1、成矿动力学理论基础Theory Background for the Metallogenic Geodynamics第一讲提 纲一、基本概念及研究意义、基本概念及研究意义1.什么是动力学什么是动力学2.成矿系统的自组织演化成矿系统的自组织演化3.为什么要研究成矿动力学为什么要研究成矿动力学二、多孔介质中传递过程的耦合动力学二、多孔介质中传递过程的耦合动力学1.多孔价质的基本特性多孔价质的基本特性2.多孔介质的本构方关系唯象律多孔介质的本构方关系唯象律3.不可逆过程耦合不可逆过程耦合4.多孔介质的骨架变形多孔介质的骨架变形5.多孔介质的固多孔介质的固-流反应流反应6.全反馈全反馈-耦合动力学耦
2、合动力学一、基本概念及研究意义一、基本概念及研究意义1. 什么是动力学2. 成矿系统的自组织演化3. 为什么要研究成矿动力学1. 动力学、地质动力学和成矿动力学动力学、地质动力学和成矿动力学 “动力学动力学”一词的原义泛指英文中的一词的原义泛指英文中的“kinetics”(化学动化学动力学力学)和和 “dynamics”（动力学）。（动力学）。 kinetics(或或chemical Kinetics)研究化学反应的速率和历研究化学反应的速率和历程（或机制）。所谓程（或机制）。所谓“反应历程反应历程”（或（或“反应机制反应机制”）就是指反应物分子在变为产物分子的过程中所经历的就是指反应物分子在
3、变为产物分子的过程中所经历的具体途径和步骤。具体途径和步骤。 “dynamics”则是研究物体在力的作用下宏观运动的速则是研究物体在力的作用下宏观运动的速率或机制。率或机制。Study of the motion of bodies under the influence of force. 动力学的较完整的涵义是某种作用（或物质运动）的动力学的较完整的涵义是某种作用（或物质运动）的速率（速率（rate）、机制）、机制(mechanism)和过程（和过程（process）。）。动力学动力学地质动力学地质动力学 (geodynamics)lGeodynamics,国内称为地球动力学国内称为地球动
4、力学, 主要研究地球及其各圈层主要研究地球及其各圈层的运动及其原因。这实际上是不确切的。的运动及其原因。这实际上是不确切的。l澳大利亚地质动力学合作研究中心澳大利亚地质动力学合作研究中心(Australia Geodynamics Cooperative Research Centre)给出的定义为，给出的定义为，Study of the changes that occur to and within bodies of rock under the influence of geological processes. These geological processes include t
5、ectonic and gravitational stress (which cause displacements and deformations), thermal 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
6、 alternation, mineral solution and mineral deposition). There are strong feedback interaction (couplings) between these processes.成矿动力学成矿动力学（metallogenic dynamics ） 确切地说，成矿动力学应该叫着成矿作用动力学（dynamics of metallogenic process)，主要是研究成矿作用的速率、机制和过程，是矿床成因的核心问题； 传统的矿床学(ore deposit geology)主要总结和归纳已发现矿床的特征和规律和经验
7、事,以及对这种规律和事实的解释和进一步的推论, 成矿学(metallogeny)则是对更大范围的区域内的成矿特征和规律的总结和解释。二者都是立足于经验事实上，其最本质的特征都是“以成矿的结果为研究的主要对象，主要目以成矿的结果为研究的主要对象，主要目的是发现矿床形成的规律，研究思路则是从结果的是发现矿床形成的规律，研究思路则是从结果 (反推反推) 原原因因”，而且这种反推在有很大程度上带有猜想和假想的成分，是非常不严密的。成矿动力学则是“以成矿过程为研究的主要以成矿过程为研究的主要对象，主要目的是发现矿床形成的原因和机制，研究思路是对象，主要目的是发现矿床形成的原因和机制，研究思路是从原因到结
8、果从原因到结果”。 成矿动力学与矿床学及成矿学之间的本质区别决定了矿床学和成矿学研究常用的归纳法和类比法等是不适合于研究成矿动力学的。成矿作用动力学的理论体系据於崇文2. 成矿系统的自组织演化成矿系统的自组织演化 成矿作用是一种复杂的多过程动力系统, 成矿作用实际上是成矿物质的无序状态向有序状态演化过程，这种转化在很大程度是自组织的； 在成矿系统的自组织(self-organization)演化进程中，有两种机制起着非常重要的作用，这两种机制是：反馈和耦合。反馈和耦合 反馈（feed-back）：The return of a portion of the output of a proces
9、s or system to the input, especially when used to maintain performance or to control a system or process. 简单地说，反馈就是结果对原因的影响。 耦合(coupling)：the act of bring or coming together。简单地说,耦合就是两个过程间的相互影响。成矿作用的复杂过程成矿作用的复杂过程（据Hobbs et al )3.为什么要研究成矿动力学为什么要研究成矿动力学 地球科学发展之必然地球科学发展之必然 地球科学不能永远停留在经验事实积累的水平上，必向地球科学不
10、能永远停留在经验事实积累的水平上，必向具严密逻辑和精确数学表达的现代科学迈进具严密逻辑和精确数学表达的现代科学迈进,要实现这一点动要实现这一点动力学研究是其必然途径。力学研究是其必然途径。 动力学的核心：基本守恒定律和系统本构关系的唯象律动力学的核心：基本守恒定律和系统本构关系的唯象律 找矿勘查之必需找矿勘查之必需 现代找矿勘查的成功概率并不高，每现代找矿勘查的成功概率并不高，每10000个勘查项目只个勘查项目只有有12个最终演化成可赢利矿山，现代科学技术的发展也没有个最终演化成可赢利矿山，现代科学技术的发展也没有有效地提高找矿勘查的成功率，其主要原因是我们对导致矿有效地提高找矿勘查的成功率，
11、其主要原因是我们对导致矿体形成并定位于某一位置的动力过程缺乏详细的了解，而且体形成并定位于某一位置的动力过程缺乏详细的了解，而且现代地球科学和地球探测技术也没有为我们提供足够的了解现代地球科学和地球探测技术也没有为我们提供足够的了解成矿动力学过程的知识和技术，成矿动力学过程的知识和技术， 只有发展动力学研究，才有只有发展动力学研究，才有可能实现这一点。大气动力学对气象预报的贡献。可能实现这一点。大气动力学对气象预报的贡献。 When people fail to understand why their geological evidence is insufficient or why th
12、eir 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) has nothing to do with the location of mineral deposits. Mineral deposits are not distributed randomly, haphazar
13、dly 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 interactions between specific geodynamic processes that operated in that location at a particular time and in a specific
14、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 prediction.-G. P. PRICE, P. STOKER Mineralisation is commonly the result of full feedback coupling between the four pro
15、cesses of mechanical deformation, non-isothermal fluid flow, thermal transport and chemical reaction (which includes mineral dissolution, transport and precipitation), as shown in Fig. 1. The generation of a large orebody means that these feedback mechanisms must reinforce one another in such a way
16、that the rate of mineralisation, integrated over time, is optimised.-B. Hobbs二、多孔介质传递耦合动力学1. 多孔价质的基本特性2. 多孔介质的本构方关系唯象律3. 不可逆过程耦合4. 多孔介质的骨架变形5. 多孔介质的固-流反应6. 全反馈-耦合动力学1. 多孔介质的基本特性多孔介质的基本特性多孔介质多孔介质(porous media)：多孔介质是指内部含有众多孔：多孔介质是指内部含有众多孔隙的固体材料。多孔介质是由多相物质所占据的空间，也是隙的固体材料。多孔介质是由多相物质所占据的空间，也是多相物质所共存的一个组合
17、体；从任一相来说，其它相均弥多相物质所共存的一个组合体；从任一相来说，其它相均弥散在其中，故又称多孔材料为散在其中，故又称多孔材料为弥散材料弥散材料(dispersed material)。多孔介质中，固体相占据的部分叫多孔介质中，固体相占据的部分叫固体骨架固体骨架(solid matrix)，没有被固体颗粒占据的那部位空间称作，没有被固体颗粒占据的那部位空间称作空隙空隙(或孔隙或孔隙, pore space 或或void space)。孔隙之大小及其分布是多孔介质的重要特征，根据空隙孔隙之大小及其分布是多孔介质的重要特征，根据空隙之大小，可将其分为三类：当空隙空间甚小，之大小，可将其分为三类
18、：当空隙空间甚小， 以致使固体分以致使固体分子和流体分子间的分子作用力不可忽略时，称之为分子间隙；子和流体分子间的分子作用力不可忽略时，称之为分子间隙；当空隙足够大以至使流体流动只取决于孔隙壁面时，则称之当空隙足够大以至使流体流动只取决于孔隙壁面时，则称之为洞隙；介乎二者之间空间黍之为孔隙。为洞隙；介乎二者之间空间黍之为孔隙。 描述多孔介质的几个参数描述多孔介质的几个参数 孔隙度（孔隙度（porosity）：表示多孔介质中孔隙：表示多孔介质中孔隙所占的份额的相对大小，通常用孔隙容积与所占的份额的相对大小，通常用孔隙容积与多孔介质总容积之比表示；多孔介质总容积之比表示； 渗透率渗透率(permi
19、bility)：表示在一定流动推力推：表示在一定流动推力推动力下，流体通过多孔介质的难易程度；动力下，流体通过多孔介质的难易程度； 饱和度（饱和度（saturation)：在多孔介质中某种特：在多孔介质中某种特定流体所占空隙容积之百分比；定流体所占空隙容积之百分比；岩石孔隙的几种主要类型岩石孔隙的几种主要类型热液成矿实际是发生在多孔介质中热液成矿实际是发生在多孔介质中, 成矿作用的过程成矿作用的过程,无论无论是成矿物质的迁移还是沉淀定位，都不是一个简单的流体是成矿物质的迁移还是沉淀定位，都不是一个简单的流体作用过程，必然要牵涉到固体骨架的作用过程以及固体骨作用过程，必然要牵涉到固体骨架的作用过
20、程以及固体骨架架-流体间的作用过程，是一个复杂的固流体间的作用过程，是一个复杂的固-流耦合流力学系统；流耦合流力学系统；发生于多孔介质中的热液成矿作用最重要的动力过程可分发生于多孔介质中的热液成矿作用最重要的动力过程可分为两大基本类别，一是物质能量的空间间转移，包括传质为两大基本类别，一是物质能量的空间间转移，包括传质和传热；二是物质和能量的型态转移，主要是化学反应，和传热；二是物质和能量的型态转移，主要是化学反应，其中不但包含有化学物种的变化，也伴随是能量形式的变其中不但包含有化学物种的变化，也伴随是能量形式的变化；化；在热液成矿演化过程中，多孔介质的各种参数是变化的。在热液成矿演化过程中，
21、多孔介质的各种参数是变化的。多孔介质对成矿研究的重要意义多孔介质对成矿研究的重要意义2. 多孔介质的本构方关系唯象律多孔介质的本构方关系唯象律 质量传递质量传递(mass transfer)和热量传递和热量传递(thermal transfer)过程是成矿作用中最重要的不可逆物理过程。过程是成矿作用中最重要的不可逆物理过程。 在建立多孔介质传递过程模型时，除了具有普遍意义的在建立多孔介质传递过程模型时，除了具有普遍意义的动量、能量和质量守恒定律外，还必须涉及到对传递现象这动量、能量和质量守恒定律外，还必须涉及到对传递现象这一不可逆运输过程规律的描术，而所谓不可逆运输过程规律，一不可逆运输过程规
22、律的描术，而所谓不可逆运输过程规律，就是反映运输过程的激发（或驱动）就是反映运输过程的激发（或驱动）力力X与运输反应（即运与运输反应（即运输通量）输通量）J之间的关系，这种关系反映了与物质内部结构相之间的关系，这种关系反映了与物质内部结构相关的物质固有实质性特点，故称之为关的物质固有实质性特点，故称之为本构关系本构关系(constitutive relation)，而将表示这种关系的数学公式称作本构方程，而将表示这种关系的数学公式称作本构方程(constitutive equation)。一般来说，本构方程是根据大量。一般来说，本构方程是根据大量实 际 经 验 或 实 验 来 确 定 的 ，
23、故 又 称 为实 际 经 验 或 实 验 来 确 定 的 ， 故 又 称 为 唯 象 方 程唯 象 方 程(phenomenological equations)，而所反映的本构关系又，而所反映的本构关系又称为唯象律。称为唯象律。建立本构方程的若干原理建立本构方程的若干原理 相容性原理: 任相本构方程都必须与质量、动量和能量平衡的一般原理相容； 座标不变性原理：本构方程必须表示在任何固定时刻，在所有惯性座标系中都成立的方程； 适当配置原理：当反本构方程和包含相同变量（质量、动量、能量等）的平衡方程配置成相容的方程组时，对应于物理上有意义的初始和边界条件这个方程组应该能给出唯一的和稳定的解； 量
24、纲不变性原理：任何本构方程在量纲上应当是同一的； 物质客观性原理：材料的内在反应与观察者无关； 物质不变性原理(物质同构性原理)：关于某种性质各向同性的材料,关于其它性质不必是各向同性的。 共存性原理：出现在一个本构方程的自变数也必须出现在其它的本构方程中。最简单的本构方程是将通量（以称为广义最简单的本构方程是将通量（以称为广义“流流”）J与驱与驱动力（又称广义动力（又称广义“力力”）X表示成线性关系：表示成线性关系：J=LX式中，式中，L是与是与J、X无关的系数。应当指出，这种简单的无关的系数。应当指出，这种简单的线性关系只对低强度输运过程（即驱动力较小，也就是离平线性关系只对低强度输运过程
25、（即驱动力较小，也就是离平衡态不远时）成立，在目前人们所计论的范围内，大多数的衡态不远时）成立，在目前人们所计论的范围内，大多数的输运过程是基本满足这一要求的，对于高强度或远离平衡态输运过程是基本满足这一要求的，对于高强度或远离平衡态的运输过程，上式仅为一级近似。这时往往采取将通量的运输过程，上式仅为一级近似。这时往往采取将通量J与驱与驱动力动力X之间的非线性关系转化到系数之间的非线性关系转化到系数L中去处理，即任将中去处理，即任将J与与X的关系表示成上式的形式，但的关系表示成上式的形式，但L不再是常数而是一个变量。这不再是常数而是一个变量。这种方法也并非对千变万化的现象都适用。种方法也并非对
26、千变万化的现象都适用。本构方程的表达本构方程的表达几个主要的本构唯象方程几个主要的本构唯象方程 传热： Fourier定律 扩散：Fick定律 流体流动：Darcy定律 Fourier定律定律xTTgradTqJgrad k 通过物体的热流密度通过物体的热流密度(通量通量) q 与体内温度梯度与体内温度梯度(驱动力驱动力) T/ x 之间的关系可表示为：之间的关系可表示为：式中k为导热系数， 热流通量Jq=q，驱动力为则有：xTqkFick定律定律CDJmgradxCCgrad 质量扩散传递通量Jm与浓度梯度 C/ x 之间的关系为:驱动力为浓度梯度表示为xCmDJ则Darcy定律定律grad
27、KJfgKKpxgradZgp 通过多孔介质单位截面上的不可压缩流的容积流量(即比流量) Jf 与流体流动方向上的水力梯度之间的关系：其中 为水力传导系数, 为水力梯度 Kp为多孔介质的渗透率, 和 分别为流体的密度和动力粘度，g为重力加速度， 为流动势，可表示为：式中 p 为流体压力，Z 为流体所处的高度3. 不可逆实传递过程耦合不可逆实传递过程耦合大量的经验和事实证明，无论是多孔介质或者其它一般大量的经验和事实证明，无论是多孔介质或者其它一般介质中，各种不可逆传递过程之间存在相互干拢和影响。在介质中，各种不可逆传递过程之间存在相互干拢和影响。在不可逆热力学中，称这种广义不可逆热力学中，称这
28、种广义“力力”与广义与广义“流流”之间相互之间相互作用为耦合效应。很显然，这种耦合效应是由于系统中各运作用为耦合效应。很显然，这种耦合效应是由于系统中各运动形态的相互影响造成的。在多孔介质多相系统中，流体的动形态的相互影响造成的。在多孔介质多相系统中，流体的热物性参数诸于密度热物性参数诸于密度 、粘度、粘度 、表面张力、表面张力 及多孔介质渗透及多孔介质渗透率率Kp等随温度等随温度T变化，是形在传热、传质耦合的直接原因，变化，是形在传热、传质耦合的直接原因，因为上述物性及结构参数的变化，对传热、传质及流动力过因为上述物性及结构参数的变化，对传热、传质及流动力过程均产生影响，从而形成了各过程珠相
29、互干扰和作用。程均产生影响，从而形成了各过程珠相互干扰和作用。 若系统离平衡态不远时，不可逆传递过程的“流”Ji与各驱动“力力” Xi，j（包括与其耦合的“力”）之间呈线性关系，即 式中，Li,j为唯象系数。上式表示一种“流”可能是几种“力”推动的结果，反之一种“力”也可以推动几种“流”。在多孔介质传递过程涉及到的“流”有：热量流(热流密度)Jq、质量流(质量通量)Jm、动量流(粘滞切应力)Jv、化学反应流Jc等。与它们对应的“力”有：温度梯度Xq、质量浓度梯度Xm、速度梯度Xv、化学反应驱动力Xc等。究竞哪些“力”可以推动哪些“流”，Curie定理以精典的分析给出如下结论：由张量分析知。上述
30、各种“流”和“力”是具有不同阶的张量，Jq、 Xq、Jm、Xm均为一阶张量（即矢量）；Jv、Xv为二阶张量；Jc、Xc均为零阶张量（即标量），在各相同性系统中，张量级数相差为奇数的“流”和“力”不能耦合，而相差为耦数或同阶的“流”和“力”则可以耦合。由此可知，Jq与 Xq、Xm； Jm与Xm、Xq之间可以耦合。jinijiiXLJ,1,若在某 一介质中，取一无化学反应的动量、能量、和质量传递过程为例，则其耦合的本构方程为：上述方程只表示简单的线性耦合关系，实际的地质过程则多是复杂的非线性耦合。mmmqmqmmqmqqqqXLXLJXLXLJ多孔介质的传质、传热最早是水文地质研究所涉及的，然后逐
31、渐推广以油田及其它领域，应用以成矿则是近年来的事，与水文地质不同，在慢长的成矿过程中，多孔介质的骨架是变形的，而且大多数情况下是大变形的，而且这种变形对导致成矿的其它动力学过程是着强烈影响的，主要表现在：（1）影响孔隙度和渗透率，特别是发生破裂时；（2）影响孔隙流体压力，是流体超压的主要因素之一；（3）影响热传输和流体体传输；（4）影响化学反应，机械活化；正是由于上述原因，构造成了成矿的主要控制因素，在研究成矿动力学时，我们应该对骨架变形予以足够的重视。4. 多孔介质的骨架变形多孔介质的骨架变形对于大多的地质环境，多孔介质（岩石、岩土）的骨架变形可以用Mohr-Coulomb材料来描述，判别变形的标准主要两个标准：屈服函数( yield function)塑性位函数(plastic potential function)ysincosfcpsin(cos)fc5. 多孔介质的固多孔介质的固-流反应流反应
