第二節(jié)　泥炭成礦過程

成礦過程是在各種有利成礦條件下，礦物礦體經(jīng)歷一系列物理、化學(xué)、生物學(xué)和地質(zhì)作用，聚集形成具有工業(yè)價(jià)值礦產(chǎn)的過程。泥炭成礦過程由成礦途徑、物質(zhì)積累、性質(zhì)轉(zhuǎn)變、能量轉(zhuǎn)化四個(gè)基本過程組成，泥炭成礦過程是一個(gè)從無序走向有序的自然過程。研究泥炭成礦過程、積累規(guī)律、性質(zhì)轉(zhuǎn)變和能量聚集，對認(rèn)識泥炭礦床地質(zhì)特征、分析泥炭礦體地質(zhì)條件、合理利用泥炭資源、科學(xué)保護(hù)泥炭沼澤，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、泥炭成礦途徑

泥炭成礦是在有利控礦環(huán)境下從非泥炭沼澤演變?yōu)槟嗵空訚傻牡乇磉^程，是泥炭礦形成發(fā)育的基礎(chǔ)。由于初始控礦條件不同，所以泥炭成礦途徑和成礦結(jié)果必定不同，由此控制和決定著泥炭積累的品位和礦床規(guī)模。根據(jù)泥炭成礦途徑受水體的影響程度和初始物質(zhì)來源與物質(zhì)積累方式的不同，可以將泥炭成礦途徑劃分為水體沼澤化和陸地沼澤化兩大類型。不同成礦途徑具有不同的成礦環(huán)境、物質(zhì)來源和物質(zhì)積累方式，因而具有不同的泥炭礦規(guī)模、品位和利用方向。

（一）水體沼澤化

水體沼澤化是泥炭積累的重要途徑之一。水體沼澤化主要發(fā)生在湖泊、水庫、河流等陸地水體。但是并不是所有水體都具備水體沼澤化的條件，水體沼澤化只有在水的深度不大、波浪較小、水溫適宜、含鹽度低的條件下才能進(jìn)行。咸水湖或堿水湖因鹽分較大，植物生長困難，泥炭沼澤化則難以發(fā)生。有些大型的構(gòu)造湖、火口和吞吐湖，因水深岸陡，波浪劇烈，水位變幅顯著，植物生長困難，也難以實(shí)現(xiàn)泥炭沼澤化。一些河流由于水流湍急，邊岸陡峭，沖刷強(qiáng)烈，水位變化強(qiáng)烈，也不利于植物生長和泥炭沼澤化的進(jìn)行。

在水體沼澤化中，又有緩岸湖泊沼澤化和陡岸湖泊沼澤化兩種，見圖2-1。兩種水體泥炭化過程在植被帶推進(jìn)過程和物質(zhì)組成上都有一定差異。

1.緩岸湖泊沼澤化

緩岸湖泊沼澤化是從邊緣開始的。首先在岸邊淺水帶生長挺水植物，因水深不同，挺水植物群落呈帶狀或同心圓狀有規(guī)律分布，向湖心逐漸生長沉水植物。注入湖泊的水流所攜帶的泥沙淤積和死亡植物殘?bào)w的堆積，使淺水帶逐漸向湖心推移，沼澤植物也向湖心蔓延，最后整個(gè)湖泊長滿了沼澤植物。

2.陡岸湖泊沼澤化

陡岸湖泊沼澤化是從水面植物繁殖過程開始的。在背風(fēng)側(cè)的湖面生長著長根漂浮植物，它們根莖交織，常與湖岸連在一起，形成較厚的漂浮植物氈，俗稱漂筏。隨著植物不斷繁殖、生長，浮氈逐漸擴(kuò)大，厚度增加，浮氈下部的植物殘?bào)w在重力作用下脫落湖底，年積月累，使湖底變高。浮氈布滿水面，但與湖底之間尚存在水層，隨著時(shí)間推移，湖底泥炭堆積愈來愈厚，直至水層消失，兩者相接，湖泊最后演化為沼澤。漂浮植物氈布滿湖面需經(jīng)歷長期的演化過程。初期由于風(fēng)浪作用，往往使浮氈碎裂，小塊漂筏像綠色小舟，隨風(fēng)漂游散布在湖中；沼澤化后期，各漂浮植物氈逐漸擴(kuò)大，彼此結(jié)合，布滿整個(gè)湖面，但在個(gè)別接觸處還有局部明水，稱為湖窗。此外，因漂浮植物種屬不同，以及受其他因素影響而造成生長狀況的差異，使浮氈厚薄不均，薄層地段人畜行走其上，有沉陷危險(xiǎn)，在東北地區(qū)把這種現(xiàn)象叫作“大醬缸”。當(dāng)年中國紅軍長征走過的“草地”中，有些沼澤就是“人陷不見頭，馬陷不見頸”的漂筏沼澤。

陡岸湖泊沼澤化在中國東北和西南地區(qū)以及西北內(nèi)陸地區(qū)的一些湖泊都可看到。此外，人工湖泊——水庫，也可以沼澤化，在岸邊形成漂筏層。上面所舉的都是湖泊正在沼澤化的例子。由昔日的湖泊演變?yōu)檎訚傻目赏ㄟ^地貌形態(tài)特征的觀察以及植物孢子花粉和殘?bào)w的分析鑒定證明。

3.河流沼澤化

在流速緩慢或水流停滯的小河或河流的個(gè)別河段，在岸邊甚至到河心，常見到水草叢生的沼澤化現(xiàn)象，其發(fā)育過程大部分與湖泊沼澤化相似。如三江平原的一些河流，由于地勢低平、坡降很小、水流緩慢、河道彎曲、水草叢生，具有沼澤性河流的特點(diǎn)。沼澤化河流的泥炭層一般較薄，有的地段沒有泥炭堆積，這是因?yàn)樗劳鲋参镂赐耆纸獾臍報(bào)w在緩慢流動的河水中被沖走的緣故。

（二）陸地沼澤化

如果說水體沼澤化對生態(tài)環(huán)境的變化是由水趨陸的過程，那么陸地沼澤化恰恰相反，是在不斷增強(qiáng)濕地生態(tài)環(huán)境。陸地沼澤化過程主要有以下三種。

1.草甸沼澤化

由于大氣降水或河流泛濫，地面季節(jié)性積水或土壤季節(jié)性過濕，發(fā)育了草甸植物群落。在地表水和地下水作用下，土壤孔隙長期被水填充，通氣狀況惡化，造成厭氧環(huán)境，并引起土層嚴(yán)重潛育化，死亡的植物殘?bào)w在厭氧條件下，分解非常緩慢，使地表形成的草根盤結(jié)層加厚。草根層具有很強(qiáng)的蓄水能力，進(jìn)一步加強(qiáng)了地表濕潤程度，致使大量的喜濕植物侵入。隨著沼澤化過程不斷發(fā)展，土壤營養(yǎng)元素不斷累積在未分解的植物殘?bào)w中，使土壤灰分元素漸趨貧乏，要求營養(yǎng)成分不太高的沼生植物逐漸取代了濕草甸植物，最后演變成沼澤。如三江平原的平原面上的沼澤區(qū)，大部分沼澤是由于地勢低平、降水宣泄不暢、地表積水過濕、草甸植物逐漸演替為濕生植物而來。總之，草甸沼澤化過程是草甸過度濕潤導(dǎo)致土壤嚴(yán)重潛育化形成的厭氧環(huán)境以及植物殘?bào)w強(qiáng)烈的蓄水能力共同作用的結(jié)果。

2.森林沼澤化

在我國高寒山區(qū)森林帶，特別是寒溫帶、溫帶的針葉林和針闊葉混交林帶，常有面積不等的沼澤分布其間，有的鑲嵌在林海中間，有的分布在林下，嚴(yán)重影響樹木生長和更新。在一般情況下，森林是不易發(fā)育沼澤的，只在森林采伐跡地或火燒跡地才能看到沼澤化現(xiàn)象。因?yàn)闃淠鞠Ш笫チ司薮蟮奈芰Γ茐牧送翆拥乃制胶猓雇翆舆^濕或地表積水，導(dǎo)致跡地沼澤化。在季節(jié)凍土?xí)r間長并有永凍層分布的山地，水分下滲困難，地表過濕，也容易引起林地沼澤化。林下沼澤或林間空地的沼澤不斷向四周擴(kuò)展，惡化了樹木的生長環(huán)境，造成樹木大量死亡而形成“站桿”，或因限制了樹木的正常發(fā)育，出現(xiàn)樹木枯梢、生長緩慢現(xiàn)象，使樹木變成矮小的“小老樹”。這種現(xiàn)象，在大、小興安嶺和長白山都可以看到。

3.冰緣沼澤化

在無冰川覆蓋但又受寒冷氣候影響和以凍融作用為主的冰緣地帶，由于地下凍層存在造成地表積水無法下滲，導(dǎo)致地表過濕，形成沼澤。冰緣沼澤化在寒溫帶地區(qū)廣泛分布，在我國只有大興安嶺局部地區(qū)可以發(fā)現(xiàn)。

二、泥炭成礦作用

從死亡植物殘?bào)w演變?yōu)槟嗵浚枰?jīng)歷生物化學(xué)分解和生物化學(xué)合成兩個(gè)重要階段，由此產(chǎn)生泥炭獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀以及不可替代的特殊功能。

典型泥炭剖面由兩個(gè)重要層位組成：地表10～20cm的活性層（acrotelm）和下面的惰性層（catotelm）。活性層對應(yīng)中文的草根層或泥炭形成層，即造炭植物根系生長生活的地方，泥炭積累的植物殘?bào)w就是在這個(gè)層位生長生活直至衰老死亡，倒伏地表，回歸自然。一個(gè)泥炭地如果活性層受到影響和破壞，泥炭的積累就無從談起。由于地表水一般不能淹沒活性層，整個(gè)活性層基本處于好氧狀態(tài)，所以棲息和活動的微生物主要以好氧細(xì)菌、放線菌和真菌為主，分解力強(qiáng)大，分解產(chǎn)物相對徹底。泥炭地的惰性層位于活性層之下，常年地下水位能夠淹沒或充滿惰性層，因此惰性層的植物殘?bào)w分解以厭氧分解為主，分解強(qiáng)度較弱，分解效率較低。因此，從活性層轉(zhuǎn)來的植物殘?bào)w在此處逐層積累起來，形成泥炭礦體。

在活性層的好氧條件下，植物殘?bào)w遭受徹底分解，轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，只剩下礦物質(zhì)殘留，這個(gè)過程稱為灰燼化作用。我國很多礦質(zhì)濕地不能形成泥炭積累的重要原因就是植物殘?bào)w在水分不穩(wěn)定的好氧條件下遭受徹底分解的灰燼化作用。

植物遺體在地表活性層好氧微生物作用下，腐朽變干，但隨后積水突然增加，使植物殘?bào)w迅速沉入水底，植物細(xì)胞壁中的木質(zhì)素和纖維素在微生物參與下脫氫、脫水，碳含量增加，植物遺體迅速轉(zhuǎn)入弱氧化或還原環(huán)境中，或被上層植物殘?bào)w覆蓋后中斷氧化作用，免受進(jìn)一步的腐敗而轉(zhuǎn)化為絲炭的過程稱為絲炭化作用，絲炭化作用形成的泥炭將進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為鏡絲煤等。

在有些沼澤中，地表水流比較通暢，氧化環(huán)境稍弱，植物殘?bào)w中的纖維素、木質(zhì)素等大部分有機(jī)組分被微生物破壞，形成二氧化碳和水，只有比較穩(wěn)定的角質(zhì)層、樹皮、孢子、花粉、樹脂等有機(jī)組分在底部殘留富集起來，形成各種光澤暗淡的殘植泥炭，這個(gè)過程稱為殘植化作用，殘植化作用形成的泥炭在后續(xù)轉(zhuǎn)化中可以形成殘植煤。

在水流停滯的湖泊泡沼厭氧環(huán)境中，藻類遺體脂肪被轉(zhuǎn)化成脂肪酸和甘油，而脂肪酸在微生物的作用下，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化、凝聚、縮合成腐泥物質(zhì)，形成含有豐富有機(jī)質(zhì)的腐泥泥炭，這個(gè)過程稱為腐泥化作用，腐泥化作用產(chǎn)生的腐泥在后期轉(zhuǎn)化為腐泥煤。低等植物經(jīng)分解、縮合和聚合，形成富水棉絮狀的膠體物質(zhì)，經(jīng)脫水和壓實(shí)，形成腐泥。腐泥的顏色一般為黃色、暗褐色和黑灰色。

在植物殘?bào)w向泥炭轉(zhuǎn)化過程中，氧氣充分的活性層中的植物殘骸中有機(jī)化合物經(jīng)氧化分解、水解，轉(zhuǎn)化為簡單的化學(xué)性質(zhì)活潑的化合物，而進(jìn)入惰性層的植物殘?bào)w和分解產(chǎn)物則在厭氧還原環(huán)境中，對植物分解產(chǎn)物進(jìn)行再聚合作用，形成新生的具有獨(dú)特功能和效益的腐植酸。腐植酸的合成產(chǎn)物既可能來自植物殘?bào)w分解出來的木質(zhì)素、蛋白質(zhì)，也可能來自植物殘?bào)w分解產(chǎn)物中的酚、鞣質(zhì)和芳香族化合物，此外纖維素、半纖維素也可能是腐植酸的重要來源。這種在泥炭化過程中由植物殘?bào)w和分解產(chǎn)物之間合成為較穩(wěn)定的腐植酸、瀝青質(zhì)等穩(wěn)定大分子復(fù)合物的過程稱為腐殖化作用。這些大分子復(fù)合物是泥炭化過程中的最重要產(chǎn)物，具有重要的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境價(jià)值。

植物殘?bào)w在泥炭化過程中經(jīng)歷了腐殖化作用后，植物殘?bào)w主要組成部分經(jīng)過生物化學(xué)變化和物理化學(xué)變化，形成以腐植酸和瀝青質(zhì)為主要成分的膠體物質(zhì)。由于植物的木質(zhì)素和纖維素在物理化學(xué)性質(zhì)上都屬于凝膠體，吸水能力強(qiáng)，在還原環(huán)境中逐漸分解，細(xì)胞壁先吸水膨脹，胞腔縮小，最后完全喪失細(xì)胞結(jié)構(gòu)，形成無結(jié)構(gòu)膠體，或進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為溶膠；當(dāng)電性、酸堿性、溫度變化時(shí)，產(chǎn)生膠體化學(xué)變化，上述物質(zhì)形成凝膠狀態(tài)。因?yàn)檫@一過程既有厭氧生物作用，又有膠體化學(xué)作用，所以又稱“生物化學(xué)凝膠化作用”。所以泥炭分解度越大，凝膠物越高，越容易出現(xiàn)膠溶現(xiàn)象，導(dǎo)致干燥后結(jié)塊，濕潤時(shí)吸水量降低。

三、泥炭成礦熱力學(xué)

泥炭成礦過程是將太陽能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，并在泥炭地中經(jīng)過一系列生物地球化學(xué)作用轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)礦產(chǎn)的過程。成礦過程在形式上是含碳物質(zhì)不斷運(yùn)動的表現(xiàn)，而含碳物質(zhì)運(yùn)動的實(shí)質(zhì)是能量的變化，因此可以從能量變化的角度來了解成礦作用的本質(zhì)規(guī)律。熱力學(xué)是用能量的觀點(diǎn)從宏觀上考察研究自然現(xiàn)象發(fā)生變化過程、分析各種形式能的轉(zhuǎn)變規(guī)律，研究在給定條件下某一過程自發(fā)發(fā)生的可能性、方向和限度的科學(xué)。采用熱力學(xué)理論，研究泥炭成礦系統(tǒng)的始態(tài)（initial state）和終態(tài)（final state）間的能量變化，是探索泥炭成礦系統(tǒng)宏觀變化規(guī)律和成礦熱力學(xué)系統(tǒng)時(shí)間行為，揭示成礦過程、成礦作用基本規(guī)律的重要手段。

熱力學(xué)研究泥炭成礦系統(tǒng)的宏觀狀態(tài)，研究泥炭成礦系統(tǒng)大量分子集體作用所產(chǎn)生的平均行為，強(qiáng)調(diào)的是系統(tǒng)的總體特征。而要描述一個(gè)泥炭成礦熱力學(xué)系統(tǒng)，只需面積、厚度、溫度、壓強(qiáng)、濃度、密度等幾個(gè)宏觀熱力學(xué)參量，這些宏觀熱力學(xué)參量都可以從實(shí)驗(yàn)中測定出來，因而可以為成礦作用研究提供簡便而可靠的方法。

（一）泥炭成礦系統(tǒng)的內(nèi)能變化

根據(jù)能量守恒定律，體系內(nèi)能的增加是體系從環(huán)境吸收能量，同時(shí)對環(huán)境做功和對外交換熱量的過程。在泥炭成礦過程中，當(dāng)太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能進(jìn)入泥炭成礦系統(tǒng)后，成礦體系的內(nèi)能增加。當(dāng)植物殘?bào)w和泥炭分解時(shí)，化學(xué)能就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃酷尫诺江h(huán)境中去，減少成礦體系的內(nèi)能。隨著泥炭厚度增長，面積擴(kuò)大，泥炭礦體積不斷增大，成礦系統(tǒng)克服外力做功，減少體系的內(nèi)能。因?yàn)槟嗵砍傻V系統(tǒng)是一個(gè)與環(huán)境不斷發(fā)生物質(zhì)能量交換的開放系統(tǒng)，系統(tǒng)不僅可以通過對外界做功和交換熱量使其內(nèi)能發(fā)生變化，而且可以通過與外界交換物質(zhì)改變系統(tǒng)的內(nèi)能。如果每單位含碳物質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)能增加為μ（μ為化學(xué)勢），則成礦系統(tǒng)的內(nèi)能變化為進(jìn)入的化學(xué)能減去分解釋放熱量和體積膨脹功：

dE=μdN-dQ-PdV

式中　dE——成礦系統(tǒng)從初態(tài)到終態(tài)的內(nèi)能增量；

　dN——成礦系統(tǒng)因植物死亡輸入的能量；

　dQ——成礦系統(tǒng)因分解釋放的能量；

　PdV——成礦系統(tǒng)對外界所做的功，也即泥炭礦體積擴(kuò)大所消耗的能量；

　　μ——化學(xué)勢，即單位物質(zhì)的量的含碳有機(jī)物使成礦系統(tǒng)內(nèi)能增加值。

根據(jù)拉瓦錫-拉普拉斯（Lavoisier-Laplace）定律，化合物的分解熱等于它的生成熱，而符號相反。也就是說，從二氧化碳和水經(jīng)光合作用合成碳水化合物所需要的能量，等于碳水化合物分解成二氧化碳和水釋放出的能量。只要測定分析出含碳物質(zhì)的形態(tài)，就可以確定含碳物質(zhì)中所含能量。再根據(jù)蓋斯定律，化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)，只取決于體系的始態(tài)和終態(tài)，與反應(yīng)進(jìn)行的中間過程無關(guān)，即含碳有機(jī)物的分解不管中間經(jīng)過多少步驟，最后的分解產(chǎn)物相同，所釋放出的能量也必然相同。雖然碳水化合物進(jìn)入成礦系統(tǒng)，在變成最后產(chǎn)物的過程中，經(jīng)過復(fù)雜的途徑并參與很多反應(yīng)，但所有這些反應(yīng)的熱效應(yīng)總和卻等于進(jìn)入成礦系統(tǒng)的含碳物質(zhì)完全燃燒的熱效應(yīng)。因此，只要測定出含碳物質(zhì)的實(shí)際燃燒熱量，就能確定其在體系內(nèi)分解所釋放的熱量，即成礦系統(tǒng)的變化是能量輸入、輸出總量的代數(shù)和。很顯然，一個(gè)成礦系統(tǒng)現(xiàn)存能量越高，表明其成礦能力越強(qiáng)。

（二）泥炭成礦作用的方向和限度

根據(jù)能量的不滅性和不可創(chuàng)造性原理，可以確認(rèn)泥炭成礦系統(tǒng)內(nèi)能變化與進(jìn)入泥炭成礦體系的含碳物質(zhì)攜帶的能量、含碳物質(zhì)分解釋放的熱量和體積膨脹做功之間的數(shù)量關(guān)系，肯定了成礦體系內(nèi)能的增加值是輸入含碳物質(zhì)所帶能量與分解釋放和體積膨脹做功消耗能量的代數(shù)和。但是，熱力學(xué)第一定律僅能從原則上告訴我們，高品位泥炭向低品位泥炭演化釋放的能量和低品位泥炭向高品位泥炭演化耗用的能量相同，高品位泥炭向低品位泥炭演化會伴隨熱量釋放，低品位泥炭向高品位泥炭演化則需要能量的補(bǔ)充，而自然界發(fā)生的任何變化都是不必借助外力的幫助而自動實(shí)現(xiàn)的，如熱自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，直到兩者溫度相同；氣體自發(fā)地從壓力大的方向轉(zhuǎn)移到壓力小的方向，直到兩者的壓力均衡為止；電流自發(fā)地從高電勢流向低電勢，直到兩者的電勢相等為止。對成礦系統(tǒng)來說，泥炭總是通過分解作用從高品位變?yōu)榈推肺唬钡侥嗵科肺慌c周圍環(huán)境相同為止。這些現(xiàn)象表明，自發(fā)過程單向趨于平衡，絕不可能自動倒向進(jìn)行，任何自發(fā)過程都是熱力學(xué)的不可逆過程。如果不通過補(bǔ)充能量方式，體系就不會從終態(tài)恢復(fù)到始態(tài)。那么，原本雜亂無章、分散分布的碳、氮、氫、氧等各種元素為什么會自動聚集形成層狀結(jié)構(gòu)明顯、聚碳和環(huán)境功能強(qiáng)大的泥炭礦體？成礦作用是在什么條件下自發(fā)地形成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的成礦系統(tǒng)，成礦系統(tǒng)未來會向什么方向發(fā)展，進(jìn)行到什么程度，則需要從非線性熱力學(xué)角度進(jìn)行分析和闡釋。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在封閉系統(tǒng)中，可逆過程微變化的熵變等于體系吸收的能量與吸收能量時(shí)的熱力學(xué)溫度之比。在不可逆過程時(shí)，微過程的熵變大于吸收熱量與熱力學(xué)溫度之比。在孤立系統(tǒng)中，系統(tǒng)和外界無熱量交換，所以熵變?yōu)?。就是說，在任何孤立體系內(nèi)發(fā)生不可逆變化時(shí)，體系的熵將增大，而可逆變化時(shí)熵不變，即體系處于平衡狀態(tài)。在一定條件下，體系熵達(dá)到最大的狀態(tài)，就是過程進(jìn)行的限度。由于天然自發(fā)過程都是不可逆過程，所以，孤立體系內(nèi)發(fā)生的任何自發(fā)過程或天然過程都是向熵增加的方向進(jìn)行。孤立體系的ΔS>0和ΔS=0，就是判斷一個(gè)孤立體系中某一過程能自發(fā)進(jìn)行的方向和限度的依據(jù)。

（三）泥炭礦層有序結(jié)構(gòu)

泥炭沼澤是一個(gè)與外界不斷交換物質(zhì)和能量的開放系統(tǒng)，泥炭成礦過程的演化方向和程度不僅取決于泥炭礦內(nèi)部各種不可逆過程產(chǎn)生的熵，也取決于泥炭礦與環(huán)境之間物質(zhì)能量交換帶來的熵變。根據(jù)Prigogine的理論，系統(tǒng)的總熵可以分解成系統(tǒng)與外界交換物質(zhì)能量引起的熵變（熵交換）與系統(tǒng)內(nèi)部各種不可逆過程所產(chǎn)生的熵（熵產(chǎn)生）：

dS=d_eS+d_iS

對上式積分，并應(yīng)用高斯公式，可以得到：

如果用J_s定義熵流，用σ定義熵產(chǎn)生，則：

將上面的微分式比較，可得熵流和熵產(chǎn)生表達(dá)式：

負(fù)熵流是系統(tǒng)邊界處由于物質(zhì)能量交換過程使系統(tǒng)熵減少的熵流。因?yàn)樨?fù)熵流可以使系統(tǒng)的熵減小，使成礦系統(tǒng)向有序的方向發(fā)展，通過上式，可以分析確定物質(zhì)能量輸入輸出對系統(tǒng)熵流的影響。在能量交換過程中，能量流入泥炭成礦系統(tǒng)：

α是能流j_q與面積元d∑的外向法線方向n 的夾角，能量流入使得cosα<0（π/2<α<π），所以引起正熵流。而能量通過熱輻射流出成礦系統(tǒng)：

因?yàn)槟芰苛鞒龀傻V系統(tǒng)使cosα>0（0<α<π/2），引起負(fù)熵流，導(dǎo)致成礦系統(tǒng)趨向穩(wěn)定。而含碳物質(zhì)流入成礦系統(tǒng)，使得成礦系統(tǒng)獲得負(fù)熵流，導(dǎo)致成礦系統(tǒng)朝有序方向發(fā)展：

α是物質(zhì)流j_i與面積元d∑外向法線方向n的夾角，因?yàn)榱魅胧沟胏osα<0。同樣，物質(zhì)流出成礦系統(tǒng)引起正熵流，導(dǎo)致系統(tǒng)趨向退化。

泥炭品位是成礦體系的宏觀性質(zhì)，是體系所有含碳質(zhì)點(diǎn)的個(gè)別性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)平均值。在沒有形成造炭植物前，大氣中的二氧化碳和環(huán)境中的水以及礦質(zhì)元素在成礦空間中隨機(jī)分布著，此時(shí)熵值最大。在太陽能作用下光合作用形成造炭有機(jī)物輸入泥炭地后，使泥炭地成礦系統(tǒng)獲得了負(fù)熵流，克服了泥炭成礦系統(tǒng)的熵產(chǎn)生造成的有序結(jié)構(gòu)退化，減小了泥炭成礦系統(tǒng)的總熵值，導(dǎo)致泥炭成礦系統(tǒng)向有序方向發(fā)展，含碳物質(zhì)相對聚集，所以就形成了泥炭地特有的有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)（圖2-2）。含碳物質(zhì)的分解造成含碳物質(zhì)向環(huán)境釋放輸出，導(dǎo)致成礦體系熵值增大。當(dāng)含碳物質(zhì)的分解輸出造成的熵產(chǎn)生超過因含碳物質(zhì)輸入引入的負(fù)熵流時(shí)，泥炭品位就會逐漸降低，最終單位質(zhì)點(diǎn)含碳量與環(huán)境含碳量達(dá)到平衡，熵值逐漸增至最大。

孤立系統(tǒng)和處在非平衡線性區(qū)的開放系統(tǒng)總是朝著均勻、無序、簡單和低級的方向演化，消滅自然界萬事萬物的差別，但是泥炭地發(fā)育和積累卻是一種由無序到有序、由低級到高級進(jìn)化演化的典型代表。造炭材料從最初雜亂無章的隨機(jī)分布到形成具有固定結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大功能的成礦體系，就是這樣一個(gè)由無序到有序、由低級到高級、由簡單到復(fù)雜的進(jìn)化方向。成礦體系的熵流導(dǎo)致系統(tǒng)向有序方向發(fā)展，熵產(chǎn)生導(dǎo)致成礦體系向無序的方向發(fā)展。成礦系統(tǒng)的趨向和限度取決于熵流和熵產(chǎn)生量的對比。當(dāng)熵流足以抵消熵產(chǎn)生時(shí)，意味著潛育沼澤將向泥炭沼澤演替。當(dāng)熵流與熵產(chǎn)生的比例進(jìn)一步提高時(shí)，富營養(yǎng)泥炭就可能演替為中營養(yǎng)和貧營養(yǎng)泥炭。成礦系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡條件下，借助外界的能流和物流而維持的這種時(shí)間空間的有序結(jié)構(gòu)就是耗散結(jié)構(gòu)。

四、泥炭成礦過程

泥炭成礦過程就是泥炭地中含碳有機(jī)物不斷積累的過程，在宏觀上表現(xiàn)出面積的擴(kuò)展和厚度的增加。由于泥炭厚度的增加直接帶動泥炭面積的擴(kuò)展，這里重點(diǎn)研究泥炭厚度增長過程。根據(jù)泥炭成礦系統(tǒng)各層位的物理化學(xué)特性和對泥炭物質(zhì)轉(zhuǎn)化所起的作用，將泥炭成礦系統(tǒng)劃分為上部的活性層（草根層）和下部的惰性層（泥炭）兩個(gè)分室。活性層地表生長造炭植物，固定大氣二氧化碳，然后以地上植物殘?bào)w和地下根系形式輸入活性層。進(jìn)入活性層的造炭原料，一部分被分解，轉(zhuǎn)化成二氧化碳釋放回歸到大氣中；一部分轉(zhuǎn)化成泥炭，移入惰性層。由于惰性層中的積水還原條件，微生物種群數(shù)量小、活性低，泥炭分解釋放的比例很低，大部分碳素被固定在泥炭中，減少了大氣二氧化碳的含量，這是泥炭成礦過程含碳物質(zhì)的基本流程，也是成礦作用能夠降低大氣中二氧化碳濃度、減緩氣候變暖的理論依據(jù)。

根據(jù)以上分析，在造炭物質(zhì)輸入、分解、轉(zhuǎn)化率保持恒定條件下，活性層中的有機(jī)質(zhì)和惰性層中泥炭的年變化率都是輸入與輸出之差（圖2-3）。

圖2-3中，x是單位面積活性層造炭物質(zhì)總量；y是單位面積惰性層泥炭總量；P是單位面積造炭物質(zhì)年輸入量，g/（m²·a）；a是造炭物質(zhì)年分解速率；ax是單位面積活性層造炭物質(zhì)年分解量；b是單位面積活性層造炭物質(zhì)向泥炭層的年轉(zhuǎn)移速率；bx是單位面積惰性層每年從活性層向惰性層轉(zhuǎn)移的造炭物質(zhì)量；c是單位面積內(nèi)惰性層泥炭的分解速率；cy是單位面積惰性層中泥炭的分解量。

假定上述各參數(shù)已知，代入公式，可以計(jì)算出一個(gè)泥炭礦體泥炭積累的全部過程。隨著相應(yīng)層位中的含碳物質(zhì)積累量的增加，分解量ax和cy逐漸增大，輸入量和分解量的差值越來越小，直到與輸入量逐步趨于平衡，達(dá)到給定條件下聚碳量的高峰（圖2-4）。

從圖2-4可以看到，無論是活性層還是惰性層，在泥炭成礦環(huán)境保持不變情況下，都會經(jīng)歷初期快速增長，中期速度逐漸減緩，最后趨于平衡的發(fā)展過程。這是因?yàn)樵诜e累前期，兩個(gè)層位中含碳物質(zhì)的現(xiàn)存量少，含碳物質(zhì)的分解量（ax，by）也小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能抵消含碳物質(zhì)輸入量，致使含碳物質(zhì)剩余量大，所以積累增長快速。隨著泥炭層中含碳物質(zhì)現(xiàn)存量的增加，分解量逐漸接近輸入量，輸入量與分解量之差越來越小，最后趨于平衡，當(dāng)泥炭礦中含碳物質(zhì)輸入量與分解量相等時(shí)，泥炭地即達(dá)到了平衡狀態(tài)，自此泥炭地進(jìn)入了泥炭積累階段。

活性層和惰性層中含碳物質(zhì)的積累量與含碳物質(zhì)輸入量成正比，與分解量成反比，但分解率對含碳物質(zhì)積累的影響更大。由于惰性層中的泥炭分解率有時(shí)可能低于10^-4，活性層含碳物質(zhì)的分解率卻大多達(dá)到10^-2，所以泥炭層含碳物質(zhì)積累量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泥炭化層，最深可能達(dá)到數(shù)米至20余米，而活性層含碳物質(zhì)積累厚度可能最多只能達(dá)到20～25cm。由此可見，含碳物質(zhì)積累量的高低取決于輸入量和分解量的組合，積累同樣重量泥炭既可能通過高輸入量和高分解率，也可能通過低輸入量和低分解率，輸入量和分解率的高低取決于聚碳條件。從圖2-5可以看到，不同參數(shù)組合的泥炭積累量的變化過程，含碳物質(zhì)輸入量越高，前期積累量上升越快。泥炭分解率越小，達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間越長，最終泥炭積累量越高。

從達(dá)到某一指定積累量所需時(shí)間計(jì)算公式可以看到，積累一定量含碳物質(zhì)所需時(shí)間只與含碳物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化有關(guān)，與含碳物質(zhì)的輸入量無關(guān)。分解速率越高，達(dá)到平衡所需的時(shí)間越短，因此含碳物質(zhì)的積累量就少。反之，降低含碳物質(zhì)分解速率，可以大大延長含碳物質(zhì)的積累時(shí)間，增加含碳物質(zhì)的積累量。一般地，草本泥炭活性層200年以內(nèi)就可以達(dá)到最大積累量，而惰性層卻需要至少3000年的積累時(shí)間。

泥炭積累過程可以劃分為起源期、擴(kuò)展期和穩(wěn)定期三個(gè)階段（柴岫，1990）。根據(jù)活性層和惰性層含碳物質(zhì)積累過程可以看到，泥炭沼澤從開始發(fā)育到活性層達(dá)到平衡狀態(tài)，標(biāo)志著泥炭礦的泥炭積累已經(jīng)正式開始，可以把這段時(shí)期確定為泥炭成礦的起源期。經(jīng)過起源期，泥炭積累的惰性層正式建立起來，每年從活性層轉(zhuǎn)移下來的含碳物質(zhì)進(jìn)入惰性層，由于惰性層的厭氧還原環(huán)境，含碳物質(zhì)分解進(jìn)一步降低，導(dǎo)致泥炭逐漸積累增厚，所以可以把活性層進(jìn)入平衡期到惰性層進(jìn)入平衡期這一階段定義為擴(kuò)展期。惰性層進(jìn)入到平衡期，意味著此時(shí)泥炭地每年輸入的含碳物質(zhì)和每年因?yàn)榉纸舛纳⒌暮嘉镔|(zhì)相等，達(dá)到一個(gè)動態(tài)平衡，即進(jìn)入穩(wěn)定期。進(jìn)入穩(wěn)定期的泥炭地，如同進(jìn)入60歲的老人，生命趨向衰亡。