2001年第29卷第3期地 质 地 球 化 学
Vol.29,No.3,2001GEOLOGY-GEOCHEMISTRY
1
文章编号:1008-0244(2001)03-0001--07
自组织理论和耗散结构理论
及其地学应用
申 维1,2
(1.中国地质大学国土资源与高新技术研究中心,北京100083;2.中国科学院地球化学研究所矿床地球化学开放实验室,贵州贵阳550002)
摘 要:介绍了自组织、自组织临界态理论和耗散结构理论的概念及其近年来在地学特别是地球化学研究领域的应用情况.
关键词:非线性;自组织临界态;自相似;地球化学中图分类号:P5
文献标识码:A
现代科学已进入非线性科学时代,非线性科学是目前世界性的热门课题,其内容之丰富、应用之广泛几乎是前所未有的,它已应用在自然科学和社会科学之中。地学研究在理论上遇到的非线
性问题以及在实践上遇到的复杂现象正是非线性科学研究对象。因此,把非线性科学引入地学研究中不仅具有重大的理论意义,而且也很有现实意义。地学所研究的对象地球及地球上的各类地质体,从本质上来讲是一个开放系统,它与外界环境存在着物质和能量交换,是一个不断变化着的系统。因此,各种地质作用及这些作用所形成的地质体,大多数处于复杂的非线性状态,即不规则的分形状态,对地学所研究的对象来说,开放性、不平衡性、无序性、非线性是绝对的、长期的;而封闭系统、平衡状态、有序性、线性则是相对的、局部的、暂时的。这就是自然物质自组织过程(包括平衡态自组织和非平衡态自组织)导致的物质构型的多样性和复杂性
[1]
自组织是自然界中的系统在非人为因素下自发产生的有序状态,可包括在时间、空间、功能等方面。自组织可分为平衡态自组织和非平衡态自组织,前者如晶体,是平衡相变时形成的,相变过程具可逆性,是一种低墒低内能状态,内部结构具较高对称性,不需要与外界进行物质和能量的交换,因此是一种“死”结构。当系统处于不平衡状态时,也能形成自组织态.这种自组织态按比利时物理化学家L.Prigogine的解释,是通过不断与环境进行物质和能量交换引入负墒而形成和保持的,Prigogine(1973)称这种结构为耗散结构[2]。非平衡态自组织是系统在远离平衡时,非线性相干作用的结果,过程不具可逆性,内部结构虽具对称性但较差,是一种低墒内能较高的状态,并且只有不断与外界进行物质和能量的交换才能维持,由此是一种“活”结构,生物就是这种结构的典型。对非平衡态自组织的研究,导致耗散结构论和协调论的建立。现实世界更多的是非平衡系统,而且系统多经历了长时间的演化,因此具有自相似的自组织态是普遍的。
地球化学过程中存在着大量的时—空有序现象,例如许多岩石中某些组分的浓度随空间显周
期性的变化,导致岩石中显现周期性的有序花纹。现在已有许多证据表明,这种周期性现象并不是由外界环境的周期性变化引起的,而是由地球化学过程的内在机制(例如化学过程和扩散过程或热传导过程)引起的。因此这类现象属于自组织。
1 自组织有关理论
1.1 自组织
收稿日期:2001-04-26
基金项目:国家自然科学基金项目(批准号:49873027);中国科学院重大项目(批准号:K2951-1B-411);国土资源部科技项目(编号B7-10)
第一作者简介:申维(1957-),男,博士,教授,主要从事数学地质
2地质地球化学 2001年
自组织现象有以下特点:(1)系统存在结构,存在对称性破缺,这种结构包括时间结构(周期振荡)、空间结构(一维、二维、三维空间的周期分布)、时—空结构(各种形式的波)和功能结构。自组织现象中的结构与通常人们所说的晶体结构不同,称之为耗散结构。耗散结构是一种活的结构,是依靠消耗外界能量来维持的结构,一旦外界停止向系统供给能落千丈量,系统的耗散结构就被破坏。同时,耗散结构是一种稳定的宏观结构,说它是稳定的,是指这种结构受到扰动后,只要外界条件不变,结构仍将恢复。但是从微观上分析,系统并不是显现为不变的结构,这与固体中讨论的晶体结构是不同的,晶体结构在分子排列水平上就显现出与宏观一样的空间结构。我们在很多岩浆岩石断面上会看到各种有规律的花纹,这些花纹既不能看成在微观层次上分子的有规律分布形成的宏观花纹,也不能用通常的地质力学中挤压、折皱等岩石宏观运动来解释。这些岩石的有规律花纹应该看成是古代岩浆有序运动形成耗散结构的遗迹。(2)系统演化存在突变.耗散结构的出现是系统在其演化过程中当某些参数达到临界值时,系统状态发生突变,从均匀的平衡态演化而致。突变的时间过程非常短,其动力学过程目前还无法观测研究清楚,通常并不讨论发生突变的弛豫过程,仅研究发生突变前后系统不同稳定状态的形式及特点,特别注重研究系统状态发生突变时外界的控制条件。(3)控制条件与系统的有序结构无明显的联系。一方面,控制条件一般是连续的改变,而系统的状态却是突然变化的。在控制参数一定的范围内,系统状态没有任何变化,而当参数逐渐变化并到某一临界值时,系统状态会发生突然的变化;另一方面,控制条件是对称的,而系统在控制之下所呈现的状态却是不均匀的,例如在B—Z反应中,加到反应器中的反应物(可以认为是控制反应的控制因素)是均匀的,用棒不断搅拌液体使之均匀反应,却只见到液体颜色随时间周期性的变化。再如Benard流中,对液体加热在水平方向上是均匀的,而液体呈现的花样在水平方向却为周期性的变化,呈现花样与控制条件在对称性上的不一致。对此我们不能象通常运用控制论来讨论状态的有序分布是如何由控制条件产生的,而只能从自组织的角度来分析有序结构与外界控制的关系。
的过程中,采用了很多独特的行之有效的方法,使得我们可以得到不少有益的结果。首先自组织理论提出役使原则(slavingprinciple),认为在描述系统状态的从多变量中,必然存在随时间变化较慢的慢变量。当系统发生相变时,慢变量起主导作用,它决定系统相变的速度、相变的形式,而快变量对系统相变不起作用,它们完全由慢变量来决定。役使原则使我们有可能在讨论系统由无序状态向有序状态转变过程时,只分析少数慢变量,这样使分析工作大为简化。其次,在分析少数慢变量演化的微分方程时,又可以利用方程的定性理论,讨论方程定态解的个数、各定态解稳定性条件,使我们从宏观上掌握系统演化的特点及发生相变的条件。第三,自组织理论对系统演化所呈现的复杂运动状态,特别是混沌状态,采用计算其分维数的办法,找到不同的混沌状态之间的差别,使得人们可以对粗看起来完全一样的不同混沌状态,找到一个定量分析方法。关于维数的计算不仅可以用于讨论已经知道演化规律的混沌系统,而且可以讨论仅仅知道呈现混沌现象的时间序列,利用序列重新构建其服从的演化规律,从而建立准确的模型。第四,自组织理论能全面、完整地研究相变,对于不同宏观稳定状态之间的联系与差别是用统一的观点进行分析的。例如对于方程的不动点、周期解、混沌解等进行统一分析,讨论各种状态(解)出现的条件及控制办法,这样可以更全面地从整体角度来讨论系统的相变。1.2 自组织临界态理论的基本原理
当灾难性事件发生后,人们往往归因于外因的冲击、罕见的环境和某些强有力的机制的综合作用。但自组织临界态理论提出了一种新的观点认为,大的相互作用系统会自然而然地朝着一种自组织临界态演进,其结果,小事件冲击会引起连锁反应而可能导致一场大灾难。重要的是系统是耗散的,而且它们在空间上能扩展到无限的自由度,其能量直接或间接通过边界进入这巨大的体积并以均匀方式供给系统。例如承受构造板块运动压力的地壳可以视为这种系统。这种系统在临界状态,没有特征时间、空间或能量的标度。因此,所有的时空关联函数都是幂次的。孕震系统中,幂律大小分布与活动地震区域的几何自相似性密切相关,并假定系统是巨大的,驱动力即构造
第3期 申 维等:自组织理论和耗散结构理论及其地学应用3
自组织临界态理论属整体理论,即它所描述的总体特征(例如大、小事件的相对数量)不取决于微观机制。因此不能通过分析系统中的各个部分去了解系统的总体特征。根据这一理论可以认为,许多复合系统自然地朝着一种临界态演进,在这种临界态下,小事件引起的连锁反应能对系统中的任一组元产生影响,从而使系统不能达到平衡态,而是从一个亚稳态向下一个亚稳态进化。
近来,人们利用自组织临界态理论研究了大量地震、经济市场和生态系统的动态特征,并用计算机模拟这种系统的演化过程,成功地解释了许多自然现象。像地壳、股票市场和生态系统这样大而复杂的系统,不仅在强力的打击下可能瓦解,而且在掉下一根针时,可能也会有瓦解性。大的相互作用系统朝着一种临界状态不断地自组织,在这种临界状态下,小事件引起的连锁反应可能导致一场大灾难。人们可能会想到更多异乎寻常的自组织临界状态的例子。在历史长河中,战争与和平的相互影响可能已经使世界处于一种冲突与社会动荡,将象山崩一样迅速波及各地的临界状态。自组织的临界状态甚至可能解释大脑中的神经网络如何传递信息。一些小事件(例如阅读某篇文章)可能触发脑猝病,这是不足奇怪的。
负幂律分布是自组织临界态理论的证据。自组织临界态理论给出一个相当一般性的解释:1/f噪声是具有各种尺度和各种持续时间的信号的叠加,即当一个处于临界态的系统在产生所有各种尺度和所有各种持续时间的连锁反应时所出现的信号。
地震作为构造板块的一种运动形式,是一种非常丰富和复杂的自然现象。地震孕育过程中,中小事件引起的连锁反应很可能导致大系统的失稳而产生大地震。为了探索系统的临界行为,某些学者应用测震学数据,通过求数学期望比的办法,导出了一个新的时间序列Ui(i=0,1,2,……),然后对其进行功率谱分析,从而得到幂律关系f-β,由此导出Hursf指数。他们通过对唐山、海城、澜沧等七个大地震的研究得到初步结果:大震前β值有明显增高的趋势。主震前一年以及当年,β值几乎均落在0.8
1.3 地球化学景观的自相似
自然界不仅仅只有几何实体具有自相似特征,某些随机过程和随机场也往往具有自相似性,例如各种观测值的时空分布等。如果某些随机过程可以用不同尺度等概率去描述,那么由该过程产生的物体或现象往往具有自相似性。地球化学景观的形成经历了复杂地质历史的演化,元素曾发生过不同尺度的迁移和富集,如果把地球化学景观的整个地质地球化学作用过程视为随机过程,刻划这过程的不同尺度的地质地球化学作用是等概率发生的,那么地球化学景观可能具有自相似特征。事实上,地球化学自相似的现象普遍存在.如在元素组合分带研究中,存在矿田—矿床—矿体元素组合分带的层次结构,而不同层次的元素组合分带往往具有自相似性。大量实践数据证实,不同尺度的地质地球化学作用过程产生了与其尺度相一致的地球化学景观。在地球化学勘查中,观测尺度为10-2m～106m之间。研究某一具体地球化学景观需用某种分形几何方法确定分维数,分维数具体刻划了所研究地球化学景观的分形特征及其复杂程度。在任何尺度地球化学勘查中都发生不同尺度的地球化学富集。如在区域地球化学勘查中,可以发现三个层次的地球化学景观结构:地球化学背景,地球化学省和地球化学异常.如果增大勘查的比例尺,前一较小的比例尺阶段的地球化学异常或地球化学省就可能成为较大比例尺阶段的地球化学背景,依次类推,便构成了各种观测尺度下的地球化学背景的层次。矿带引起的地球化学异常寓于地球化学省中,矿化集中区引起的地球化学异常寓于矿带引起的地球化学异常中;矿田引起的地球化学异常寓于矿化集中区引起的地球化学异常中;矿床引起的地球化学异常寓于矿田引起的地球化学异常中,同时又可分解矿体地球化学异常,这便是地球化学系统预测的基本原理。
2 耗散结构
4地质地球化学 2001年
七十年代创立了耗散结构(DisssipativeStructure)理论,用以研究系统在远离平衡的条件下,由于其内部的非线性相互作用,而发生从无序热力学分支向耗散结构分支转化,并形成一种稳定的有序结构的现象。该理论强调当一个体系接近平衡时原有的结构就会趋于消亡,只有当体系远离平衡时才能产生新的有序结构。一个远离平衡的开放物理化学体系(力学的、物理的、化学的、生物的等)具有发生自组织过程的能力。这样的一种体系通过不断地与外界交换物质和能量,就有可能从原有的混乱无序状态转变成为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。耗散结构定义为:在远离平衡的条件下,借助于外界的能流和物质流而维持的一种空间或时间的有序结构。这种结构是由于进行不可逆过程时体系发生能量耗散所致;地质地球化学过程,如构造活动、岩浆侵入、成矿作用或矿化富集等,均为不可逆过程,耗散结构可给予这些过程新的分析理论和研究方法。
在自然界、科学实验与社会经济现象中,从大量客观事实看,可以区分出二类稳定化的宏观有序体系结构,即平衡状态下稳定化的有序结构
平衡结构和耗散状态下稳定化的有序结构
耗散结构。
平衡结构的平衡是从热力学角度讲的,如在与外界没有物质交换的条件下,宏观体系的各部分在长时间内不发生任何变化,例如晶体和液体这样一种稳定化的有序结构,是较典型的平衡态下的稳定化结构。耗散结构是指当系统处于非平衡状态时,通过与外界进行能量和物质交换而形成且维持的一种稳定化的宏观体系结构,即在非平衡态下宏观体系的自组织现象,例如地质现象中伟晶岩的分带;矿床、元素分带;化学反应(化学振荡)中的有序结构;生物呈现的有序性以及社会现象中有序性等,都可视为非平衡状态下耗散结构的例子.总之,平衡结构是“死”的、静态的有序结构,而耗散结构是“活”的、动态的有序结构2.1 耗散结构理论的热力学基础
①耗散结构理论是在经典热力学基础上发展起来的。按照经典热力学的观点,物质体系的演化总是趋于平衡,物质结构为平衡结构。波尔兹曼(Boltzmann)的热力学第二定律指出,对于孤立体系,体系的演化趋向于使体系的熵极大,即体,[3]
熵增加原理是在有限的空间和时间条件下得到的。对于封闭体系,引进了吉氏自由能G: G=H-TS
由于封闭体系(有能量交换但没有物质交换)必须把环境的熵变考虑进去,因此体系的演化由原生的孤立体系熵增加原理,变成为这时的自由能下降原理。低温时,方程右边第二项可忽略。自由能的下降主要有赖于能量下降。达到平衡时,自由能减至最小,此后不再减小,这时,通常熵也较小。随着温度的不断提高,体系转化为熵越来越高的结构,这就是波尔兹曼平衡结构的原理,也称为“平衡热力学”。
②非平衡热力学的研究成果指出,平衡态是无序的,而非平衡才可能是有序的,现在我们来考察与①不同的另一类现象,首先是热扩散现象。两种气体的混合物置于冷热两壁之间,在热梯度作用下,一种气体分子在热壁上聚集。达到定态时,由于温度梯度的存在,体系显然是非平衡的,但熵通常小于体系均匀时的熵,体系成为有序。其次考虑贝纳特(Benard)现象:在一装满水的器皿底部加热,产生一种热梯度。开始时器皿底部的热量通过热传导的方式向上传递,但当继续在器皿底部加热,使器皿内的温度超过某一临界值时,产生了对流元细胞,形成一种有序结构。这两种现象表明,体系的非平衡也可导致有序结构。
从熵的角度进一步考虑上述现象:对于封闭体系,体系的熵变化包括两部分,一部分为体系内部的熵产生dis,另部分则是通过体系边界由外部流入的熵流des,于是有ds=dis+des.根据热力学第二定律dis>0,在演化过程中欲使总熵减小而达到有序结构,只能使熵向外流。再来考虑贝纳特现象:当温度梯度增大导致对流原胞产生后,能量迅速向外耗散,体系的熵下降,形成有序结构,即体系在非平衡状态(往往是远离平衡态)下形成的时间和空间上的有序结构。
L.Prigogine指出,当开放系统与环境之间发生持续的能量和质量交换时,系统将有可能从近平衡态被推移远离平衡态,并且由于不可逆过程所导致的系统能量的耗散,可以使之发生“自组织”,并产生时间和空间上有序的“耗散结构”。例如断裂,不论是张性断裂还是压性断裂,由于与外界都有压差、温差及所含溶液的浓度差等,因此均属于一种非平衡态的开放系统,这种系统趋于减,、。
第3期 申 维等:自组织理论和耗散结构理论及其地学应用5
散和溶液弥散等地球化学作用形成耗散结构。
③耗散结构是一种非平衡结构,不能用经典热力学加以研究。作为经典热力学最基本公式的Gibbs公式是建立在平衡演化的基础上的。虽然对于非平衡演变的熵改变量,只有终态和始态是平衡态,Gibbs公式仍能适用,但不能用观察到量来表示熵,这种不确定性使得热力学第二定律限于研究平衡,即热力学演化的终态。然而,在许多自然过程中,由于许多边界条件的限制,体系根本不可能达到平衡态。例如,用一根铁杆,一端连接恒定的高温热源,另一端连接恒定的低温热源。当经过一段时间的热传导后,铁杆内各点的温度不再随时间而变,但由于铁杆两端高、低温热源是恒定的,此时铁杆内各点的温度互不相同,温度梯度依然存在,仍有热量从热源持续传向冷源,体系显然未达到平衡。这种体系参量不随时间t变化,但随空间坐标x变化的情形称为热力学定态,表达为=0,≠0,其中f为所考虑的状
t x
态参量,而平衡时则是=0。
t x
达到定态以前的演化态或瞬间态为:
≠≠0,0。 t= x
这种由于边界条件使系统演化不能达到平衡态而只能达到热力学定态的现象是很普遍的。地质上岩浆热对围岩的热度可以看成是这样的例
子。对于这种非平衡体系中形成的耗散结构,经典热力学显得无能为力,而必须建立在非平衡热力学的基础上.
2.2 耗散结构的两个假设
耗散结构的基础
导慢得多,反应速率比物质扩散速率小得多,就可以认为矿液处于局域平衡,或者从另一角度说,在岩浆和围岩接触带附近,由于温度梯度很大,体系可能远离平衡态,而产生耗散结构,而在离接触带
较远处,可能处于近平衡态,即局域平衡。
②部分平衡假设:当体系进行非平衡化学反应时,可能并不影响体系的温度t、压力p或其它状态参量。部分平衡假设就是假定体系的一部分状态参量处于非平衡时,有可能其余状态参量处于平衡,对这些变量可应用经典热力学公式。由于有了这两个假设,我们就有可能采用经典热力学的理论和方法来进行研究,但不同的是从体系研究变为微区研究。2.3 耗散结构的分支解
在自然界,某些比较单一的过程,如简单的扩散作用、两物体之间的机械运动等,可认为它们是线性的,而对于运动着的三个以上的物体之间,则情况要复杂得多,常出现多解性和随机性,也即是非线性的。对于一个非线性的动力学系统,可用非线性偏微分方程反应—扩散方程来描述,这种情况用数学分支理论表述比较清楚。当约束条件未达到参数λ0时,作用的结果只要一个解;当达到λ0以后,则出现多个分支解。这里与λ0相对应的点称为分支点,λ0相当约束条件的阈值,也就是说,在分支点前为线性的近平衡区,而分支点以后,则为非线性的远离平衡区,因而出现了多解性与随机性。正因为如此,才使体系产生许多可能状态,它们之间的转换状态与外界约束相呼应。也只有这样,才有可能通过巨涨落产生新的相变,形成新的稳定影响结构,即耗散结构。总之,耗散结构是非平衡态过程形成的有序结构,必须存在非线性效应,耗散结构与能量的耗散相关联,靠能量的耗散来维持,它只会在距热力学平衡态有一定距离的地方出现,是一种活的有序结构,它不断地向前发展,随历史的进程条件不断改变,新的结构层出不穷,且愈来愈复杂,有序化程度也愈来愈高级。因此可以认为,它是事物发展各个阶段发生突变的真实记录。2.4 耗散结构理论在地质地球化学中的应用
在自然界,包括地质地球化学过程在内,平衡是相对的,不平衡才是绝对的。热力学第二定律,平衡态热力学和远离平衡态热力学。近平衡态有两个重要的假设,即局域平衡和部分平衡假设。
①局域平衡假设:当体系处于近平衡时(体系总的来说是不平衡的),体系参量的空间变化不甚剧烈,若考虑到体系中的任一微区,当微区的体积足够小时,热力学状态参量在微区内的变化就小到可以忽略了。这时微区可看作热力学平衡,称局域平衡,从而保证经典热力学方法可用于微区。然而对体系中任何两个不同的微区,其平衡的数据可能是不相同的,矿液在沿着围岩裂隙运移并与围岩进行化学作用的过程中,矿液内各点,
6地质地球化学 2001年
过程,因而演化过程中所经历的状态全为非平衡态,非平衡演变过程中能形成非平衡结构。再者,当受一定边界条件约束时,体系最终也达不到平衡,这种现象在化学、物理学、生物学乃至社会科学中都证明是普遍存在的。地质地球化学过程本质上也是一种物理—化学过程,因此,近年来非平衡热力学和耗散结构理论已引起许多地质学家的重视,并开始应用于地质地球化学研究。
於崇文[4～6]教授将耗散结构理论应用于地球化学研究,形成了一种全新的理论和方法论,取得了令人瞩目的成果。他认为,地球化学理论体系由四部分构成,而每一部分均可用非平衡热力学和耗散结构理论加以动力学研究。
2.4.1 地球化学系统的物质 系统中的物质具有质和量的统一及物质与运动不可分离的基本属性。质量上表现为化学元素的共生组合和赋存状态,数量上表现为化学元素的分散和集中(元素丰度与富集规律)。地球物质参与各种地球化学作用,始终在运动之中,将化学元素的共生组合、赋存状态和分散状态分别看作是特定条件下开放地球化学系统所处的非平衡定态的质和量,而将集中状态和共生组合、赋存状态的相应变化视为系统的局域扰动触发定态失稳的结果。因而可以应用开放系统非平衡定态稳定性对于扰动的动力学响应的理论,对系统物质的质量和数量作动力学分析。
2.4.2 地球化学作用 当代成矿作用的地球化学研究正围绕着矿质和矿液的来源、矿液运动的动力、成矿物质的迁移形式及析出条件与方式等四个基本问题深入展开。於崇文教授认为从矿床成因的理论研究或是从成矿预测的生产实践出发,成矿作用的核心是“矿化如何向成矿转化”,即“成矿作用的发生”。成矿作用的发生和演化是一个动力学过程,为了阐明其机制就必须进行动力学分析。这在本质上是无矿的非平衡定态失稳并转变耗散结构(成矿状态)的条件与机制问题。2.4.3 地球化学过程 各种地质地球化学过程均属马尔科夫过程,这已为国内外的研究结果所证实。因此,可用马尔科夫过程的理论来研究
成矿作用的时间演化,揭示它的时间结构。分析元素的地球化学旋回有一定的时间结构和韵律,因而可以应用耗散结构理论对地球化学旋回进行动力学分析,即把分析元素的地球化学旋回视为
周期性的分析振荡,即化学波。
2.4.4 地球化学场 地球化学场具有随机性和结构性的双重属性,应用随机场的理论和方法研究成矿作用的空间展布,展示成矿作用的空间结构。将地球化学场视为一种局域化的耗散结构,这对于成矿地球化学分区的形成和发展有重要意义。
於崇文教授把耗散结构理论和上面四方面的认识应用于南岭地区区域地球化学研究(包括广东六个地区成矿地球化学作用及其时空结构的研究),研究结果表明:(1)南岭地区前燕山期和燕山期花岗岩浆处于远离平衡态,其结晶过程具有周期性化学振荡的动力学机制,属于典型的时间耗散结构;(2)粤北地区上部地壳的地球化学演化中石炭纪地球化学旋回出现三重非平衡定态,反演和揭示了泥盆—石炭纪地层金属含矿性的动力学原因,指出耗散结构的多重性和多阶段性决定了地球化学作用的演化,把历史引进了地球化学;(3)根据耗散结构理论,提出了确定南岭地区成矿元素异常下限的原则与方法,指出地球化学异常下限就是区域内各种成矿元素的浓度值由平变陡的转折点,反应在元素含量的等值线图上,则为等值线由稀疏到密度的骤变处;不同元素的异常下限等值线相互叠合而呈现的自然边界,就是划分成矿远景区的界限;(4)应用涨落的局域理论对涨落进行局域分析后,指出成矿远景区是囿于有界介质内的“局域化耗散笔者结构”,即成矿远景区的边界正好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临界点。因此,局域上临界点的出现,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的规模和大小。根据上述理论基础,在粤北韶关地区圈定了21个金属成矿远景区,客观地反应了该区矿床(点)的分布规律。
参考文献
[1]
第3期 申 维等:自组织理论和耗散结构理论及其地学应用[2]仪重祥.非线性科学及其在地学中的应用[M].北京:气象出版社,1995.273.
[3]苏国森.耗散结构理论在地质地球化学中的应用[J].国外地质勘探技术,1992,(3):33～38.[4]於崇文.成矿作用与耗散结构[J].地质学报,1987,(4):336～349.
[5]於崇文.大型矿床和成矿区(带)在混沌边缘[J].地学前缘,1999,6(1,2):85～102,195～230.[6]於崇文.固体地球系统的复杂性与自组织临界性[J].地学前缘,1998,5(3,4):159～182,347～368.
7
THETHEORYOFSELF-ORGANIZATIONAND
DISSIPATIVESTRUCTURESANDITS
APPLICATIONINGEOLOGY
ShenWei1,2
(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083; 2.OpenLaboratoryofOre
DepositGeochemistry,InstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Guiyang550002)
Abstract
Thispaperintroducestheconceptionsofself-organization,self-organizedstateanddissipativestruc-turesandtheirapplicationingeology,especiallyingeochemistryinrecentyears.
Keywords:nonlinearity;self-organizedstate;self-similarity;geochemistry
2001年第29卷第3期地 质 地 球 化 学
Vol.29,No.3,2001GEOLOGY-GEOCHEMISTRY
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文章编号:1008-0244(2001)03-0001--07
自组织理论和耗散结构理论
及其地学应用
申 维1,2
(1.中国地质大学国土资源与高新技术研究中心,北京100083;2.中国科学院地球化学研究所矿床地球化学开放实验室,贵州贵阳550002)
摘 要:介绍了自组织、自组织临界态理论和耗散结构理论的概念及其近年来在地学特别是地球化学研究领域的应用情况.
关键词:非线性;自组织临界态;自相似;地球化学中图分类号:P5
文献标识码:A
现代科学已进入非线性科学时代,非线性科学是目前世界性的热门课题,其内容之丰富、应用之广泛几乎是前所未有的,它已应用在自然科学和社会科学之中。地学研究在理论上遇到的非线
性问题以及在实践上遇到的复杂现象正是非线性科学研究对象。因此,把非线性科学引入地学研究中不仅具有重大的理论意义,而且也很有现实意义。地学所研究的对象地球及地球上的各类地质体,从本质上来讲是一个开放系统,它与外界环境存在着物质和能量交换,是一个不断变化着的系统。因此,各种地质作用及这些作用所形成的地质体,大多数处于复杂的非线性状态,即不规则的分形状态,对地学所研究的对象来说,开放性、不平衡性、无序性、非线性是绝对的、长期的;而封闭系统、平衡状态、有序性、线性则是相对的、局部的、暂时的。这就是自然物质自组织过程(包括平衡态自组织和非平衡态自组织)导致的物质构型的多样性和复杂性
[1]
自组织是自然界中的系统在非人为因素下自发产生的有序状态,可包括在时间、空间、功能等方面。自组织可分为平衡态自组织和非平衡态自组织,前者如晶体,是平衡相变时形成的,相变过程具可逆性,是一种低墒低内能状态,内部结构具较高对称性,不需要与外界进行物质和能量的交换,因此是一种“死”结构。当系统处于不平衡状态时,也能形成自组织态.这种自组织态按比利时物理化学家L.Prigogine的解释,是通过不断与环境进行物质和能量交换引入负墒而形成和保持的,Prigogine(1973)称这种结构为耗散结构[2]。非平衡态自组织是系统在远离平衡时,非线性相干作用的结果,过程不具可逆性,内部结构虽具对称性但较差,是一种低墒内能较高的状态,并且只有不断与外界进行物质和能量的交换才能维持,由此是一种“活”结构,生物就是这种结构的典型。对非平衡态自组织的研究,导致耗散结构论和协调论的建立。现实世界更多的是非平衡系统,而且系统多经历了长时间的演化,因此具有自相似的自组织态是普遍的。
地球化学过程中存在着大量的时—空有序现象,例如许多岩石中某些组分的浓度随空间显周
期性的变化,导致岩石中显现周期性的有序花纹。现在已有许多证据表明,这种周期性现象并不是由外界环境的周期性变化引起的,而是由地球化学过程的内在机制(例如化学过程和扩散过程或热传导过程)引起的。因此这类现象属于自组织。
1 自组织有关理论
1.1 自组织
收稿日期:2001-04-26
基金项目:国家自然科学基金项目(批准号:49873027);中国科学院重大项目(批准号:K2951-1B-411);国土资源部科技项目(编号B7-10)
第一作者简介:申维(1957-),男,博士,教授,主要从事数学地质
2地质地球化学 2001年
自组织现象有以下特点:(1)系统存在结构,存在对称性破缺,这种结构包括时间结构(周期振荡)、空间结构(一维、二维、三维空间的周期分布)、时—空结构(各种形式的波)和功能结构。自组织现象中的结构与通常人们所说的晶体结构不同,称之为耗散结构。耗散结构是一种活的结构,是依靠消耗外界能量来维持的结构,一旦外界停止向系统供给能落千丈量,系统的耗散结构就被破坏。同时,耗散结构是一种稳定的宏观结构,说它是稳定的,是指这种结构受到扰动后,只要外界条件不变,结构仍将恢复。但是从微观上分析,系统并不是显现为不变的结构,这与固体中讨论的晶体结构是不同的,晶体结构在分子排列水平上就显现出与宏观一样的空间结构。我们在很多岩浆岩石断面上会看到各种有规律的花纹,这些花纹既不能看成在微观层次上分子的有规律分布形成的宏观花纹,也不能用通常的地质力学中挤压、折皱等岩石宏观运动来解释。这些岩石的有规律花纹应该看成是古代岩浆有序运动形成耗散结构的遗迹。(2)系统演化存在突变.耗散结构的出现是系统在其演化过程中当某些参数达到临界值时,系统状态发生突变,从均匀的平衡态演化而致。突变的时间过程非常短,其动力学过程目前还无法观测研究清楚,通常并不讨论发生突变的弛豫过程,仅研究发生突变前后系统不同稳定状态的形式及特点,特别注重研究系统状态发生突变时外界的控制条件。(3)控制条件与系统的有序结构无明显的联系。一方面,控制条件一般是连续的改变,而系统的状态却是突然变化的。在控制参数一定的范围内,系统状态没有任何变化,而当参数逐渐变化并到某一临界值时,系统状态会发生突然的变化;另一方面,控制条件是对称的,而系统在控制之下所呈现的状态却是不均匀的,例如在B—Z反应中,加到反应器中的反应物(可以认为是控制反应的控制因素)是均匀的,用棒不断搅拌液体使之均匀反应,却只见到液体颜色随时间周期性的变化。再如Benard流中,对液体加热在水平方向上是均匀的,而液体呈现的花样在水平方向却为周期性的变化,呈现花样与控制条件在对称性上的不一致。对此我们不能象通常运用控制论来讨论状态的有序分布是如何由控制条件产生的,而只能从自组织的角度来分析有序结构与外界控制的关系。
的过程中,采用了很多独特的行之有效的方法,使得我们可以得到不少有益的结果。首先自组织理论提出役使原则(slavingprinciple),认为在描述系统状态的从多变量中,必然存在随时间变化较慢的慢变量。当系统发生相变时,慢变量起主导作用,它决定系统相变的速度、相变的形式,而快变量对系统相变不起作用,它们完全由慢变量来决定。役使原则使我们有可能在讨论系统由无序状态向有序状态转变过程时,只分析少数慢变量,这样使分析工作大为简化。其次,在分析少数慢变量演化的微分方程时,又可以利用方程的定性理论,讨论方程定态解的个数、各定态解稳定性条件,使我们从宏观上掌握系统演化的特点及发生相变的条件。第三,自组织理论对系统演化所呈现的复杂运动状态,特别是混沌状态,采用计算其分维数的办法,找到不同的混沌状态之间的差别,使得人们可以对粗看起来完全一样的不同混沌状态,找到一个定量分析方法。关于维数的计算不仅可以用于讨论已经知道演化规律的混沌系统,而且可以讨论仅仅知道呈现混沌现象的时间序列,利用序列重新构建其服从的演化规律,从而建立准确的模型。第四,自组织理论能全面、完整地研究相变,对于不同宏观稳定状态之间的联系与差别是用统一的观点进行分析的。例如对于方程的不动点、周期解、混沌解等进行统一分析,讨论各种状态(解)出现的条件及控制办法,这样可以更全面地从整体角度来讨论系统的相变。1.2 自组织临界态理论的基本原理
当灾难性事件发生后,人们往往归因于外因的冲击、罕见的环境和某些强有力的机制的综合作用。但自组织临界态理论提出了一种新的观点认为,大的相互作用系统会自然而然地朝着一种自组织临界态演进,其结果,小事件冲击会引起连锁反应而可能导致一场大灾难。重要的是系统是耗散的,而且它们在空间上能扩展到无限的自由度,其能量直接或间接通过边界进入这巨大的体积并以均匀方式供给系统。例如承受构造板块运动压力的地壳可以视为这种系统。这种系统在临界状态,没有特征时间、空间或能量的标度。因此,所有的时空关联函数都是幂次的。孕震系统中,幂律大小分布与活动地震区域的几何自相似性密切相关,并假定系统是巨大的,驱动力即构造
第3期 申 维等:自组织理论和耗散结构理论及其地学应用3
自组织临界态理论属整体理论,即它所描述的总体特征(例如大、小事件的相对数量)不取决于微观机制。因此不能通过分析系统中的各个部分去了解系统的总体特征。根据这一理论可以认为,许多复合系统自然地朝着一种临界态演进,在这种临界态下,小事件引起的连锁反应能对系统中的任一组元产生影响,从而使系统不能达到平衡态,而是从一个亚稳态向下一个亚稳态进化。
近来,人们利用自组织临界态理论研究了大量地震、经济市场和生态系统的动态特征,并用计算机模拟这种系统的演化过程,成功地解释了许多自然现象。像地壳、股票市场和生态系统这样大而复杂的系统,不仅在强力的打击下可能瓦解,而且在掉下一根针时,可能也会有瓦解性。大的相互作用系统朝着一种临界状态不断地自组织,在这种临界状态下,小事件引起的连锁反应可能导致一场大灾难。人们可能会想到更多异乎寻常的自组织临界状态的例子。在历史长河中,战争与和平的相互影响可能已经使世界处于一种冲突与社会动荡,将象山崩一样迅速波及各地的临界状态。自组织的临界状态甚至可能解释大脑中的神经网络如何传递信息。一些小事件(例如阅读某篇文章)可能触发脑猝病,这是不足奇怪的。
负幂律分布是自组织临界态理论的证据。自组织临界态理论给出一个相当一般性的解释:1/f噪声是具有各种尺度和各种持续时间的信号的叠加,即当一个处于临界态的系统在产生所有各种尺度和所有各种持续时间的连锁反应时所出现的信号。
地震作为构造板块的一种运动形式,是一种非常丰富和复杂的自然现象。地震孕育过程中,中小事件引起的连锁反应很可能导致大系统的失稳而产生大地震。为了探索系统的临界行为,某些学者应用测震学数据,通过求数学期望比的办法,导出了一个新的时间序列Ui(i=0,1,2,……),然后对其进行功率谱分析,从而得到幂律关系f-β,由此导出Hursf指数。他们通过对唐山、海城、澜沧等七个大地震的研究得到初步结果:大震前β值有明显增高的趋势。主震前一年以及当年,β值几乎均落在0.8
1.3 地球化学景观的自相似
自然界不仅仅只有几何实体具有自相似特征,某些随机过程和随机场也往往具有自相似性,例如各种观测值的时空分布等。如果某些随机过程可以用不同尺度等概率去描述,那么由该过程产生的物体或现象往往具有自相似性。地球化学景观的形成经历了复杂地质历史的演化,元素曾发生过不同尺度的迁移和富集,如果把地球化学景观的整个地质地球化学作用过程视为随机过程,刻划这过程的不同尺度的地质地球化学作用是等概率发生的,那么地球化学景观可能具有自相似特征。事实上,地球化学自相似的现象普遍存在.如在元素组合分带研究中,存在矿田—矿床—矿体元素组合分带的层次结构,而不同层次的元素组合分带往往具有自相似性。大量实践数据证实,不同尺度的地质地球化学作用过程产生了与其尺度相一致的地球化学景观。在地球化学勘查中,观测尺度为10-2m～106m之间。研究某一具体地球化学景观需用某种分形几何方法确定分维数,分维数具体刻划了所研究地球化学景观的分形特征及其复杂程度。在任何尺度地球化学勘查中都发生不同尺度的地球化学富集。如在区域地球化学勘查中,可以发现三个层次的地球化学景观结构:地球化学背景,地球化学省和地球化学异常.如果增大勘查的比例尺,前一较小的比例尺阶段的地球化学异常或地球化学省就可能成为较大比例尺阶段的地球化学背景,依次类推,便构成了各种观测尺度下的地球化学背景的层次。矿带引起的地球化学异常寓于地球化学省中,矿化集中区引起的地球化学异常寓于矿带引起的地球化学异常中;矿田引起的地球化学异常寓于矿化集中区引起的地球化学异常中;矿床引起的地球化学异常寓于矿田引起的地球化学异常中,同时又可分解矿体地球化学异常,这便是地球化学系统预测的基本原理。
2 耗散结构
4地质地球化学 2001年
七十年代创立了耗散结构(DisssipativeStructure)理论,用以研究系统在远离平衡的条件下,由于其内部的非线性相互作用,而发生从无序热力学分支向耗散结构分支转化,并形成一种稳定的有序结构的现象。该理论强调当一个体系接近平衡时原有的结构就会趋于消亡,只有当体系远离平衡时才能产生新的有序结构。一个远离平衡的开放物理化学体系(力学的、物理的、化学的、生物的等)具有发生自组织过程的能力。这样的一种体系通过不断地与外界交换物质和能量,就有可能从原有的混乱无序状态转变成为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。耗散结构定义为:在远离平衡的条件下,借助于外界的能流和物质流而维持的一种空间或时间的有序结构。这种结构是由于进行不可逆过程时体系发生能量耗散所致;地质地球化学过程,如构造活动、岩浆侵入、成矿作用或矿化富集等,均为不可逆过程,耗散结构可给予这些过程新的分析理论和研究方法。
在自然界、科学实验与社会经济现象中,从大量客观事实看,可以区分出二类稳定化的宏观有序体系结构,即平衡状态下稳定化的有序结构
平衡结构和耗散状态下稳定化的有序结构
耗散结构。
平衡结构的平衡是从热力学角度讲的,如在与外界没有物质交换的条件下,宏观体系的各部分在长时间内不发生任何变化,例如晶体和液体这样一种稳定化的有序结构,是较典型的平衡态下的稳定化结构。耗散结构是指当系统处于非平衡状态时,通过与外界进行能量和物质交换而形成且维持的一种稳定化的宏观体系结构,即在非平衡态下宏观体系的自组织现象,例如地质现象中伟晶岩的分带;矿床、元素分带;化学反应(化学振荡)中的有序结构;生物呈现的有序性以及社会现象中有序性等,都可视为非平衡状态下耗散结构的例子.总之,平衡结构是“死”的、静态的有序结构,而耗散结构是“活”的、动态的有序结构2.1 耗散结构理论的热力学基础
①耗散结构理论是在经典热力学基础上发展起来的。按照经典热力学的观点,物质体系的演化总是趋于平衡,物质结构为平衡结构。波尔兹曼(Boltzmann)的热力学第二定律指出,对于孤立体系,体系的演化趋向于使体系的熵极大,即体,[3]
熵增加原理是在有限的空间和时间条件下得到的。对于封闭体系,引进了吉氏自由能G: G=H-TS
由于封闭体系(有能量交换但没有物质交换)必须把环境的熵变考虑进去,因此体系的演化由原生的孤立体系熵增加原理,变成为这时的自由能下降原理。低温时,方程右边第二项可忽略。自由能的下降主要有赖于能量下降。达到平衡时,自由能减至最小,此后不再减小,这时,通常熵也较小。随着温度的不断提高,体系转化为熵越来越高的结构,这就是波尔兹曼平衡结构的原理,也称为“平衡热力学”。
②非平衡热力学的研究成果指出,平衡态是无序的,而非平衡才可能是有序的,现在我们来考察与①不同的另一类现象,首先是热扩散现象。两种气体的混合物置于冷热两壁之间,在热梯度作用下,一种气体分子在热壁上聚集。达到定态时,由于温度梯度的存在,体系显然是非平衡的,但熵通常小于体系均匀时的熵,体系成为有序。其次考虑贝纳特(Benard)现象:在一装满水的器皿底部加热,产生一种热梯度。开始时器皿底部的热量通过热传导的方式向上传递,但当继续在器皿底部加热,使器皿内的温度超过某一临界值时,产生了对流元细胞,形成一种有序结构。这两种现象表明,体系的非平衡也可导致有序结构。
从熵的角度进一步考虑上述现象:对于封闭体系,体系的熵变化包括两部分,一部分为体系内部的熵产生dis,另部分则是通过体系边界由外部流入的熵流des,于是有ds=dis+des.根据热力学第二定律dis>0,在演化过程中欲使总熵减小而达到有序结构,只能使熵向外流。再来考虑贝纳特现象:当温度梯度增大导致对流原胞产生后,能量迅速向外耗散,体系的熵下降,形成有序结构,即体系在非平衡状态(往往是远离平衡态)下形成的时间和空间上的有序结构。
L.Prigogine指出,当开放系统与环境之间发生持续的能量和质量交换时,系统将有可能从近平衡态被推移远离平衡态,并且由于不可逆过程所导致的系统能量的耗散,可以使之发生“自组织”,并产生时间和空间上有序的“耗散结构”。例如断裂,不论是张性断裂还是压性断裂,由于与外界都有压差、温差及所含溶液的浓度差等,因此均属于一种非平衡态的开放系统,这种系统趋于减,、。
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散和溶液弥散等地球化学作用形成耗散结构。
③耗散结构是一种非平衡结构,不能用经典热力学加以研究。作为经典热力学最基本公式的Gibbs公式是建立在平衡演化的基础上的。虽然对于非平衡演变的熵改变量,只有终态和始态是平衡态,Gibbs公式仍能适用,但不能用观察到量来表示熵,这种不确定性使得热力学第二定律限于研究平衡,即热力学演化的终态。然而,在许多自然过程中,由于许多边界条件的限制,体系根本不可能达到平衡态。例如,用一根铁杆,一端连接恒定的高温热源,另一端连接恒定的低温热源。当经过一段时间的热传导后,铁杆内各点的温度不再随时间而变,但由于铁杆两端高、低温热源是恒定的,此时铁杆内各点的温度互不相同,温度梯度依然存在,仍有热量从热源持续传向冷源,体系显然未达到平衡。这种体系参量不随时间t变化,但随空间坐标x变化的情形称为热力学定态,表达为=0,≠0,其中f为所考虑的状
t x
态参量,而平衡时则是=0。
t x
达到定态以前的演化态或瞬间态为:
≠≠0,0。 t= x
这种由于边界条件使系统演化不能达到平衡态而只能达到热力学定态的现象是很普遍的。地质上岩浆热对围岩的热度可以看成是这样的例
子。对于这种非平衡体系中形成的耗散结构,经典热力学显得无能为力,而必须建立在非平衡热力学的基础上.
2.2 耗散结构的两个假设
耗散结构的基础
导慢得多,反应速率比物质扩散速率小得多,就可以认为矿液处于局域平衡,或者从另一角度说,在岩浆和围岩接触带附近,由于温度梯度很大,体系可能远离平衡态,而产生耗散结构,而在离接触带
较远处,可能处于近平衡态,即局域平衡。
②部分平衡假设:当体系进行非平衡化学反应时,可能并不影响体系的温度t、压力p或其它状态参量。部分平衡假设就是假定体系的一部分状态参量处于非平衡时,有可能其余状态参量处于平衡,对这些变量可应用经典热力学公式。由于有了这两个假设,我们就有可能采用经典热力学的理论和方法来进行研究,但不同的是从体系研究变为微区研究。2.3 耗散结构的分支解
在自然界,某些比较单一的过程,如简单的扩散作用、两物体之间的机械运动等,可认为它们是线性的,而对于运动着的三个以上的物体之间,则情况要复杂得多,常出现多解性和随机性,也即是非线性的。对于一个非线性的动力学系统,可用非线性偏微分方程反应—扩散方程来描述,这种情况用数学分支理论表述比较清楚。当约束条件未达到参数λ0时,作用的结果只要一个解;当达到λ0以后,则出现多个分支解。这里与λ0相对应的点称为分支点,λ0相当约束条件的阈值,也就是说,在分支点前为线性的近平衡区,而分支点以后,则为非线性的远离平衡区,因而出现了多解性与随机性。正因为如此,才使体系产生许多可能状态,它们之间的转换状态与外界约束相呼应。也只有这样,才有可能通过巨涨落产生新的相变,形成新的稳定影响结构,即耗散结构。总之,耗散结构是非平衡态过程形成的有序结构,必须存在非线性效应,耗散结构与能量的耗散相关联,靠能量的耗散来维持,它只会在距热力学平衡态有一定距离的地方出现,是一种活的有序结构,它不断地向前发展,随历史的进程条件不断改变,新的结构层出不穷,且愈来愈复杂,有序化程度也愈来愈高级。因此可以认为,它是事物发展各个阶段发生突变的真实记录。2.4 耗散结构理论在地质地球化学中的应用
在自然界,包括地质地球化学过程在内,平衡是相对的,不平衡才是绝对的。热力学第二定律,平衡态热力学和远离平衡态热力学。近平衡态有两个重要的假设,即局域平衡和部分平衡假设。
①局域平衡假设:当体系处于近平衡时(体系总的来说是不平衡的),体系参量的空间变化不甚剧烈,若考虑到体系中的任一微区,当微区的体积足够小时,热力学状态参量在微区内的变化就小到可以忽略了。这时微区可看作热力学平衡,称局域平衡,从而保证经典热力学方法可用于微区。然而对体系中任何两个不同的微区,其平衡的数据可能是不相同的,矿液在沿着围岩裂隙运移并与围岩进行化学作用的过程中,矿液内各点,
6地质地球化学 2001年
过程,因而演化过程中所经历的状态全为非平衡态,非平衡演变过程中能形成非平衡结构。再者,当受一定边界条件约束时,体系最终也达不到平衡,这种现象在化学、物理学、生物学乃至社会科学中都证明是普遍存在的。地质地球化学过程本质上也是一种物理—化学过程,因此,近年来非平衡热力学和耗散结构理论已引起许多地质学家的重视,并开始应用于地质地球化学研究。
於崇文[4～6]教授将耗散结构理论应用于地球化学研究,形成了一种全新的理论和方法论,取得了令人瞩目的成果。他认为,地球化学理论体系由四部分构成,而每一部分均可用非平衡热力学和耗散结构理论加以动力学研究。
2.4.1 地球化学系统的物质 系统中的物质具有质和量的统一及物质与运动不可分离的基本属性。质量上表现为化学元素的共生组合和赋存状态,数量上表现为化学元素的分散和集中(元素丰度与富集规律)。地球物质参与各种地球化学作用,始终在运动之中,将化学元素的共生组合、赋存状态和分散状态分别看作是特定条件下开放地球化学系统所处的非平衡定态的质和量,而将集中状态和共生组合、赋存状态的相应变化视为系统的局域扰动触发定态失稳的结果。因而可以应用开放系统非平衡定态稳定性对于扰动的动力学响应的理论,对系统物质的质量和数量作动力学分析。
2.4.2 地球化学作用 当代成矿作用的地球化学研究正围绕着矿质和矿液的来源、矿液运动的动力、成矿物质的迁移形式及析出条件与方式等四个基本问题深入展开。於崇文教授认为从矿床成因的理论研究或是从成矿预测的生产实践出发,成矿作用的核心是“矿化如何向成矿转化”,即“成矿作用的发生”。成矿作用的发生和演化是一个动力学过程,为了阐明其机制就必须进行动力学分析。这在本质上是无矿的非平衡定态失稳并转变耗散结构(成矿状态)的条件与机制问题。2.4.3 地球化学过程 各种地质地球化学过程均属马尔科夫过程,这已为国内外的研究结果所证实。因此,可用马尔科夫过程的理论来研究
成矿作用的时间演化,揭示它的时间结构。分析元素的地球化学旋回有一定的时间结构和韵律,因而可以应用耗散结构理论对地球化学旋回进行动力学分析,即把分析元素的地球化学旋回视为
周期性的分析振荡,即化学波。
2.4.4 地球化学场 地球化学场具有随机性和结构性的双重属性,应用随机场的理论和方法研究成矿作用的空间展布,展示成矿作用的空间结构。将地球化学场视为一种局域化的耗散结构,这对于成矿地球化学分区的形成和发展有重要意义。
於崇文教授把耗散结构理论和上面四方面的认识应用于南岭地区区域地球化学研究(包括广东六个地区成矿地球化学作用及其时空结构的研究),研究结果表明:(1)南岭地区前燕山期和燕山期花岗岩浆处于远离平衡态,其结晶过程具有周期性化学振荡的动力学机制,属于典型的时间耗散结构;(2)粤北地区上部地壳的地球化学演化中石炭纪地球化学旋回出现三重非平衡定态,反演和揭示了泥盆—石炭纪地层金属含矿性的动力学原因,指出耗散结构的多重性和多阶段性决定了地球化学作用的演化,把历史引进了地球化学;(3)根据耗散结构理论,提出了确定南岭地区成矿元素异常下限的原则与方法,指出地球化学异常下限就是区域内各种成矿元素的浓度值由平变陡的转折点,反应在元素含量的等值线图上,则为等值线由稀疏到密度的骤变处;不同元素的异常下限等值线相互叠合而呈现的自然边界,就是划分成矿远景区的界限;(4)应用涨落的局域理论对涨落进行局域分析后,指出成矿远景区是囿于有界介质内的“局域化耗散笔者结构”,即成矿远景区的边界正好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临界点。因此,局域上临界点的出现,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的规模和大小。根据上述理论基础,在粤北韶关地区圈定了21个金属成矿远景区,客观地反应了该区矿床(点)的分布规律。
参考文献
[1]
第3期 申 维等:自组织理论和耗散结构理论及其地学应用[2]仪重祥.非线性科学及其在地学中的应用[M].北京:气象出版社,1995.273.
[3]苏国森.耗散结构理论在地质地球化学中的应用[J].国外地质勘探技术,1992,(3):33～38.[4]於崇文.成矿作用与耗散结构[J].地质学报,1987,(4):336～349.
[5]於崇文.大型矿床和成矿区(带)在混沌边缘[J].地学前缘,1999,6(1,2):85～102,195～230.[6]於崇文.固体地球系统的复杂性与自组织临界性[J].地学前缘,1998,5(3,4):159～182,347～368.
7
THETHEORYOFSELF-ORGANIZATIONAND
DISSIPATIVESTRUCTURESANDITS
APPLICATIONINGEOLOGY
ShenWei1,2
(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083; 2.OpenLaboratoryofOre
DepositGeochemistry,InstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Guiyang550002)
Abstract
Thispaperintroducestheconceptionsofself-organization,self-organizedstateanddissipativestruc-turesandtheirapplicationingeology,especiallyingeochemistryinrecentyears.
Keywords:nonlinearity;self-organizedstate;self-similarity;geochemistry