孔隙介质中流体渗流-组分扩散-化学反应耦合过程的动力学

岩石、土壤和疏松沉积物(下面统称为固体介质)均可以视为孔隙介质或多孔介质。孔隙介质中的流体渗流-组分扩散-化学反应耦合的动力学系统是最常见,也是最重要的地球化学动力学系统。微细裂隙可视为孔隙度和渗透率较大的孔隙区带。现在见到的较大裂隙系统,如脉型矿床系统,可能是在漫长的地质历史中随着矿脉的充填逐渐扩张的,可近似地处理为高孔隙度和渗透率的区带。对于地下溶洞、地表溪流和江河内营养元素和污染元素的迁移富集的环境则不能视为多孔介质。

多孔介质中热流体渗流、化学组分扩散和反应的动力学体系可表示为:

地球化学

上述式中v为孔隙流体的实际流速,q为渗透速率,v=q/φe,φe为有效孔隙度,即连通孔隙度;κ=κ/μ,κ为渗透率系数,μ为流体的粘度系数;g为重力加速度;ρ为流体总密度;z为垂直方向上的坐标;p为流体内压力;t为时间;T表示流体的温度;CE=(1-φ)cmρmφCfρ,为等效热容,cm、cf分别为多孔介质和流体的比热,ρm和ρ则分别为多孔介质和流体的密度,φ为介质总孔隙度;同样,κE=(1-φ)κm+κφf为等效热传导系数,κm、κf则分别为多孔介质和流体的热传导系数;a代表热源(或汇,即去向、聚集区、汇聚区)的强度,如放射性蜕变热、化学反应热等,无热源或汇时a=0;ci、Di和Ri分别代表流体中组分i的浓度、扩散系数和单位时间单位体积内由于流体中或流体与围岩介质反应所导致的组分i的生成(源)或损耗(汇),当主要为溶解-沉淀反应时,Ri的表达式参见式(4.127);ρ0为当流体温度为T0、组分浓度均为零(纯水)时流体的参照密度,α为热膨胀系数,βi为组分i的溶质膨胀系数。

式(4.129a)表明体系内流体速度的散度处处为零,这是不可压缩流体的质量守衡定理的数学表述。式(4.129b)是渗透定律的微分形式,即渗透速率q的大小与水头梯度呈正比,但方向相反,由高水头流向低水头;水头由流体内压力p和流体的重力势gpz构成。式(4.129c)表明流体微团内热能随时间的变化率,可归结为热对流项▽·(ρqcfT)、热传导▽·(κE▽T)和热源项。热对流项前面的负号表示速度梯度方向(由低流速指向高流速)为“流出”方向,导致热的减少。式(4.129d)为流体内组分守恒表述式。组分浓度的变化率同样可归结为对流项▽·(qci)、扩散项▽·(φDi▽ci)和反应项。式(4.129e)为流体本构方程,说明流体密度随温度的增大而减小,随溶解其中的组分浓度的增大而增大。

当测定了待研究系统的各种动力学参数,如孔隙度、渗透率、扩散系数等,并确定了初始条件和边界条件后,即可应用有限元、有限差分等数学方法进行计算机编程和求解,称为计算机模拟。

地质流体输运-反应过程动力学是地球化学动力学的一个十分重要的方面。各种地球化学作用的动力学过程虽千差万别,但几乎均与流体的运动(或称输运)和流体与介质(土壤、岩石等)的化学反应有关。许多地质作用必须有流体参与,另一些地质作用则由于流体的参与而大大加快了。流体的作用往往既涉及流体的输运又涉及流体与周围介质的反应,两者是相互耦合的。无论地幔对流、壳幔交换、岩浆房动力学、热液成矿作用动力学,或表生及环境地球化学动力学等均归属为地质流体输运-反应过程的动力学。所以,地质流体输运-反应过程动力学具有很重要的理论意义。

简单地说,地质流体输运-反应过程的动力学是研究在不同温压条件下地质流体在土壤或围岩介质中的流动与反应。地质流体的输运-反应过程动力学不同于水文学研究的地下水动力学:首先地质流体不限于水,它可以是溶液、气体、甚至粘度很大的岩浆;其次,地下水动力学较少考虑热对流体的驱动作用,也很少涉及流体内各种组分的扩散运动,更少考虑流体与周围介质的化学反应。地质流体的输运-反应动力学也不同于水-岩反应动力学和地质流体力学。水-岩反应动力学相对忽略地质流体对能量和物质的输运,而侧重于流体与周围介质的化学反应机制、反应速率测定;地质流体力学则相对忽略地质流体与周围介质的化学反应,而着重考察流体在地质体中的运动。在许多地质过程中,例如岩浆动力学过程和热液成矿过程中,热(岩浆热)对流体的驱动作用、流体的运动、流体内各种组分的扩散运动以及流体与周围介质(围岩)的化学反应是相互耦合、不可分割的,对这类地质过程动力学的研究属于地质流体输运-反应过程的动力学的范畴。因此,地质流体输运-反应动力学是地球化学动力学和地质流体力学的综合,是今后地学发展的前沿领域。

於崇文近年来提出了“广义地球化学动力学”研究的对象、理论和方法论,指出地球化学系统是复杂的动力系统,地球化学的任务及最终目的是探索地球化学系统的复杂性,阐明复杂性的涌现机制与发展规律。广义地球化学作用可理解为地球物质的运动,广义地球化学动力学的研究涵盖了化学运动、力学运动和磁学运动。於崇文提出了广义地球化学动力学的三大基础理论问题:①广义地质过程的非线性动力学;②“广义地质作用与时-空结构”耦合系统的复杂性;③广义地质学系统的自组织临界性与混沌边缘。这里的广义地质学系统和广义地质过程指所有地质、地球化学、地球物理的系统和作用过程。可见,广义地球化学动力学包含了地球物质运动的全部动力学研究内容。

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