耗散结构在地质学中的应用及其评述

非平衡态热力学的研究表明,处于远离平衡的体系,由于内部非线性作用的影响,呈现与平衡态或近平衡态截然不同的热力学行为,如出现时间振荡、空间有序、化学波或者混沌等一系列耗散结构现象。目前,这种理论已被地质工作者所接受,并据此开展了地质学中的耗散结构研究,它合理地解释了振荡性矿物环带、岩石中有规律的韵律构造、变质变形的分异层理、火成岩的原生构造以及周期性地质作用产生的原因等。本文对耗散结构形成的条件以及它在地质学中的研究现状作了系统的总结,并阐述了如何在地质学中运用耗散结构的问题。     

河流调整中的熵、熵产生和能耗率的变化

河流是一个真正的开放系统,而不是孤立系统或封闭系统。运用经典热力学和非平衡态热力学基本原理,分析研究了河流调整中的熵、熵产生和能耗率的变化。指出:熵和熵产生是两个不同的概念;最小熵产生原理等价于最小能耗率原理;冲积河流在调整过程中遵循最小熵产生原理或最小能耗率原理,而不是最大熵原理。     

关于固体地球系统与地质作用的三点认识

文中讨论了作为极复杂巨系统的固体地球内部运动规律的 3条推论 :(1)地球系统在偏离平衡态时 ,有选择能量耗散最小方式的“惯性” ,在系统内禀熵急增时或者回到一种准稳定的定态 ,或者通过自组织迅速减少内禀熵增加率。换言之 ,地球系统可能有种尽量保存自身内能不受大量耗散的惯性 ,使其总体内禀熵产生率对时空的积分取极小值。我们把这一认识称为总体熵产生率取极小准则 ,对于孤立与渐变的地质过程 ,它等同于热力学第二定律与普里高津最小熵产生原理 ,对于极复杂地球巨系统及远离平衡态情况加了“总体”两字 ,意思是在局部或短期突变时熵产生率可能是大的 ,但它对全球与长时间的积分而言仍然取极小。换句话说 ,作为一个巨系统 ,固体地球在其局部远离平衡状态时 ,仍然能保持总体上内能消耗取极小的惯性 ,维持对全部固体地球时空系统总体熵产生率取极小准则。 (2 )关于地质作用过程演化的定态遍历准则。地球系统的复杂性不仅表现在其非线性 ,即同时存在着多种可能的定态作为其演化的趋势 ,而且表现在其时空发展过程中将经历尽可能多的定态。非线性非平衡态动力学的一般规律符合大多数包含激变事件的地质作用过程。将来在地球系统偏离平衡态足够远时 ,它可能会具有无穷多个耗散结构 ,因而使系统进入完全?     

远离平衡相边界的柯石英形成机制及板块折返假说的物理基础

本文从热力学、物理学、物质结构和高压高温相变的角度对板块俯冲-折返假说的物理基础进行了分析讨论.在实际不均匀固体地球高压高温热力学体系中,地表柯石英超高压变质的非平衡态形成模式比平衡态形成模式有更大的普遍性、多样性;"静态流体地球"模型和静岩压力与深度换算公式,对其中的非平衡态体系,和地表中可能存在的局域准静水压平衡态...     

耗散结构与地球综合场理论的实际意义

60年代以来,非平衡态热力学与非平衡态统计力学取得突飞猛进的发展,并很快向其它科学领域渗透。它将物理学、化学、生物学、地质学、宇宙科学、人体科学、生理学、病理学等连接起来,填平了自然科学与社会科学之间的鸿沟。耗散结构理论就是在这样的背景下建立与发展起来的。在1967年召开的第一届“理论物理与生     

软岩渗流-化学-损伤软化过程中能量耗散机制

红层软岩具有遇水软化特性,在降雨条件下渗流、化学、力学损伤等多效应综合作用造成工程地质灾害,是岩土工程界广泛关注的热点和难点问题之一。基于能量耗散原理,研究了软岩软化过程中的渗流、化学、损伤效应,提取了主要的渗流、化学、损伤能量变量,讨论了渗流-化学-损伤效应对软岩软化过程的作用以及能量耗散的机制,结合软岩三轴试验分析了能量耗散过程。结果表明:在渗流-化学-损伤效应共同作用下,水在软岩中形成渗流,渗流的作用加速了软化进程;软岩与渗流之间的化学作用加速了裂隙-孔隙损伤的发展;软岩裂隙-孔隙损伤的发展反过来促进了渗流及化学的作用。从能量角度来看,软岩软化后可承受的极限应变能量减少,渗流提供了能量同时也通过化学效应消耗了软岩自身的能量,降低了强度并引发损伤,因此,软岩软化的过程是一个能量耗散的过程。在此过程中,渗流、化学、力学损伤等能量的涨落及耗散、物质交换、非线性正反馈作用,使得软岩经历从平衡态到非平衡态相变,最终软化破坏形成了耗散结构。     

岩石变形破坏的熵突变过程与破坏判据

在岩石的变形破坏过程中,当进入不稳定的破裂发展阶段之后,系统不断调整结构抵抗外力的扰动,裂纹向局域集中的有序方向发展,应变能不断耗散,并以应变能的耗散为媒介,使系统与外扰动所追加的负熵流产生能量流通,也使系统熵值和系统的维数逐次降低,这一阶段岩石系统远离平衡态,岩石的破坏是系统熵的突变过程。基于这一认识,并在验证应变能分布与结构块度分布模式的一致性的基础上,推导出包含了结构因素和能量分布的熵表达式;对熵表达式进行平衡分析获得局部突变的分岔集,得到了岩石局部破坏的熵折迭突变破坏准则;同时,探讨了熵表达式所表征的结构有序度的尖点突变性,解出岩石系统的分岔集,这个分岔集就是岩石系统熵突变的整体破坏准则。     

围岩稳定分析的熵突变准则研究

地下工程围岩体具有高度的非线性,可以借助当代非线性科学研究和预测它的力学行为。应用耗散结构理论、熵及突变论等非线性科学理论研究岩石非线性稳定问题,揭示了岩体失稳过程和破坏机理,建立了符合实际的岩体破坏分析方法和失稳判据。     

隧道变形失稳的能量演化模型与破坏判据研究

隧道变形失稳过程与破坏判据研究是地下工程的热点与难点之一。运用耗散结构理论,分析了隧道变形失稳的能量耗散过程与演化特征;结合热力学基本定律,研究了整个隧道系统的能量耗散机制,建立了隧道变形失稳的能量演化模型。在此基础上,分别给出了大数据量（≥3 000）与小数据量（<3 000）条件下稳定性演化过程的能量判别准则;根据隧道系统变形失稳演化各阶段特征,提出了其失稳破坏的能量判据。将研究成果应用于广州地铁某立体交叉隧道的稳定性分析,验证了该能量演化模型与判据的合理可靠性,其结果对隧道稳定性状态的判别具有一定指导意义。     

能源储备地下库群稳定性与连锁破坏分析

基于变形加固理论关于结构失稳的严格定义及其集合逻辑表述,提出了基于不平衡力和最小塑性余能原理的地下储库群稳定性判别方法。在非平衡态弹塑性力学框架下,将经典有限元拓展到结构失稳后的分析,塑性余能范数即可作为库群失稳判据,而不平衡力及其发展则表征了库群失稳破坏的形态和演化路径。研究了单储库的稳定性、双储库结构在不同储库间距条件下的整体稳定性及连锁破坏规律,并应用于金坛盐矿油气储库群的稳定性分析和连锁破坏模拟计算分析。研究表明,不平衡力和塑性余能范数用来定量评价地下储库的稳定性是合适的。变形加固理论为评价库群整体稳定性、研究储库间相互作用以及破坏的时空演化提供了定量实用的分析方法,为地下储库群的灾变机制与防护研究打下基础。     

Pressure and equilibrium in deforming rocks

It is widely proposed that tectonic pressure (the difference between the mean stress and the pressure arising from a lithostatic load) is large, and has a significant influence on mineral phase equilibria in deforming metamorphic rocks. The implication/assertion is that the mean stress is equivalent to the thermodynamic pressure which characterizes mineral phase equilibria and is a measure of how the energy changes as the volume changes. We distinguish two useful thermodynamic pressures. The first is an equilibrium thermodynamic pressure, characteristic of non‐dissipative systems and related directly to equilibrium values of the chemical potentials that define stable, equilibrium phase assemblages. The second is a non‐equilibrium thermodynamic pressure characteristic of dissipative systems with zero net entropy production and related to non‐equilibrium chemical potentials that define stable non‐equilibrium phase assemblages. In many dissipative metamorphic systems discussed in the literature, the concepts of thermodynamic pressure and chemical potential are not usefully defined because the system is not at equilibrium and/or no volume change is involved in the deformation. The conclusion of this note is that the influence of tectonic pressure on phase equilibria is minor. The role of tectonic pressure is an important issue but is only relevant to phase equilibrium when an equilibrium thermodynamic pressure can be defined; in such cases, the influence of tectonic pressure is small compared to many proposals in the literature. Except for elastic deformations, the mean stress is not useful in discussing mineral phase equilibrium.     

Model for the development of rhythmically banded wollastonite-hedenbergite skarns at the Dal’negorsk deposit,southern Russian Far East

Skarns at the Dal’negorsk boron deposit belong to the infiltration type. In their outer contact zone (bounded by limestone and consisting of wollastonite + hedenbergite), rhythmically banded textures developed, with alternating wollastonite and hedenbergite bands. The petrological study and modeling of the process that produced them led us to propose a mechanism for the genesis of such textures. They are thought to form as a consequence of a dissipative structure in the infiltrating solution and its interaction with the rock. The dissipative structure itself resulted from the instability of the equilibrium state of the skarn-solution system and the development of pervasive spatial oscillations in the redox potential of the solution. The progressive development of the banded texture was associated with a change in the dissipative structure because of the existence of feedback (mutual influence) between the structure of the solution and the texture of the rock. The rhythms generated thereby are of several orders (as follows from their thicknesses and the distances between them), which is an indication of a large-scale invariance of the developing texture. The simulation of the process involved the analysis of a system of kinetic equations, the stability of the equilibrium, and the conditions of the stability of spatial oscillations in the concentrations of major components in the solution. A necessary condition of the stability of the dissipative structure is a low velocity of fluid filtration, which should be no higher than a critical value, with the latter controlled by kinetic parameters of the system. The proposed model can be modified and adapted for rhythmically banded skarns of other composition and for banded hydrothermal mineralized veins with the aim of constraining the petrogenetic conditions and elucidating the role of banded textures as precipitators of ore and minor components of the solution.     

有限变形下变质量体系热动力学关系

本文认为水与气的流动而导致固相介质中质量的流动是一种热动力学的过程,固相介质在此为一非线性耗散型材料。在假定流体为不可压流体,气体为理想气体后,获得了能量率平衡条件下系统比熵的显式,并据Clausius-Duhem不等式得到了有限变形框架下不同4维空间中的约束方程。这些方程与Coleman等所建立的约束方程间的区别与特性,亦在文中予以讨论。     

Dissipative Structures of Rock—and Ore—forming Systems in Faults

The dissipative structure is an ordered structure.When a ssyterm is far from reaching equilibrium in the condition of non-equilibrium and exchanges some energy and material with the surroundings,this structure will be formed and preserved.Starting with the analysis of practical data,we attempt to use this theory to discuss the tectono-geochemical problems of some rock and ore-forming systems in faults.1.Ordered structure:Under the geological condition,due to the opening of a system in which energy and material are involved in geochemical action,the entropy tends to reduce gradually and substances evolve from non-ordered to ordered in structure.In the processes of formation of rocks and ores in faults,various layer-bands will be formed in rocks.2.Functional action:The physico-chemical activities which include pressure-creeping and thermal-diffusion as well as liquid diffusion have been shown.3.Fluctuating cycle:In the process of metamorphism,various changes in pressure,temperature and liquid are of fluctuation and periodicity.These may play an important role in the formation of rocks and minerals and the occurrence of ordered structures in fault zones.A few examples of mineral deposits in the middle and lower Yangtze River Valley are presented here,and the dissipative activities of rock-forming minerals and mineral-forming elements have been preliminarily established.     

基于灰色关联熵的地下水环境演化模式判别模型研究

在耗散结构理论中,系统的信息熵越大,其有序度越低。地下水环境是符合耗散结构系统特征的动态有序系统,其演化进程中信息熵减少的特征可用来判别系统的演化方向。将地下水资源量作为决定其有序程度的序参量,按照地下水系统的实际开采量与可开采量之间的协同程度来指示系统的有序程度。将该两个序列之间关联系数的量化结果用信息熵来表述,构建基于灰色关联熵的地下水环境演化模式判别模型,通过不同时段系统的信息熵变化特征判别其演化方向。该模型在衡水市的应用研究表明,20世纪70年代以来深层地下水系统演化的信息熵变趋于减小,地下水系统功能逐渐退化,处于重建新的稳定态的演化过程中,地下水系统的状态和功能与原始的稳定态相比将存在极大的差异。该评价结果与地质环境监测反映的地下水环境的演化趋势一致。     

基于灰关联熵的喀斯特地区枯水资源演化趋势的探讨——以贵阳地区为例

贵阳地区的枯水资源系统是一个耗散结构,同时也是一个灰色系统。本文把耗散结构中的熵和灰色系统、协同理论结合起来,并以贵阳地区的6个水资源分区为研究对象,建立枯水资源系统演化方向判别模型。研究结果表明,贵阳地区1998年到2003年其枯水资源系统的有序度变化从增加到减小再到增加, 2003年以后灰关联熵又开始增加,系统有序度又有增强的趋势。因此,应采取有效的有序化调控措施,从而使贵阳地区的枯水资源达到有序状态,实现贵阳社会经济的可持续发展。