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1、成矿动力系统在混沌边缘分形生长 一种新的成矿理论与方法论（上）於崇文（中国地质大学 地球科学与资源学院，北京!#$）摘要：“成矿动力系统在混沌边缘分形生长”理论是笔者将复杂性理论及非线性科学与矿床地质学相结合，对中国扬子古陆周缘六个矿集区的基本范式进行长期系统研究所取得的总结性成果。研究指出，成矿系统总体上是开放、远离平衡、时 空延展的动力学系统。它们具有复杂性和自组织临界性的内禀基本属性，并且在混沌边缘分形生长。该理论以“地质作用与时%空结构是一切地质现象的本质与核心”的自然哲学理念作为根本立足点，建立起一种具有普适性的理论框架。然后进一步将其具体化为三大组成部分，即（!）矿床的动力学属性，
2、（&）矿床地质学场，（$）成矿系统的演化。体现了成矿作用（其核心为成矿作用动力学）、空间结构（矿床地质学场）和时间结构（成矿系统的演化）三位一体的整体耦合与交织，从而又使该理论具有包容性。在此基础上进而归纳出“成矿动力系统在混沌边缘分形生长”的 项判定准则以及表征这些准则的!项相应的动力学行为特征。最后笔者提出“矿质局部活化导致成矿的发生”的命题，拟定了“成矿的发生”的重要科学问题，以“元胞非线性网络”（()）作为复杂性的范式，定量揭示成矿的发生，并对矿床在混沌边缘作精确定位，对“成矿动力系统在混沌边缘”理论作进一步的延伸、深化与发展。该理论在矿床成因和成矿规律研究方面将常规矿床学提高到非线性
3、和复杂性科学的层次。关键词：成矿动力系统；混沌边缘；分形生长；自孤子；幂律；自组织临界性；成矿的发生中图分类号：*+!；,-!文献标识码：.文章编号：!&$&!（&!）$/&收稿日期：&!+!；修订日期：&!0+基金项目：国家自然科学基金“九五”重点资助项目（-/+$!&）作者简介：於崇文（!/&-），男，教授，中国科学院院士，博士生导师，现任中国矿物岩石地球化学学会顾问，长期从事理论地球化学、区域地球化学、矿床地球化学、地球化学动力学、地质数学和复杂性科学的教学与研究工作。!导言本成果是笔者将复杂性理论及非线性科学与矿床地质学相结合，对我国扬子古陆周缘+个矿集区的基本范式进行长期系统研究所取
4、得的总结性成果（图!）。研究指出，成矿系统总体上是开放、远离平衡、时 空延展的动力学系统。它们具有复杂性和自组织临界性的内禀基本属性，并且在混沌边缘分形生长。!自然科学研究的四个层次笔者认为自然科学的研究程度由浅入深可以分为以下四个层次：（!）将观察所得的经验事实进行总结；（&）将基本现象进行归纳和演绎，并形成唯象理论（1234563457589）；（$）上升到具有普适性（:4;?7;9）和包容性（A561=3234;）的基础理论和方法论；（-）抽象为数学的形式体系（B5=6?7;6）和哲学思维。本项研究成果旨在将其列入第$层次，即具有普适性和包容性的基础理论和方法论，以下对此进行论述。!#地
5、质作用与时空结构是地质现象的本质与核心笔者将数学、化学、物理学和复杂性科学与地质科学相结合，半个多世纪以来长期探索地质现象的本质和地球科学的基本问题，得出结论：地质作用与时空结构是地质现象的本质与核心，地球科学的基本问题是地球系统的复杂性。并提出由浅入深、由表及里、由静态到动态的、关于地质作用与时空结构的三个层次的表述形式及其相应的理论与方法。第#卷第$期&!年/月地学前缘（中国地质大学，北京）C?=2 DA;34A3 E=54;3=（(2;4?F4;9 5B G35A;34A3，H3;I;48）J57K#)5K$!D31K&!图!中国大地构造略图（据程裕淇主编，!#!）$%&!()*+,-.
6、/0 12 3*&%14/5&*151&6 12 7-%4/!矿集区，自北东向西南，依次为：安徽铜陵夕卡岩型铜硫矿集区；江西德兴斑岩 火山、次火山热液型铜金多金属矿集区；湖南郴州柿竹园夕卡岩 云英岩复合型钨 多金属矿集区；广东曲江 仁化热液型铜铅锌多金属矿集区；四川攀枝花岩浆型钒、钛磁铁矿矿集区；云南个旧夕卡岩 热液型锡 多金属矿集区地质作用是地球物质的运动，它既不能脱离时间，又不能超越空间。地质作用的时间演化具有一定的规律性，即“时间结构”；地质作用的空间展布也有一定的规律性，即“空间结构”。地质作用和时8空结构三位一体，相互耦合，不可分割，而地质作用（即地球物质的运动）则是第一性的。地质作
7、用与四维时、空的紧密交织构成了地质作用与时空结构，反映了地质事件的发生与运行机制及其时 空定位。地质作用与时 空结构是一切地质现象的本质与核心9。!#地球科学的复杂性理论笔者对复杂性科学中的自组织临界性、瞬态混沌、混沌边缘和弱混沌四大理论和研究领域作系统和深入剖析后得出结论，认为以上四者是对自然界中开放、远离平衡、相互作用的巨大耗散动力学系统的时空演化这个统一事物的本质的面面观。将四者的相互关系与地质系统相结合，得出如下结论：地质系统是自然界中的一种异常复杂的开放、远离平衡、相互作用的巨大耗散动力学系统。它具有自组织临界性的内禀基本属性。它的时 空行为服从地质作用的自组织临界过程动力学。地质系
8、统位于有序和混沌之间的过渡时 空域，即混沌边缘，其中系统呈规则与混沌运动并存和混合的弱混沌动力学状态，并且地质系统在混沌边缘分形生长。将上述命题演绎和整合成一种广泛适用于地质系统的地球科学的复杂性理论，并名之为：“地质作用的自组织临界过程动力学 地质系统在混沌边缘分形生长。”:，#!$新成矿理论的理论框架、判定准则和动力学行为特征!;#;!理论框架!地学前缘（?/3+-(,%*4,*$314+%*3）9=!，A（:）由于地质作用与时 空结构是一切地质现象的本质与核心，因而可以而且应该将它作为理论框架的基础。具体而言，这一理论框架由三大部分组成，即矿床的动力学属性，矿床地质学场和成矿系统的演化，
9、体现了成矿作用（其核心为成矿作用动力学），空间结构（矿床地质学场）和时间结构（成矿系统的演化）三位一体的整体耦合与交织。（!）矿床的动力学属性。矿床的形成、即成矿作用，归根结底是成矿物质的运动。它是成矿系统的物质基础，是第一性的。因而对于矿床这一客观实体必须首先着眼于其动力学属性的深层次，深刻认识其实质与核心。也就是说，对于矿产资源的研究，从一开始就要由表及里、从经验到理性，深入问题的本质。（）矿床地质学场!#。通常矿物中的原子间距远小于各种地质体的尺度，因此可以将地质分布介质（$%&$()*+(,-.(/0-%+1%+(*）看作连续介质（)&2-(20&0,1%+(01 或)&2-(2001
10、）。它既适用于可变形介质，又适用于液体和气体，因此是地质分布介质的独立模型。连续介质是相对于点质量（3&(2-1*,）物体的连续阻滞介质（.%,(,-(2$1%+(*）。连续介质模型不涉及物质分子结构的具体细节，但是要求质点之间的距离必须小于所研究现象的尺度。!建立连续介质模型之后就可以确立矿床地质学场，并且用各种理论研究其性质与行为。首先要通过某种统计学方法确立分布函数（+(,-.(/0-(&2 402)-(&2），揭示系统外在性质的时 空分布。建立连续介质模型之后，根据空间描述与物质描述之间的变换关系（-.*2,4&.1*-(&2/%-5%2,3*-(*+%6,).(3-(&2*2+1*-
11、%.(*+%,).(3-(&2）可以（#）研究可变形介质的运动学（7(2%1*-(),&4+%4&.1*/%1%+(*），（$）通过物质导数（1*-%.(*&.,0/,-*2-(*+%.(8*-(8%）研究场量（质量、动量、能量）随时间的变化率 动力学，（%）用雅可比（9*)&/(*2）及其物质导数研究物质的特定部分在时刻!的占位。&建立连续介质模型，还可以应用热力学!:和动力学!;并且通过场方程和本构方程研究物质（质量、动量和能量）在时 空中的运动规律。最后，可以用概率论中的随机场理论!?等研究矿床地质学场，揭示其时 空结构。（）成矿系统的演化。我们可以将成矿系统的演化理解为成矿系统不稳定性
12、向正时间方向（即向前）的持续推移。系统不稳定而产生物质运动，比如发生对流。对流的振幅是运动强度的测度，也是表征运动物体整体状态的广义坐标。因此，我们可以将振幅理解为与不稳定性模（(2,-*/(-1&+%）相伴的自由度。研究表明，相互作用模（(2-%.*)-(2$1&+%,）的数目并不决定于独立过程（(2+%3%2+%2-3.&)%,%,）的数目，而是和环境的几何特征相关联。所谓环境的几何特征就是环境对于系统的侧向围限（*-%.*)&24(2%1%2-）。由此得到一个重要的结论：一个系统的演化首先决定于围限效应的强度（,-.%2$-A&4)&24(2%1%2-%44%)-,），就是取决于表征物质
13、运动强度的振幅大小，亦即决定于与不稳定性模数相关联的自由度数。由此可见，系统演化和环境的几何制约之间的关系实质上反映了系统不稳定性和自由度之间的关系。这一个关系的完整陈述就是：当控制参量逐渐增大时，一个远离平衡的动力学系统的时 空演化首先决定于围限效应的强度，即究竟是强围限系统（,-.&2$)&24(2%+,-%1）、弱围限系统（5%*7)&24(2%+,-%1）抑延展系统（%B-%2+6%+,-%1）。在强围限系统中还决定于临界不稳定性，在弱围限系统中还决定于超临界不稳定性，在延展系统中还决定于次临界不稳定性。在次临界不稳定性条件下又决定于究竟是短瞬态混沌抑长瞬态混沌#。对于侧向围限效应所起
14、的作用，我们可以用无量纲的横纵比来判断。所谓“横纵比”（*,3%)-.*-(&）是指成矿空间水平方向上的长度和宽度与其高度之比。对于小横纵比（横向比纵向稍短，近于立方体的空间）的极限，即“强围限系统”，空间中可以容纳的对流元胞数很小，同时因空间侧壁的存在使空间结构“冻结”，因而地质 成矿过程主要向时间演化发展。反之，对于大横纵比的极限，即“延展系统”，则空间中可以容纳许多对流元胞，形成具有不同波长的空间结构，出现“斑图竞争与选择”的问题。因而地质 C 成矿过程向时 空演化发展。介于二者之间的横纵比，即“弱围限系统”，情况要复杂得多（关于理论框架的讨论，请再参阅文献!=!=）。!DED判定准则（
15、表!）任何一个成矿系统是否在混沌边缘分形生长，可以用?项具有普适性和包容性（由理论框架所决於崇文 F地学前缘（G*.-A H)(%2)%I.&2-(%.,）=!，;（）!表!“成矿动力系统在混沌边缘分形生长”理论纲要（理论框架，判定准则和动力学行为特征）!#$%&()$*+%,-).%/%)$,0%+1“234)$03,5).,-61+/*4$,3%7-,3/*+0 818)%/8).%60%,-4.,8”理论框架判定准则动力学行为特征矿床的动力学属性!矿床是自孤子和吸引子!形成机制：局部活化和长程抑制相平衡#内部结构：径向对称和目标斑图的分带结构$富集方式：矿质两种方式的源、流、汇%外围结构
16、：分形性&区域结构：局部同构性矿床地质学场地质学场服从幂律矿床呈自组织临界态 外在时 空分形 自组织临界性的时 空指纹(内在时 空分形 分形生长动力学成矿系统的演化#强围限成矿系统：临界不稳定性成矿过程走向过渡时间混沌)串级倍周期分岔的分形动力学$弱围限成矿系统：超临界不稳定性成矿作用由时间混沌向时 空混沌转变*超临界过程的“广义相动力学”%延展成矿系统：次临界不稳定性成矿系统走向瞬态时 空混沌!+时 空阵发混沌 渗流分形扩散的标度行为定）的准则加以判定。其中准则!来自理论框架中的“矿床的动力学属性”。准则来自理论框架中的“矿床地质学场”。准则#、$、%均来自理论框架中的“成矿系统的演化”。以
17、上 9 项判定准则是将地球科学的复杂性理论:和非线性科学的三大基本范式 （&）分形与混沌（包括弱混沌），（:）孤子与孤波（包括自孤子），（;）时空斑图（包括分形时 空结构，混沌7时空结构和弱混沌准规则结构）&:?与矿床地质学相结合而制定的。&A;动力学行为特征（表&）表&中所列的&B 种动力学行为特征分别和 9 项判定准则相对应。其中动力学行为特征&至 9 和判定准则!相对应，动力学行为特征 C、=和判定准则相对应，动力学行为特征 和判定准则#相对应，动力学行为特征?和判定准则$相对应，动力学行为特征&B 和判定准则%相对应。以上&B 种动力学行为特征在总体上界定成矿动力系统的时 空定位，表征
18、其时 空结构，并揭示其动力学机制&;B。!&方法论复杂性和自组织临界性是系统整体的性质，必须采用整体论（.,$*8/）的方法进行研究而不能用还原论（3%6(4)*,+*8/），通过对最基本组成单元（分子或原子）孤立地进行分别研究而认识系统整体的特征。系统的“整体性”（5.,$%+%88）是指系统的“自主性”（(),+,7/1），即系统的存在与其行为的相对独立性。整体论研究系统的集体性质与行为（4,$%4)*D%E3,E%3)*%8+6#%.D*,38），也就是对系统作整体研究。总之，以整体论为主导，还原论作辅助，宏观与微观处理相结合和互补才是研究复杂性的较全面和完整的方法论（图:，;（文献?中
19、图?，&B）略）。复杂性的涌现机制是复杂现象的本质。界定和揭示非线性过程中复杂性的涌现机制是复杂性研究的中心任务。其中包括正确认识确定性和随机性的对立与统一，复杂性的测度与量化，结构和斑图的揭示与创新（*+,D)*,+）的发现，查明导致复杂性涌现的约束及驱动力以及动力学过程的建模等项工作。任何科学理论最终必须揭示现象的内在原因和过程的机制，而机制则是动力学的核心。:B 世纪现代数学和现代物理学所取得的巨大进步是将牛顿力学的范围拓展到愈来愈复杂的过程，加上计算机科学的进一步结合，大大丰富和发展了“机制”（/%4.7+*8/）的内涵。自然过程包含确定性和随机性两种成分，二者相互作用的组织使自然界产
20、生复杂性。科学理论必须对确定性和随机性的对立与统一作出正确的解释。将观测者和所研究系统恰当定位之后就可以用四个“力学层次”（.*%334.1,-/%4.+*48）分析和揭示非线性过程中涌现出的结构和斑图;&。:判定准则!：矿床是自孤子和吸引子基本范式：（&）矿床是活性分布地质介质中的自孤子。&形成机制：局部活化和长程抑制相平衡；内部结构：径向对称和目标斑图的分带结构。（:）矿床是动力学变量相空间中的吸引子。&富集方式：矿&:於崇文 F地学前缘（G3).H4*%+4%23,+)*%38）:BB&，（;）质两种方式的源、流、汇；!外围结构：分形性。（!）区域结构：局部同构性。!#矿床是活性分布介质
21、中的自孤子活性地质介质是指介质对于环境有某种自主性，它们在不受外界直接控制下完成某些转变或作用。简言之，就是外因通过内因起作用，亦即自组织的本质特征。“自孤子”!就是非平衡耗散系统中的“孤子”。“孤子”!是局域化、大振幅的相干脉冲波。它具有与另一孤子相互作用（例如碰撞）后仍然保持其完整性（保持波形、振幅和波速不变），并呈非线性行波（孤波）持续地在空间上作长距离传播的特性，最终形成某种准规则的相干结构。孤子具有宏观的波 粒（波动 粒子）两重性。“自孤子”就其非线性脉冲和线性弥散相平衡的本性而言，犹如发生在大气中的“球状闪电”，其最主要的特征为其“局域性”和“孤立性”。现用“岩浆孤子”对江西德兴银
22、山火山 次火山热液型多金属矿床和铜厂斑岩型铜矿床的形成作初步分析。赣东北地区岩浆房顶部自下而上具有如下的总体结构：（#）软流圈部分熔融而成的辉石岩、辉长岩和玄武岩等（赣东北蛇绿混杂岩），（）中酸性 酸性席图$赣东北地区岩浆房顶部自下而上的总体结构（据於崇文，#%#）&()$*+,-.,/011 23/4534/,03 3+,3-6-7 3+,80(80 5+089,/7/-8 9-33-8 3-3-6:-/3+,023,/:;23/53-7/-.:5,状岩墙群，（!）中性 中酸性火山 次火山岩，（$）在辉石岩、辉长岩与席状岩墙群之间的过渡带，其中中酸性岩脉汇聚成岩株等较大侵入体（花岗闪长斑岩体
23、等）（图$）。赣东北地区软流圈部分熔融过程中，可压缩的基底岩石通过粘滞状蠕动变形而形成固、液两相，其中低粘度的熔体（液相）通过可渗透介质（固相，即部分熔融后的残余固体）发生渗滤流动，经过软流圈与过渡带之间空间部位的同步岩浆分异，然后呈岩浆“孤子”向上作长距离传播与运移，形成上述岩浆房顶部的总体结构。从软流圈到银山矿床西部的火山口，显然既经历过漫长的时间跨度，又跨越了极长的空间跨度。在岩浆通过构造断裂系统的向上运移过程中，虽然不乏分枝、复合与交汇的可能，然而岩浆岩体仍能保持其形态的完整性（从岩侏!岩墙!熔岩流）和成分的连续性（中性!中酸性!酸性）。?#?#动力学行为特征#（表#），即矿床形成的机
24、制：局部活化和长程抑制相平衡自孤子（矿床）的形成可以归结为以两个源 扩散型的非线性偏微分方程为基础的基本数学模型，其中反映了活化剂的正反馈和活化过程以及抑制剂的负反馈和抑制过程：!#（，#，$），!#!%#&（，#，$）。其中和#分别表示活化剂值和抑制剂值；!和!#分别表示活化剂和抑制剂的特征时间标度；和%分别表示活化剂和抑制剂的特征长度标度。“源”#和&是、#和$的非线性函数，但并非坐标和时间的显式函数。$是分岔（控制）参数，表征系统的非平衡水平（程度）。自孤子的形成是局部活化和长程抑制的对立和统一：（#）抑制过程慢于活化过程（!#!），因而前者不能抑制大小为$（%）#A的区域内活化剂的局部
25、活化，引起活性分布介质中均匀态的分层化，从而导致耗散结构的形成。（）抑制作用比活化作用更长程（%#），从而导致耗散结构局域化和孤立化!。通常的成矿介质（比如热液或岩浆）既包含足量的成矿元素，又含有适量的控矿与运矿元素。前者是活化剂，在成矿过程中起局部活化作用；而后者则是抑制剂，在成矿过程中起长程抑制作用。由于控矿和运矿元素所形成的热液蚀变范围通常远大于成矿元素所形成的矿体规模，因而抑制比活化更长程（%B）。又因蚀变作用（抑制作用）过程一般远长于成矿作用（活化作用）过程，因而抑制过程慢于活化过程（!#!）（图 C）。由此可以认为矿床的形成是局部活化和长程抑制的对立统一，其实质是成矿脉冲波（自孤子
26、）的非於崇文 A地学前缘（D0/3+E5,:5,&/-:3,/2）FF#，G（!）#!图!江西德兴铜厂斑岩铜矿床综合纵剖面图（据朱训等，德兴斑岩铜矿，#$%&）()*!+,-./01,-.(2-3 450)(163(074.-81(50 59:5;:,/;/85:-;5;-3-:5.(1 59+50)8,70)，;5?(08-!#花岗闪长斑岩；!#弱蚀变花岗闪长斑岩；!#中蚀变花岗闪长斑岩；!#%强蚀变花岗闪长斑岩；A变质岩；A弱蚀变变质岩；A中蚀变变质岩；A%强蚀变变质岩；A9角岩。图中可见内、外蚀变带的范围远大于铜矿体的范围线性聚集与围岩介质的线性弥散之间取得平衡的结果。这里我们提出一种基
27、于“矿床是地质介质中的自孤子”这一矿床动力学属性的矿床成因研究的整体论的方法论。#!年+6;(0)提出生态学的“形态发展的化学基础”理论%!和#B 年 C(-;-;及 D-(0,7;31 提出生物学中的时 空斑图形成理论%E%$。我们认为后一理论的基本思想是和自孤子理论的基本思想相通的。FF动力学行为特征!（表），即矿床的内部结构：径向对称和目标斑图的分带结构（）矿床分带结构的涵义成矿分带是近平衡系统中的远离平衡局部区域。它是开放系统中的局域化耗散结构%#，并是一种典型的弱混沌、准规则相干结构（G67.(H;-)647;，85,-;-01.1;6816;-）。热液成矿分带是热液成矿作用在时间上
28、演化，并在空间上展布而形成的一种准规则时 空结构。它具有如下的一般特征：$热液成矿分带通常是指矿体金属分带和围岩蚀变分带的统一整体，在空间上表现为矿物与化学元素组合的顺序带状分布；%每一分带内成分基本保持定常，但整体上各分带的成分发生顺序的规律性变化；&相邻分带间通常存在截然的分带边界，边界两侧常发生成分不连续（跳跃或间断）；热液成矿分带整体上常表现出一定程度的径向对称性（;73(74./II-1;/）径向对称结构或目标斑图（图E）。（）分带结构形成的弱混沌理论分析$自孤子结构的形成机制。外界短暂的局部激图 E江西德兴银山火山 次火山热液型铜金多金属矿床的分带性（据 江西银山铜铅锌金银矿床，#
29、E&J）()*EK5074(1/59?54870(8H.6L?54870(8,/3;51,-;I74:54/I-1744(85;-3-:5.(1 59 M(0.,70，;5?(08-励（L;(-9 45874-=8(1-I-01）（在自孤子形成中起不均一性核的作用）加“局部中断”（45874 L;-7N35O0）导致“动力学重排（3/07I(874;-7;70)-I-01）而形成经向对称的环状和空心球状结构（图 B）。!P(Q R#Q（R）Q#，!#!#!P$(#R%#R（#R）。其中#是 S-%Q（-%Q）离子（抑制剂）的浓度，是自&於崇文 T地学前缘（U7;1,V8(-08-;501(-;
30、.）JJ，$（%）催化剂（活化剂）的浓度。上图表示初始扰动，中图表图!#$%&()*+(,-离子氧化还原反应模型数值解的二维斑图（据.$/+$0-(，12(+#&2，1/()*&)，345673）8(9:!;#-(?-)*(&)$/$-0)&A)B?-0(C$/*&/B(&)A&0 0-&D0-$C(&)?&-/&A C-0(B?(&)*0&*-%E#$%&()*+(图 5目标斑图的发展（据 FB0$?&，34577(AAB*(&)-KB$(&)）为原型（0&=E-），应用“扩散耦合的极限环振子场”（(AAB*(&)=C&B=/-A(-/&A/(?(CEC/-&*C(/$&0*）的多体理论（?
31、$)E=%&E#-&0E）70&#-0?$/A/B(?&2-A0&?#-B*0-$?&#-&M)*0-$?(0-C(&)M(#*B*$()-/E()C0-$*()9 C&)*$)2-/&C(-*，M#-0-$*#-C&#-0-)M$2-*$)#-L&)-*?&2-()#-0-2-0*-(0-C(&)M(#*B*$()-/E-C0-$*()9 C&)*$)2-/&C(-*笔者据.0E$)等77的一般溶解 沉淀问题的解对成矿分带形成机制作出的解释73。#：无量纲时间；%：无量纲距离；：流体入注引起的扰动；：定常成分区；G：下游；O：上游；直线：溶解&沉淀波；直线的斜率：化学波的传播速度中反应 流动
32、耦合过程的准稳态近似为前提，运用化学波形成与传播及反应前锋移动边界的物理模型来模拟和阐明热液成矿分带形成的动力学机制（待刊出）。!应用渗滤与溶解 沉淀反应耦合过程理论研究溶解 沉淀波的结构特征，并进一步应用多组分耦合系统动力学中的相干原理揭示其形成的动力学机制7N（图 4，36）。矿床的径向对称、目标斑图的分带结构问题以江西德兴银山火山 次火山热液型多金属矿床作为范例作典型解剖。笔者以此对热液成矿分带的形成机制作如下解於崇文 P地学前缘（1$0#QC(-)C-80&)(-0*）663，5（N）3R释：成矿溶液与围岩相互作用而形成由若干不同波速的化学波所组成的非相干波。当其入注于围岩介质而受扰动
33、时即被分解而为若干波速不同的相干波。它们自入注点自上游向下游以不同波速传播，并逐渐图!一个非相干波由于入注而分解为若干相干波的图解（据#$%&$()*，!+,-./）0(12!3(4145 6*78(91$67%:;(79 7&4 979?(9$);(79(9;7 6$=$4%)7*$9;84=$6形成若干定常成分区（带）的截然边界。总之，成矿分带是自孤子。它们是开放系统中的局域化耗散结构，并且就其动力学本性而言，是典型的弱混沌、准规则的相干结构（图!）。於崇文等（!+/）.研究指出，热液成矿分带实质上是一种“输运 反应问题”（;496A7;$4);(79 A7%$5），基本属于渗滤交代分带（
34、(9&(%;4;(79 5$;46754;()B79(91）性质。它是溶解 沉淀波在可渗透介质中形成和传播的结果。解决这一问题的关键在于揭示流体相和固相的物种浓度随着时间和介质中空间位置而变化的规律，其目标则是要阐明热液成矿分带的分带结构及其形成的动力学机制。应用渗滤与溶解 沉淀反应耦合过程理论研究溶解 沉淀波的结构特征，并进一步应用多组分耦合系统动力学中的相干原理揭示其形成的动力学机制，获得如下的基本结论：图!银山矿床热液成矿分带的“内禀目标斑图”（自孤子结构）局域化相干结构（弱混沌准规则结构）形成的示意图（据於崇文，!+!C）0(12!D)*$54;()E(4145 6*78(91;*$&
35、754;(79 7&;*$%7)4%(B$E)7*$9;6;:);:$（8$4F%?)*47;()G:46($1:%4 6;:);:$）7&;*$“(9;(96();41$;A4;$9”（4:;767%(;79 6;:);:$）&7;*$*?E7;*$54%7$B79(91(9 H(96*49 7$E$A76(;热液成矿分带的本质是在不受外界干预的条件下，当成矿介质中发生某种单一扰动后，经过足够的时间并在适当的地点，这种单一扰动就会自发产生以递变的常速传播的多重响应。单一扰动产生多重响应是多组分耦合的动力学系统的一般规律。这里，作为成矿介质的围岩必须具有定常的物质成分（矿物组合）。它是产生多重
36、响应所必须的外部环境（所谓“定常区”）。所谓“扰动”是指入注成矿溶液（多组分耦合系统）中多种相干溶质的不同浓度变化，即非相干波。这里，成矿溶液的较高浓度和多组成的高度耦合是产生多重响应的内部条件。所谓单一扰动则是指一次作用过程所引起的成分变化，而并非“脉动作用”的结果。多重响应的含义是上述成矿溶液一次入注于围岩后形成一个被截然边界（相干的冲击波）所分隔的分带序列（常态区序列）。单一扰动产生多重响应是因为非相干波是若干不同相干波的叠加，当其受到扰动后，由于其传播速度各不相同而彼此分离。渗滤与溶解 沉淀反应耦合过程的动力学可以用以下的偏微分方程组来描述：!-於崇文 I地学前缘（J4;*D)($9)
37、$079;($6）C!，,（K）!（!#）!$%&!#!(!)!#!*，#*#，+其中!是介质的孔隙度，&是流体的流速，)是扩散系数（对各物种均取为相同的常数）。该方程组的一般解被相干条件和下游平衡条件所确定。在$%&()条件下，用化学波表示的解是从时*距图（图+）原点处射出的常态区序列，它们被溶解 沉淀波的相干冲击波所分隔。值得注意的是上述方程组具有和描述自孤子形成机制的源 扩散耦合型非线性偏微分方程组（见!,#,#节）相同的基本数学模型。在初始条件下，成矿溶液的多组分!#（#-#，+）相互耦合而呈非相干波。当其受到扰动后，在相干条件下，则!#被分解而为抑制剂和活化剂两部分，后者即为形成分带
38、序列的定常物种。由此可见，热液成矿分带的实质就是局部活化和长程抑制相平衡之自孤子的形成机制。热液成矿分带的具体形成机制可以概括为如下基本点（详见文献./）：!形成截然的分带边界，非相干波分解成若干相干的冲击波。从上游向下游，交代前锋以递增的常速向下游移动。而相干波及分带则以递减的常速沿相反方向移动。#相干的冲击波将常态区分隔开来，形成定常成分的分带序列。$交代分带和交代前锋同时发生和发展，并按比例地扩图#!标准映射的动力学相图（据 0(12(3145 等，#+#!6）7%89#!:;(1&?(%?=(1?()A(A(%)8,-,+，水平轴（B%，%），垂直轴+（%，B%）。两种走向混沌的方式：
39、（#）趋于奇怪吸引子，（!）背离奇怪排斥子大，其成分和相对宽度保持不变。&多组分成矿系统自发产生不同矿物组合和元素组合的时 空分离。从下游至上游，相干波以递减的常速向上游移动，构成了交代分带的时 空构架，物种速度（分子、离子速度）落后于浓度速度（波速）提供了分带序列的实体，而同图#/江西德兴铜厂斑岩型铜矿床的地球化学场（据季克俭等，#+6+.C）7%89#/D&=E;&%E(2%&2A1=F=)8E;()8 5E=&A&?;NE%&)E&7=)?%&1）!#，6（/）#C!矿床是动力学变量相空间中的吸引子典型非线性动力学系统中存在吸引子，它们是相空间中“时间逼近的最终态”（!#$%&(#)!*
40、!+,-&.!&!$-)/&$)&+$）。自孤子可以视为动力学变量的相空间中以某种吸引域为特征的吸引子。即使一个动力系统的长时间行为不是混沌的，但是混沌也可能出现在一种定态行为与另一种定态行为之间的边界上。有两种走向混沌的方式，或有两种过渡混沌：（0）趋近奇怪吸引子的过渡混沌，（1）背离奇怪排斥子的过渡混沌。排斥子近邻的粒子运动轨线因其排斥性而具有正的 2(&)*3-*4 指数，终将逃离近邻并趋于奇怪吸引子的吸引域边界56（图 01）。17170动力学行为特征#（表$），即矿质的富集方式：矿质两种方式的源、流、汇吸引子是趋近奇怪吸引子和背离奇怪排斥子两图 05吸引域的分形边界（据 8.$+9，
41、0:;?05=&+!&.A&-A*3-B&$种走向过渡混沌方式的交汇。矿床是两种来源成矿物质的总汇，即矿床内成矿物质的富集可能通过两种方式的结合而实现：（0）矿质来自深部的成矿物质源区，并通过趋于奇怪吸引子而富集成矿。（1）矿质来自外围的背景场，通过逃离奇怪排斥子并趋于吸引域边界而富集成矿。典型实例是江西德兴铜厂斑岩型铜矿床的地球化学场，从矿床向外，具有矿化场、正异常场、负异常场和背景场依次分布的总体规律（图0C）。17171动力学行为特征%（表$），即矿床的外围结构：分形性吸引域的边界具有分形性，而奇怪排斥子的分形性比奇怪吸引子更显著。这是由于混沌与逃逸之间的相互作用，排斥子在稳定流形和不稳
42、定流形两个方向上均具分形性之故。两个以上吸引域的分形边界可以变得极为复杂，以致边界附近的轨道行为具有不确定性，难以预测5;D 0。将以上论述和矿床学实际相结合，可以得出如下图 0赣东北地区“网络状”韧性变形带阵列构造地质略图（据崔学军，0:;?0$*.*+&.#&)*,!3+!3&.&(*,!/$-$!F*9B3+!.$B$,*#&!*-G*-$-*!/$&!$-H&-I J*4-+$0第四系；1侏罗系白垩系；C石炭系三叠系；5石炭系；震旦系志留系；6登山群；K张村群；;双桥山群；:花岗岩；0L地质界线；00断层；01韧性变形带；0C不整合界线结论：矿床是吸引子，而其外围的地质 地球化学场则是
43、其吸引域，并且它的边界具有分形结构（图 05）。赣东北地区具有网络状韧性变形带阵列构造的基本特征。赣东北地区发育有多条 MN O MMN 向和MN O MNN 向的韧性变形带，它们相互交错，构成网络状的二维展布形态。被这种网络状强变形带围限的“块体”变形微弱，称“弱变形域”。这种由强变形带和弱变形域相间排列而构成的构造形式可以称为“网络状韧性变形带阵列构造”。这种阵列构造重复出现在从宏观直到微观的不同尺度上，并且不同尺度上的强0;於崇文 P地学前缘（N&!/E+$-+$=*-!$）1LL0，;（C）变形带与弱变形域的形态具有相似性!（图#!）。上述网络状变形带阵列构造实质上是一种具有准对称性（
44、准规则性）的随机网结构，即弱混沌网络结构。这种阵列构造中强变形带与弱变形域的相间排列反映了对称的确定性与随机无规两种运动方式的结合，而分级嵌套结构及局部与整体的自相似性则又显示出混沌的内在分形结构的准对称性。因此可以认为该地区的网络状韧性变形带阵列构造是一种随机网络结构，即弱混沌的准规则结构；同时也是该地区众多矿 床（吸引子）的吸引域边界分形性的显式反映。$%动力学行为特征!（表），即成矿区域结构：局部同构性图#&赣东北德兴地区地质图（据中国有色金属工业总公司江西地质勘探四队三分队，#!%）()*+#&,-.*./0/*)120 324/5 6-.7.8)9*:.*)/9)9;)29*8)#白
45、垩系下统石溪组；;%侏罗系上统鹅湖岭组；?%石炭系上统船山组；?石炭系中统黄龙组；?#石炭系下统叶家塘组；!%寒武系上统华严寺组；!寒武系中统杨柳岗组；!#寒武系下统荷塘组；%震旦系上统西峰寺组；震旦系中统雷公坞组；A9#!前震旦系漆工群；A9#前震旦系九岭群；!B%!，!B!燕山期花岗岩；!#!燕山早期花岗闪长斑岩；$%!，$%燕山期闪长玢岩；$玄武岩；&#石英斑岩；C B#!，C基性岩；!加里东期辉石闪长岩；闪长岩；B#!，超基性岩；/#B%!燕山期闪长斑岩；!粗面岩准对称或准周期的平面铺砌或镶嵌斑图上，严格的平移对称性不复存在，它被“局部同构性”（0/120)D/E3/:4-)D3）F所
46、取代。准对称斑图的局部同构性：（#）从其(/G:).:谱的离散性及转动对称性的特征来看，於崇文 H地学前缘（I2:6-J1).91.(:/96).:D）KK#，F（%）#具有长程有序的规则晶体结构，然而（!）从其态密度的较平稳的#$%&(奇异性来看，又具有无序的非晶质性。有序与无序并存正是弱混沌结构的典型特征。赣东北德兴地区的成矿区域的区域结构具有准规则斑图的局部同构性。通过对赣东北德兴地区遥感资料的详细解译，发现环形影像大多与浅成、超浅成的中酸性斑岩体有成因联系，是由深源的火山)岩浆作用及其有关的热液成矿与蚀变作用所形成的（图*+,*-）。赣东北德兴地区的铜、金多金属矿床与矿点分布在中元古界
47、的双桥山群地层内，为一套火山 沉积的碎屑岩建造，主要是浅变质的绢云母千枚岩和变质沉凝灰岩。总体看来，该地层在全区广泛分布，岩性比较简单，同类岩石的矿物成分、矿物含量、结构构造等相对稳定，是一种地质学上相对均匀的介质。环形影像的总体是在这一种地层的均匀介质背景上后期叠加的、在成因和物质结构上具有同一性图*.赣东北德兴地区线性遥感影像解译图/01234*.56(789#$#:&;:6(92$(#;(=&:(?($?2$3 2=#3(?&(72$3;(32&$2$A2#$372 B;&2$C(!D於崇文 E地学前缘（F#;:6 GC2($C(1;&$:2(;?）!DD*，-（0）图!赣东北德兴地区遥
48、感影像综合解译图#$%&(!)*+,-./*+/&0+1234.4/56-742 58/*+6+75/+,+.,&.&74+,58 9+1&.6+&5.&.:&4.1&;65!建立连续介质模型连续介质是相对于点质量物体的连续阻滞介质。连续介质包括弹性体和流体，其内部质点之间可以发生相对运动，并且可以有形变或非均匀流动。处理连续介质时不将其看作离散的质点，而是取质量的体积元（即“质元”）。在连续介质力学中，不再将力看成作用在离散的质点上，而看成作用在质元的表面上，因而必须引进作用在单位面积上的力，即“应力”的概念。连续介质模型不涉及物质分子结构的具体细节，但是要求质点之间的距离必须小于所研究现象
49、的尺度。它是一种独立的模型。建立连续介质模型之后就可以确立地质学场，并且用各种理论研究其性质与行为。首先要通过某种统计学方法确立分布函数，揭示系统外在性质的时 空分布。通常矿物中的原子间距小于各种地质体的尺度，因此可以将地质分布介质看作连续介质。它既适用于可变形介质，又适用于液体和气体，因此是地质分於崇文?地学前缘（46/*A0&+.0+%65./&+6,）=BB!，（$）=!布介质的独立模型。!#$根据空间描述与物质描述之间的变换关系!（!，!）%（!，!），!，（，!）%!（，!），!，其中 表示在初始时刻!&的初始位置，!表示在时刻!的空间位置。采用空间变量时，用!（!，!）表示密度，采
50、用物质变量时，用（，!）表示密度。（#）研究可变形介质的运动学：流线和质点的轨道。令 为在时刻!从某点!&算起的流线!%!（，!）的弧长。令在!&处%&，则!（，!）由下列方程和初始条件所决定：!（）%#!（），!(#!（），!(，!（&）%!&，（(#(!&）。其中#（!，!）%!，是空间坐标中速度#（!，!）的定义：#（!，!）%$（#，!），!。（$）通过物质导数研究场量（质量、动量、能量）随时间的变化率 动力学。以密度为例，我们有（，!）!(%（!，!）#)!（!，!）$!，)!（!，!）)!%!（!，!）!*#（!，!）!（!，!），其中)+)!表示物质导数。物质导数包括就地（局部）