地質作用本質上是壹種物理化學過程，經常可以看到礦物中出現特殊的有序現象，如組分或相、原子、缺陷等，表現出壹定的規律性和周期性。根據體系環境的特征，礦物中的有序現象大致可分為以下幾類:①熔體中沈澱出的礦物有序現象，如斜長石和石榴石的振蕩帶和調制結構，電氣石和錫石的條帶等。(2)溶解結晶礦物中的有序現象，如石鹽分帶和方解石分帶；③水-巖作用形成的有序現象，如多邊蛇紋石的五重對稱性和粘土礦物中的層間結構；④膠體沈澱結晶礦物中的有序現象，如瑪瑙中的同心脈、方解石和赤鐵礦中的鮞狀結構、燧石結核等。⑤放射性作用形成的有序現象，如放射性元素衰變形成的鋯石帶、黃玉照射的條帶；⑥應力形成的有序現象，如應時粒子中的位錯環和位錯網，石灰巖和應時中的壓溶線(縫合線)，沖擊波作用下的礦物壓縮位錯；⑦淬火條件下(如淬火)的有序化現象，如單壹金屬或合金的溶解分異結構和準晶結構以及巖漿在水中噴發。因此，礦物的有序現象有不同的表現形式，如礦物化學成分分帶、同位素分帶、缺陷分帶、生長分帶等，從原子到大晶體帶，從結構面到結構層形態，從生長溶解到反應，從壹維空間到三維空間，從連續和不連續到過渡類型。
上述有序現象的形成過程是復雜的，傳統的熱力學相平衡，如溫度和壓力的變化，並不廣泛適用於解釋。比如衰變帶、縫合線、振蕩線，並不是簡單地由外界環境的周期性造成的，而是由系統中物理化學過程的非線性動力學行為造成的。這些周期性變化是系統中各個單元相互作用後自發形成的。這種非平衡狀態下內部過程的非線性動態的形成和維持需要耗散能量。
某些礦物中的自組織和有序現象是礦物處於非線性動力系統中時形成的。比如瑪瑙中同心線的形成，是由於SiO _ 2膠體與色素離子的動力學體系中SiO _ 2沈積的多晶性，是由Fe3 ++和Cr3 ++等色素離子的濃度振蕩和壹個化學勢閾值的存在引起的。當純SiO _ 2沈積時，色素離子在體系中積累。達到閾值後，色素離子參與SiO2沈積；然後系統處於色素離子缺乏和積累階段，從而形成瑪瑙同心紋；由於閾值的存在導致的跳躍，條紋之間的邊界清晰。同理，也可以解釋碳酸鈣、泥質和有機質之間同心鮞粒的動力振蕩，而不是壹般沈積學分析的水環境振蕩。再比如應力作用形成的位錯環、位錯網、位錯螺旋，本質上都是理想晶面在運動，這種運動方式的多態性是應力波造成的。當處於平衡狀態的礦物受到應力時，各個顆粒的化學鍵力會對外界應力產生反作用，因此顆粒上的外界應力會逐漸積累；當積累達到壹定閾值(如粘結強度)時，顆粒上的應力會突然釋放，同時顆粒發生位移，應力波發生壹次振蕩；如果應力集中在某壹面，礦物晶體就會滑移；因此，臺階滑移本質上是振蕩動力系統中礦點和應力的產物。如果顆粒擴散在應力波的推動下明顯發生，則出現壓溶“縫合線”。“縫合線”的不規則性可能來自阻尼振蕩。
礦物中的自組織現象是壹種非平衡有序結構，其形成的根本原因是非平衡條件下晶面成分對界面流體成分的非線性反饋作用。正是由於這種反饋效應，過飽和(積累)-成核-損失(不足)-再飽和(積累)的周期性重復，導致了礦物晶面的多晶特征。礦產循環也是壹個有序的辯證過程:無序→有序→混沌→高級有序；礦物有序的原因可以用耗散結構來解釋。
(2)李澤剛環帶的時空有序結構。
列色岡在化學實驗中發現，在某些介質中，當KI與AgNO3 _ 3反應時，形成的沈澱在適當的條件下可以呈現出周期性的空間分布規律，稱為列色岡環。這種現象在地質學上很常見，如瑪瑙環、結核環、球狀結構等。
除化學反應外，物質擴散的速率方程為:
其中:d是遷移介質的擴散系數；F(c)代表化學反應的速率。如果我們從壹個均勻的樣本開始，並假設在穩態下有波動α，那麽:
假設壹定的邊界條件，我們可以得到:。
負的時候會衰變，穩態保持穩定；如果是正的，項會隨時間增加，導致形成幾個波峰和波谷，形成濃度C的空間振蕩變化，即振蕩的空間組分分帶。
對於單個礦物晶體，其生長主要受三種效應控制，即界面反應、物質的擴散和輸運以及熱傳導。壹般來說，第三種效應對晶體生長的影響很小，而前兩種是導致晶體生長的主要控制因素。假設晶體由固溶體中的端元組分組成，晶體在非平衡條件下的反應生長可以導致多個穩態晶面的存在，在此基礎上的擴散控制生長可以導致振蕩礦物帶的出現，形成典型的時間有序結構。
線性穩定性的理論分析表明，曲線的QP段對應壹個不穩定狀態，所以化學體系會沿著圖4.1中P→P′→Q→Q′→P的軌跡運動。假設系統中某壹組分的空間平均濃度為x0。當X在晶面層中的濃度在某壹時刻低於x0時，X被晶體推回，在界面前堆積，於是它在靠近界面層的薄層中的濃度越來越高，於是晶面態沿著分支(1)向上移動，在Q點，對應的晶面態會突然從分支(1)跳到分支。在分支(2)中，當X > x0時，組分X優先進入晶體生長狀態，並沿分支(2)逐漸下降，然後系統突然從分支(2)跳回分支(1)，重復上述過程，從而形成晶體生長的振蕩環形帶(按時間順序)。
圖4.1化學系統的多重穩態
上述理論合理地解釋了李澤剛環和壹些振蕩結構的成因。說明巖石中壹些有規律的環狀或韻律結構，並不是外界環境變化造成的，而是系統內部固有的化學反應和擴散競爭的結果。結晶巖中的礦物帶不壹定反映溫壓條件的變化，沈積巖中的韻律也不壹定都是海水湍流、物質供給等因素造成的，而可能是系統在特定條件下形成的時空有序現象(自旋循環)。
(3)球狀巖和巖漿巖的韻律層理
在某些深成巖中，兩種礦物圍繞某些中心呈同心層狀分布，形狀為球狀或橢球狀結構，稱為球狀結構，相應的巖石稱為球狀巖石。這種結構分布在全球30多個國家，約有100個產地。球狀構造在花崗巖中最為常見，約占球狀巖石總量的43%。其次是閃長巖球狀巖石，約占30%。再次是輝長巖，占比15%。鉻鐵礦和超鎂鐵質巖石約占8%。球形巖石壹般由壹個球形核和圍繞核的有節奏的殼組成。其結構類似李澤剛環，直徑約5 ~ 30cm。有節律的同心殼層壹般相互平行，球狀結構多為雙組分矽酸鹽熔體從球心連續結晶的產物。
在巖漿巖中，不同顏色或粒度的礦物和巖石常呈帶狀出現，或深淺礦物和巖石逐層交替出現；或者粗粒結構和細粒結構的礦物與巖石逐層交替，使它們在巖石中呈條帶狀相互平行或接近平行。條帶狀構造主要發育在基性巖和超基性巖中。
(4)某些礦物中的韻律條帶狀結構。
1)雲母的帶狀結構:在花崗巖中，白雲母和黑雲母形成有節律的條帶狀或環狀結構。如中國四川偉晶巖的白雲母條帶狀構造，其特征是白雲母和黑雲母在(001)晶片上交替排列的同心分帶。其晶核為白雲母，外圍由不同寬度(0.05 ~2mm)的黑雲母和白雲母條帶組成。黑雲母和白雲母交替生長的結合面是各平行晶面(001)。
2)條紋長石:鉀長石-鈉長石和鉀長石-斜長石系統中的條紋長石是人們非常熟悉的。在深成巖或普通花崗巖中，條紋長石是由熔融結晶形成的。火山噴發巖中的斜長石斑晶中也有斜長石和鉀長石的韻律條帶。此外，還有由鈉長石和微斜長石組成的條帶狀長石，每個環帶由兩個次生環帶組成。有些樣品中有75條以上的條帶。
3)瑪瑙:瑪瑙是由隱晶質應時組成的環狀集合體。每壹層帶的成分和顏色都不同，並呈現周期性變化。瑪瑙區通常由薄的褪色區和無色區混合而成。無色區由螺旋生長的貧鋁應時纖維組成，而褪色區由非螺旋生長的應時纖維組成。螺旋應時光纖和非螺旋生長的應時光纖在光學性質和結構上有很大的不同，它們是兩種不同的相位。
4)斜長石完全混溶固溶體的振蕩帶狀結構:斜長石晶體中有豐富的帶狀結構。尤其在中性斜長石中，帶狀構造最為發育。斜長石是由鈉長石和鈣長石組成的完全類質同象系列礦物。在這個區域的節奏中有壹個突然的變化，界限很清楚。鈣長石的含量從核心向邊緣波動。
5)礦物晶體中微量元素的振蕩帶:微量元素的振蕩帶常出現在巖漿或熱液成因的礦物中，如輝石礦物，常發育成環狀結構。樣品的離子探針分析表明，Sc、Ti、V、Cr、Sr和Zr等元素的濃度在較大範圍內形成周期性振蕩帶。晶體生長實驗證明，方解石晶體中微量錳的振蕩帶是自激自組織的，並在陰極電子激光顯微鏡下拍攝了方解石晶體中明暗帶交替的照片。
6)鈣球和鮞粒:鈣球是壹種產於石灰巖中的沈積球狀巖石。它是由泥晶方解石和白雲母方解石重結晶分異形成的。在巖石和礦石中，許多礦物往往具有同心層狀鮞粒結構，其特征是有壹個成核中心和壹個生長在核周圍的同心層。直徑範圍約為0.1 ~ 2 mm，同心層由幾個到近百個組成結構不同的節律帶組成，節律帶的振蕩波長為10-2 ~ 10-4 mm。
(5)粘土礦物和稀土礦物中結構單元層的混合層。
在交代結晶過程中，粘土礦物的結構單元層中常出現規則或不規則的混合層。混合層通常由兩層不同的礦物沿C軸堆疊而成。綠泥石-葉蠟石是由具有二面體和八面體的綠泥石和具有八面體的葉蠟石沿C軸方向交替堆積而成的壹種混層礦物。高分辨電子顯微鏡觀察表明，葉蠟石與綠泥石之間的規則混合層是在晶體生長過程中形成的。鈉金雲母是壹種非周期性混合層礦物，由沿C軸交替堆疊的滑石和鈉黑雲母組成。滑石和黑雲母交替結晶，向(001)面傾斜生長。壹些累托石和稀土碳酸鹽礦物也由規則和不規則混合層組成。
(6)含綠泥石的石蠟油
綠泥石之間的葉蠟石晶體在各晶體層內始終保持著類似平衡結構的原子級有序，晶體層間可以有局部的結構連續性，可稱為分子水平的自組織有序結構。分子水平的自組織有序結構有確定的結構式，可以證明它屬於獨立礦物物種特有的規則層間衍射花樣，在分子尺度上有振蕩周期。因此，它是介於平衡結構和宏觀時空有序結構之間的壹種獨特的熱力學結構狀態。在高分辨電子顯微鏡下觀察到，在葉蠟石和綠泥石間葉蠟石的晶疇邊緣，分別有1 ~ 2條綠泥石鋰(1.42 nm)和葉蠟石(0.92 nm)晶帶。它們都嚴格平行於其晶疇的晶格晶粒，不存在相互置換或形核生長的現象。這是晶體(晶疇)結晶過程中，生長面附近溶液中各組分濃度振蕩引起的微分凝聚現象。總之，綠泥石之間的葉蠟石晶體屬於分子水平的自組織有序結構，是過飽和含鋁矽酸鹽溶液在非平衡、非線性條件下在兩個晶體層間的結晶產物。
(7)玄武巖柱狀節理自組織現象的解釋。
玄武巖柱狀節理是玄武巖中發育的壹種原生拉伸斷裂構造，其形狀常為正多邊形長圓柱體，壹般為六邊形。東加州的魔鬼驛站(Devils Postpile)和愛爾蘭的西恩特堤道(Ciant's Causeway)都有舉世聞名的玄武巖柱狀節理構造。我國許多玄武巖分布區(如南京六合的桂子山、福建鎮海的牛頭山、雲南騰沖的團田)也發育有壹定規模、形狀非常規則的柱狀節理。
地質學家認為柱狀節理是巖漿冷凝過程自組織形成的。當巖漿在凝結過程中瑞利數大於臨界值(657.438+0)時，巖漿發生貝納爾對流，形成六邊形網格對流胞。當冷卻繼續時，熔巖本身的能量不足以克服巖漿中的粘滯力，於是對流停止。此時巖漿中每個對流環內各部分的密度明顯不同，六角形對流胞的中心密度很小，沿法線依次向外上升。因此，壹旦對流停止，熔巖必然會平衡其密度，從而形成冷縮中心，冷縮中心的位置與原來的對流中心重合，必然會在原來對流格局的每個六邊形邊上產生裂縫，從而造成兩條裂縫。柱狀節理是由無數組相互交叉成120且規則分布的受拉節理形成，自上而下逐層凝結收縮而成。如果巖漿成分和冷凝速率存在不均勻性，就會形成非六邊形網格的多邊形柱狀節理。
(8)花崗巖球狀結構自組織的解釋。
壹些火成巖，如花崗巖、花崗閃長巖、閃長巖甚至基性侵入巖，有時含有球狀結構的卵形體。球形花崗巖由許多球體組成，球體直徑壹般在幾厘米到1m之間，內部由明暗相間的同心礦物環組成。地質學家利用耗散結構理論和貝納爾對流模型研究花崗巖球狀結構形成的動力學機制。認為當瑞利數超過臨界值時，均質巖漿不穩定，形成耗散結構。如果在推導過程中假設巖漿頂面為向上突起的半球形，那麽形成的構造就是壹個自組織結構，其中心周圍有壹個節律環。
(9)成巖過程中自組織現象的反饋機制類型和分類。
自組織現象的形成必須具備自反饋機制和不平衡、非理想、非線性的條件。可以認為，自組織是系統在遠離平衡態時，從所有漲落產生的有序模式中選擇壹種，並將其放大增強成為宏觀可識別的有序現象的能力。自反饋是強化、放大漲落、引起穩態不穩定性、形成穩定的宏觀有序結構的關鍵環節，因此巖石中的自組織現象可以根據自反饋的類型進行分類。主要的自反饋機制和相應的自組織現象見表4.1。
表4.1自反饋機制和相應的自組織現象
繼續的
(10)自組織現象的研究方法
巖石中的自組織現象可以在不同的時間和空間尺度上以不同的順序出現，比如從礦物中成分的振蕩分帶到地幔對流。研究成巖過程中的自組織現象的任務是揭示巖石中這些有序現象的形成機制，從而闡明成巖過程的內在機制。因此，首先需要對巖石進行細致的野外和室內工作。通過深入細致的觀測，可以了解巖石中自組織現象的宏觀和微觀(甚至超微觀尺度)特征、分布的時空尺度和形成的物理化學條件。自組織現象的研究可以加深對巖石成因的認識，主要是因為它可以促使地質學家進行更深入細致的觀察，進壹步認識各種巖石和巖石中不同礦物之間的內在聯系和依存關系，深入分析成巖過程中各種理化參數之間的內在聯系，建立不同時空尺度上的成巖過程整體模型。將自組織理論應用於巖石學研究的總體思路包括以下四個方面:系統的物質組成、地質作用的類型、地質作用的過程和地質作用產物的時空結構。具體研究過程包括以下步驟:
1)系統。這是自組織理論應用的前提，即通過詳細的巖石學、礦物學、地球化學等研究成果結合區域巖石學和構造學，確定成巖過程的復雜性(非線性、非理想性)、開放性和不平衡性。
2)找到巖石中的自組織現象，進行靜態分析。這是研究中的關鍵環節。在勘探過程中，要特別註意發現和分析帶狀、環狀、層狀構造、韻律構造、魚狀、豆狀、結節狀、環狀構造和壹些不規則構造。在進行靜態分析時，我們應該特別找出那些用傳統地質理論不能滿意解釋的特征。
3)建立動態模型，對時空自組織現象進行動態分析。建立動力學模型，用分岔理論對有序時空自組織現象進行宏觀和現象化分析，用漲落理論研究自組織現象的微觀成因和動力學機制。在建模之前，有序的時空結構和微觀機制(如反應、擴散、滲流、溶解等。)壹定要認真分析篩選，找出關鍵機理；建模遵循“先易後難”的原則，模型分析壹般先采用穩定性分析和奇異攝動分析，因為這兩種方法不需要求解具體的動力學方程就能大致了解模型可能的結果；最後，對模型進行數學分析，並將模擬結果與地質實際進行對比，進而對模型進行修正。
4)模型驗證，包括野外驗證、計算機數值模擬和實驗驗證，並利用該模型解釋和預測地質過程中各種現象和有序結構的成因。