dòng)力學(xué)應(yīng)該叫著成礦作用動(dòng)力學(xué)（dynamics of metallogenic process)，主要是研究成礦作用的速率、機(jī)制和過(guò)程，是礦床成因的核心問(wèn)題；傳統(tǒng)的礦床學(xué)(ore deposit geology)主要總結(jié)和歸納已發(fā)現(xiàn)礦床的特征和規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)事,以及對(duì)這種規(guī)律和事實(shí)的解釋和進(jìn)一步的推論, 成礦學(xué)(metallogeny)則是對(duì)更大范圍的區(qū)域內(nèi)的成礦特征和規(guī)律的總結(jié)和解釋。二者都是立足于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)上，其最本質(zhì)的特征都是“以

6、成礦的結(jié)果為研究的主要對(duì)象，主要目的是發(fā)現(xiàn)礦床形成的規(guī)律，研究思路則是從結(jié)果 (反推) 原因”，而且這種反推在有很大程度上帶有猜想和假想的成分，是非常不嚴(yán)密的。成礦動(dòng)力學(xué)則是“以成礦過(guò)程為研究的主要對(duì)象，主要目的是發(fā)現(xiàn)礦床形成的原因和機(jī)制，研究思路是從原因到結(jié)果”。成礦動(dòng)力學(xué)與礦床學(xué)及成礦學(xué)之間的本質(zhì)區(qū)別決定了礦床學(xué)和成礦學(xué)研究常用的歸納法和類(lèi)比法等是不適合于研究成礦動(dòng)力學(xué)的。成礦作用動(dòng)力學(xué)的理論體系據(jù)於崇文2. 成礦系統(tǒng)的自組織演化成礦作用是一種復(fù)雜的多過(guò)程動(dòng)力系統(tǒng), 成礦作用實(shí)際上是成礦物質(zhì)的無(wú)序狀態(tài)向有序狀態(tài)演化過(guò)程，這種轉(zhuǎn)化在很大程度是自組織的；在成礦系統(tǒng)的自組織(self-organ

7、ization)演化進(jìn)程中，有兩種機(jī)制起著非常重要的作用，這兩種機(jī)制是：反饋和耦合。反饋和耦合反饋（feed-back）：The return of a portion of the output of a process or system to the input, especially when used to maintain performance or to control a system or process. 簡(jiǎn)單地說(shuō)，反饋就是結(jié)果對(duì)原因的影響。耦合(coupling)：the act of bring or coming together。簡(jiǎn)單地說(shuō),耦合就是兩個(gè)過(guò)程間的相互

8、影響。成礦作用的復(fù)雜過(guò)程（據(jù)Hobbs et al )3.為什么要研究成礦動(dòng)力學(xué)地球科學(xué)發(fā)展之必然 地球科學(xué)不能永遠(yuǎn)停留在經(jīng)驗(yàn)事實(shí)積累的水平上，必向具嚴(yán)密邏輯和精確數(shù)學(xué)表達(dá)的現(xiàn)代科學(xué)邁進(jìn),要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)動(dòng)力學(xué)研究是其必然途徑。 動(dòng)力學(xué)的核心：基本守恒定律和系統(tǒng)本構(gòu)關(guān)系的唯象律找礦勘查之必需 現(xiàn)代找礦勘查的成功概率并不高，每10000個(gè)勘查項(xiàng)目只有12個(gè)最終演化成可贏利礦山，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也沒(méi)有有效地提高找礦勘查的成功率，其主要原因是我們對(duì)導(dǎo)致礦體形成并定位于某一位置的動(dòng)力過(guò)程缺乏詳細(xì)的了解，而且現(xiàn)代地球科學(xué)和地球探測(cè)技術(shù)也沒(méi)有為我們提供足夠的了解成礦動(dòng)力學(xué)過(guò)程的知識(shí)和技術(shù)， 只有發(fā)展動(dòng)力學(xué)研

9、究，才有可能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。大氣動(dòng)力學(xué)對(duì)氣象預(yù)報(bào)的貢獻(xiàn)。 When people fail to understand why their geological evidence is insufficient or why their interpretation is inadequate they think the failure is due to bad luck and the wasted money and effort is part of the risk involved in mineral exploration. However, luck (good or bad)

10、 has nothing to do with the location of mineral deposits. Mineral deposits are not distributed randomly, haphazardly or according to luck, throughout the Earths crust. Rather, each deposit is located in a special place and its formation was the culmination of special circumstances involving interact

11、ions between specific geodynamic processes that operated in that location at a particular time and in a specific sequence. Understanding these processes and recognising where and when they operated throughout the four and a half billion years of the Earths history is what transforms luck into predic

12、tion.-G. P. PRICE, P. STOKER Mineralisation is commonly the result of full feedback coupling between the four processes of mechanical deformation, non-isothermal fluid flow, thermal transport and chemical reaction (which includes mineral dissolution, transport and precipitation), as shown in Fig. 1.

13、 The generation of a large orebody means that these feedback mechanisms must reinforce one another in such a way that the rate of mineralisation, integrated over time, is optimised.-B. Hobbs二、多孔介質(zhì)傳遞耦合動(dòng)力學(xué)多孔價(jià)質(zhì)的基本特性多孔介質(zhì)的本構(gòu)方關(guān)系唯象律不可逆過(guò)程耦合多孔介質(zhì)的骨架變形多孔介質(zhì)的固-流反應(yīng)全反饋-耦合動(dòng)力學(xué)1. 多孔介質(zhì)的基本特性多孔介質(zhì)(porous media)：多孔介質(zhì)是指內(nèi)部含

14、有眾多孔隙的固體材料。多孔介質(zhì)是由多相物質(zhì)所占據(jù)的空間，也是多相物質(zhì)所共存的一個(gè)組合體；從任一相來(lái)說(shuō)，其它相均彌散在其中，故又稱(chēng)多孔材料為彌散材料(dispersed material)。多孔介質(zhì)中，固體相占據(jù)的部分叫固體骨架(solid matrix)，沒(méi)有被固體顆粒占據(jù)的那部位空間稱(chēng)作空隙(或孔隙, pore space 或void space)。孔隙之大小及其分布是多孔介質(zhì)的重要特征，根據(jù)空隙之大小，可將其分為三類(lèi)：當(dāng)空隙空間甚小， 以致使固體分子和流體分子間的分子作用力不可忽略時(shí)，稱(chēng)之為分子間隙；當(dāng)空隙足夠大以至使流體流動(dòng)只取決于孔隙壁面時(shí)，則稱(chēng)之為洞隙；介乎二者之間空間黍之為孔隙。

15、描述多孔介質(zhì)的幾個(gè)參數(shù)孔隙度（porosity）：表示多孔介質(zhì)中孔隙所占的份額的相對(duì)大小，通常用孔隙容積與多孔介質(zhì)總?cè)莘e之比表示；滲透率(permibility)：表示在一定流動(dòng)推力推動(dòng)力下，流體通過(guò)多孔介質(zhì)的難易程度；飽和度（saturation)：在多孔介質(zhì)中某種特定流體所占空隙容積之百分比；巖石孔隙的幾種主要類(lèi)型熱液成礦實(shí)際是發(fā)生在多孔介質(zhì)中, 成礦作用的過(guò)程,無(wú)論是成礦物質(zhì)的遷移還是沉淀定位，都不是一個(gè)簡(jiǎn)單的流體作用過(guò)程，必然要牽涉到固體骨架的作用過(guò)程以及固體骨架-流體間的作用過(guò)程，是一個(gè)復(fù)雜的固-流耦合流力學(xué)系統(tǒng)；發(fā)生于多孔介質(zhì)中的熱液成礦作用最重要的動(dòng)力過(guò)程可分為兩大基本類(lèi)別，一是

16、物質(zhì)能量的空間間轉(zhuǎn)移，包括傳質(zhì)和傳熱；二是物質(zhì)和能量的型態(tài)轉(zhuǎn)移，主要是化學(xué)反應(yīng)，其中不但包含有化學(xué)物種的變化，也伴隨是能量形式的變化；在熱液成礦演化過(guò)程中，多孔介質(zhì)的各種參數(shù)是變化的。多孔介質(zhì)對(duì)成礦研究的重要意義2. 多孔介質(zhì)的本構(gòu)方關(guān)系唯象律 質(zhì)量傳遞(mass transfer)和熱量傳遞(thermal transfer)過(guò)程是成礦作用中最重要的不可逆物理過(guò)程。 在建立多孔介質(zhì)傳遞過(guò)程模型時(shí)，除了具有普遍意義的動(dòng)量、能量和質(zhì)量守恒定律外，還必須涉及到對(duì)傳遞現(xiàn)象這一不可逆運(yùn)輸過(guò)程規(guī)律的描術(shù)，而所謂不可逆運(yùn)輸過(guò)程規(guī)律，就是反映運(yùn)輸過(guò)程的激發(fā)（或驅(qū)動(dòng)）力X與運(yùn)輸反應(yīng)（即運(yùn)輸通量）J之間的關(guān)系，

17、這種關(guān)系反映了與物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)的物質(zhì)固有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)，故稱(chēng)之為本構(gòu)關(guān)系(constitutive relation)，而將表示這種關(guān)系的數(shù)學(xué)公式稱(chēng)作本構(gòu)方程(constitutive equation)。一般來(lái)說(shuō)，本構(gòu)方程是根據(jù)大量實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)來(lái)確定的，故又稱(chēng)為唯象方程(phenomenological equations)，而所反映的本構(gòu)關(guān)系又稱(chēng)為唯象律。建立本構(gòu)方程的若干原理相容性原理: 任相本構(gòu)方程都必須與質(zhì)量、動(dòng)量和能量平衡的一般原理相容；座標(biāo)不變性原理：本構(gòu)方程必須表示在任何固定時(shí)刻，在所有慣性座標(biāo)系中都成立的方程；適當(dāng)配置原理：當(dāng)反本構(gòu)方程和包含相同變量（質(zhì)量、動(dòng)量、能量等）的平

18、衡方程配置成相容的方程組時(shí)，對(duì)應(yīng)于物理上有意義的初始和邊界條件這個(gè)方程組應(yīng)該能給出唯一的和穩(wěn)定的解；量綱不變性原理：任何本構(gòu)方程在量綱上應(yīng)當(dāng)是同一的；物質(zhì)客觀性原理：材料的內(nèi)在反應(yīng)與觀察者無(wú)關(guān)；物質(zhì)不變性原理(物質(zhì)同構(gòu)性原理)：關(guān)于某種性質(zhì)各向同性的材料,關(guān)于其它性質(zhì)不必是各向同性的。共存性原理：出現(xiàn)在一個(gè)本構(gòu)方程的自變數(shù)也必須出現(xiàn)在其它的本構(gòu)方程中。最簡(jiǎn)單的本構(gòu)方程是將通量（以稱(chēng)為廣義“流”）J與驅(qū)動(dòng)力（又稱(chēng)廣義“力”）X表示成線性關(guān)系：J=LX式中，L是與J、X無(wú)關(guān)的系數(shù)。應(yīng)當(dāng)指出，這種簡(jiǎn)單的線性關(guān)系只對(duì)低強(qiáng)度輸運(yùn)過(guò)程（即驅(qū)動(dòng)力較小，也就是離平衡態(tài)不遠(yuǎn)時(shí)）成立，在目前人們所計(jì)論的范圍內(nèi)，大

19、多數(shù)的輸運(yùn)過(guò)程是基本滿(mǎn)足這一要求的，對(duì)于高強(qiáng)度或遠(yuǎn)離平衡態(tài)的運(yùn)輸過(guò)程，上式僅為一級(jí)近似。這時(shí)往往采取將通量J與驅(qū)動(dòng)力X之間的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化到系數(shù)L中去處理，即任將J與X的關(guān)系表示成上式的形式，但L不再是常數(shù)而是一個(gè)變量。這種方法也并非對(duì)千變?nèi)f化的現(xiàn)象都適用。本構(gòu)方程的表達(dá)幾個(gè)主要的本構(gòu)唯象方程傳熱： Fourier定律 擴(kuò)散：Fick定律流體流動(dòng)：Darcy定律 Fourier定律 通過(guò)物體的熱流密度(通量) q 與體內(nèi)溫度梯度(驅(qū)動(dòng)力) T/x 之間的關(guān)系可表示為：式中k為導(dǎo)熱系數(shù)， 熱流通量Jq=q，驅(qū)動(dòng)力為則有：Fick定律 質(zhì)量擴(kuò)散傳遞通量Jm與濃度梯度 C/ x 之間的關(guān)系為:驅(qū)動(dòng)力

20、為濃度梯度表示為則Darcy定律 通過(guò)多孔介質(zhì)單位截面上的不可壓縮流的容積流量(即比流量) Jf 與流體流動(dòng)方向上的水力梯度之間的關(guān)系：其中 為水力傳導(dǎo)系數(shù), 為水力梯度 Kp為多孔介質(zhì)的滲透率, 和 分別為流體的密度和動(dòng)力粘度，g為重力加速度， 為流動(dòng)勢(shì)，可表示為：式中 p 為流體壓力，Z 為流體所處的高度3. 不可逆實(shí)傳遞過(guò)程耦合大量的經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)證明，無(wú)論是多孔介質(zhì)或者其它一般介質(zhì)中，各種不可逆?zhèn)鬟f過(guò)程之間存在相互干攏和影響。在不可逆熱力學(xué)中，稱(chēng)這種廣義“力”與廣義“流”之間相互作用為耦合效應(yīng)。很顯然，這種耦合效應(yīng)是由于系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)形態(tài)的相互影響造成的。在多孔介質(zhì)多相系統(tǒng)中，流體的熱物性參數(shù)諸于密度、粘度、表面張力 及多孔介質(zhì)滲透率Kp等隨溫度T變化，是形在傳熱、傳質(zhì)耦合的直接原因，因?yàn)樯鲜鑫镄约敖Y(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，對(duì)傳熱、傳質(zhì)及流動(dòng)力過(guò)程均產(chǎn)生影響，從而形成了各過(guò)程珠相互干擾和作用。 若系統(tǒng)離平衡態(tài)不遠(yuǎn)時(shí)，不可逆?zhèn)鬟f過(guò)程的“流”Ji與各驅(qū)動(dòng)“力” Xi，j（包括與其耦合的“力”）之間呈線性關(guān)系，即 式中，Li,j為唯象系數(shù)。上式表示一種“流”可能是幾種“力”推動(dòng)的結(jié)果，反之一種“力”也可以推動(dòng)幾種“流”。在多孔介質(zhì)傳遞過(guò)程涉及到的“流”有：熱量流(熱流密度)Jq、質(zhì)量流(質(zhì)量通量)Jm、動(dòng)量流(粘滯切應(yīng)力)Jv、化學(xué)反應(yīng)流Jc等。與它們對(duì)應(yīng)的“力”有：溫度梯度Xq、質(zhì)量濃度梯度