成矿系统是复杂地质系统的一个重要子系统,其整体的演化遵循串级、崩塌-间断平衡相交替的分形动力学行为,并且最终归宿于自组织临界性的内禀属性,其时空行为服从自组织临界过程动力学特性。构造-流体-成矿系统是以构造和流体为主导,通过其内部要素及非线性相互作用过程在相关控矿要素作用下广泛而紧密地联系,并最终导致构造-流体-成矿系统产生自组织临界态。在该临界态下,小事件可引起系统的连锁反应进而可导致大规模事件的发生,大/小事件的内禀机制均起因于自组织临界动力学机制。自组织临界性理论所描述的事件规模与大小等总体特征不依赖于事件的微观机制,是典型的整体理论用于解决动态系统问题的一类数学模型。因而不同于一般的基于微分方程的复杂动力学过程模拟,方程中的参数被校准以重现特定的成矿过程,基于非线性理论和复杂性理论是从更一般的意义上探讨成矿系统的整体性质,而不去探究其具体的细节。非线性及复杂性理论尤其是分形/多重分形理论、自组织临界性、混沌等理论引入到成矿作用动力学、矿床学的研究之中,对揭示矿床形成的复杂动力学过程、成矿物质的迁移与富集规律具有重要的意义。对成矿系统而言,分形/多重分形模型可用于度量矿床的规模与个数、异常强度与异常个数、矿脉厚度与个数、脉体的长度与厚度关系、矿床品位与吨位等变量之间的非线性分布。这些成矿过程产物所表现出的自相似性和尺度不变性也证实了成矿系统的自组织临界过程。然而,分形模型多重在对现象表现形式的表达研究,其应用方式多描述现象的自相似性与尺度不变性,如矿床的聚集性、矿床与致矿地质异常的不均匀性与广义自相似性度量等。即使利用分形模型对成矿事件的最终产物的描述是意义重大的,然而我们对自然现象的主观认识主要还是基于对自然现象产生的过程与机理的理解。因而可借助于一些能反映真实系统的基本特征的简单的理想模型来研究复杂性成矿系统演化机理。当这些简单模型对于各种修正具有一定的稳健性时,便可把简单模型结论推广到真实系统,类比于研究地震自组织临界性的弹簧-滑块及滑坡自组织临界性研究的沙堆元胞自动机模型。元胞自动机在对复杂性系统的研究中侧重于从现象的机理和规律入手,其核心并不在于描述和解释各种现象的复杂特征。构建具有特定含义的元胞自动机模型来模拟和预测复杂性过程是揭示复杂性系统演化本质的关键,也正是复杂性系统研究所缺乏的。不同于一般的动力学模型,元胞自动机不受制于严格的数学方程,其元胞单元格通过一系列模型构造的规则而相互作用,进而展现动态系统的演化规律。元胞自动机模型的演化规则的制定对于合理再现现象内在演化规律至关重要。近年来,学者们提出了大量的构造-流体耦合作用下的成矿动力学机制和模式。本文在流体运移机制及断层阀模型基础之上,提取可用于元胞自动机构建的演化规则,进而数值化模拟研究构造-流体耦合作用下成矿流体上升运移、脉体形成及成矿元素富集过程的复杂性及自组织临界动力学特性。主要取得如下成果:(1)研究了断裂构造体系的自组织临界性,论文从两方面对断裂构造的自组织临界性进行了分析,一方面根据自组织临界性的在空间效应上的分形结构特性,介绍了矿区断裂系统规模的幂律分布特性,进而证明断裂系统的自组织临界特性;另一方面从数值模拟的角度分析断裂演化过程中的自组织临界性,在经典的地震及断裂演化的元胞自动机模型基础上,利用改进的Olami-Feder-Christensen(OFC)模型对岩体材料的各向同性、各向异性以及不同扰动强度对断裂的发生进行了讨论分析。结果表明在不同条件下,断裂规模分布会有一定差异,但都会表现出自组织临界的崩塌特性;(2)数值模拟构造-流体耦合作用下流体呈批次上升运移及脉体形成过程。论文在地壳流体上升运移的动力学机制的基础上,提取出流体沿已存断裂上升与捕获的几大基本要素,主要包括构造-流体耦合作用下断层构造的产生;流体在力的驱动下沿着断裂上升(主要考虑了浮力作用);断裂在流体通过后的关闭等。基于此建立元胞自动机模型,元胞单元格包含三个属性,即控制单元格破裂的应力、单元格中流体含量以及单元格中岩体密度。在以上设定条件下,制定模型演化规则:单元格中应力累积增加,模拟断裂生成过程;流体在浮力驱动下沿断裂单元格上升,流体只能从其断裂单元格运移到相邻的无流体填充的断裂单元格;每个断裂单元格在流体通过之后,断裂单元格恢复原始正常状态;流体上升到中性-负浮力面,发生捕获、冷凝进而形成脉体。结果表明,元胞自动机有助于重现流体上升和捕获的时空演化过程,模拟生成的脉体的时空分布的尺度不变性揭示了流体呈批次逐步累积上升以及脉体形成过程的自组织临界特性;(3)数值构造-流体耦合作用下成矿元素富集,生成金元素地球化学场。论文在断层带流体压力演化动力学机制以及断层阀模型演化的动力学机制基础上,建立构造-流体耦合成矿过程的元胞自动机模型。制定如下模型演化规则:单元格流体压力增加,假设流体压力增加主要受孔隙度下降(如断层压实、圧溶、断层愈合)及流体加入的影响;当单元格中的流体压力达到岩石破裂阈值,流体压力通过质量守恒原理平衡压力,直至所有单元格中的流体压力都低于破裂阈值;在岩体破裂时,渗透率为无穷大,孔隙压力骤减,流体包含的矿物质沉淀使破裂愈合进而降低断裂带渗透率,单元格中流体压力再次升高;重复以上过程。流体汇聚-应力集中-岩石破裂-压力骤降-元素沉淀的周期性过程导致矿质多期次重复沉淀最终富集成矿,在元胞自动空间中形成不均匀分布的地球化学场;研究结果表明,生成的元素地球化学场具有较高的空间自相关性以及多重分形特征,基于断层阀模型的流体压力诱发的成矿元素富集过程是一个自组织临界性过程,流体压力突降与矿质沉淀的周期性作用最终产生了复杂的具有多重分形特点的元素空间分布模式。论文的主要贡献在于:构建了构造-流体-成矿系统的元胞自动机模型及其参数选择过程,在压力、渗透率、密度等约束条件下,借助元胞自动机对构造-流体耦合作用下的成矿过程进行了动态模拟,分析成矿过程的自组织临界性,识别和刻画成矿流体运移、成矿元素的迁移与富集规律,为深入理解成矿过程的自组织临界性特供了新的思路和方法。