非线性科学在地球科学中的应用

本文介绍了耗散结构理论、分形理论和混沌理论等非线性科学在地球科学中的研究进展,分析了非线性科学在地球科学中的地位和作用,探讨了将非线性科学引入地球科学的途径和方法。     

现代地球化学的理论思维结构

地球科学和地球化学的进展,不但加深和扩大了对地球的认识和理论成果,同时也总结提炼出了全新的科学思维方法。复杂性理论和系统思维是科学认识论的一次飞跃。现代地球化学建立了较完整的理论和方法体系,给地质科学认知地球提供了依据和支撑。作者论证了系统思维和逻辑演绎法相结合的思维方式,是研究和认识地球复杂巨系统以及推动地球科学理论创新的指导思想,并提出了运用现代地球化学理论构架和方法体系,综合地球科学系统思维与逻辑思维相结合方向的地球化学认知模型,为深入研究地球物质能量系统的行为和解决人类面临的资源、环境和灾害问题提供新的思路。     

混沌理论及其在地学中的应用前景

混沌理论作为一种普适性很强的新理论，在地球科学中的应用日前广泛，其意义已渐为人们所认识和关注。本文介绍了混沌在地球中的部分应用，认为混沌理论开阔了人们研究地学中复杂问题的思路；同时，地学中一些重大问题的解决也必将丰富和混沌理论。     

统一构造理论初探

以地球系统科学为指导思想,提出统一构造理论的新观点和理论基础,初步建立了理论体系框架。提出统一引力场表示理论,用Ｎｅｗｔｏｎ位算子将地球内、外扰动引力场统一。通过对地球不同圈层水平速度矢量场的对比分析,提出不同圈层的水平运动速度矢量场具有高度的相似性和统一性,且与地球自转密切相关的认识。根据观测数据,探讨板块的统一动力源。研究了幔柱构造特征,提出地幔热柱构造的动力学模型。利用积分关系法求出地表热流与岩石圈厚度的关系,提出大陆岩石圈的统一热模式和大陆地表热流经验关系式。     

关于当代地球科学发展趋势的点滴认识

面对资源、环境、人口、地质灾害等人类的生产、生活乃至生存的严峻危机，需要我们掌握地球内部的客观规律，不断更新和寻找地球科学理论和新的思维方式，掌握地球科学发展趋势，以协调好人与自然、人地关系及社会经济和可持续发展理论，造福于人类。     

混沌理论及在水科学中的应用与存在的问题

在简要介绍表征系统混沌特征常用方法的基础上,认为混沌理论在水科学中的应用主要集中在水文时间序列性质的判定和非线性预测模型研究上,并就这两方面的国内外研究进展进行了综述。通过对其应用中存在的主要问题:延迟时间的确定、数据量大小、噪声等进行分析和讨论,认为水科学问题中混沌的假设是合理的。但对于任何有限长度和受噪声干扰的时间序列来说,严格判定其相空间是确定性系统还是随机系统几乎是不可能的,纯粹的混沌和纯粹的随机都只是数学上的一种理想状态。因此,对于所研究的水科学问题是否存在混沌现象,仅采用单一的方法所取得的结论,不能作为判定依据,而仅表明可能存在混沌特征。所以有必要采用多种研究方法,综合刻划某一水科学问题中的混沌迹象,判定该序列是以混沌成分为主还是以随机性成分为主。提出分形上的混沌动力系统以及混沌与神经网络相结合的方法,可为水科学问题的研究能提供一些新的思路。     

浅议学科交叉与地球系统科学

以整体系统的观念认识地球 ,强化学科间的交叉与渗透 ,是 2 1世纪初地球科学发展的主题。各国都十分重视推动学科交叉研究 ,并将学科交叉分为Modidisciplinary、Interdisciplinary、Transdiscipli nary三个层次。地球系统科学的两大前沿为“地球系统的联系”和“地球系统的演化” ,2 1世纪地球科学的突破在于地球系统变化理论的形成。笔者指出 :目前 ,我们的观念还跟不上地球科学的发展 ,尤其是“学科交叉”的理念不强 ,缺乏地球系统科学的思维 ,但我们有开展地球系统科学研究的有利条件     

混沌时间序列支持向量机模型及其在径流预测中应用

以重构相空间理论为基础,探讨了混沌时间序列的支持向量机预测模型建模的思路、特点及关键参数的选取。利用饱和关联维数法进行相空间重构,并运用改进小数据量法计算最大Lyapunov指数,对宜昌站月径流时间序列进行混沌特性识别。在运用混沌时间序列的支持向量机模型对月径流预测的应用中,引入了径向基核函数,简化了非线性问题的求解过程。实例表明,该模型能较好地处理复杂的水文序列,具有较高的泛化能力和很好的预测精度。     

地球科学中的创见与发现及创造性思维规律

创见与发现是创造性思维的一种表现。物体落地,人所共见,惟独伽利略由此发现落体的等加速运动,牛顿由此发现地球的引力;任何自然现象都是活化人类头脑和诱发创造性思维之源泉。创造性思维是上智,是举一反三或闻一知十的能动性推理,尤其是地球科学的特殊性,涉及时间和空间的尺度因素,远远超越人类的经验,缺乏创造性思维来研究地球,就好比“盲人摸象”;因此,高度的科学推理就成为地球科学创造性思维的主要逻辑特征。     

地球磁极倒转的分形混沌研究

地球磁场多次发生南北(正负)磁极位置的变换,这已为大家所公认。但造成这种异常现象的原因,则是迄今未能很好解答的一个难题。应用分形混沌理论对地球磁极倒转进行了分析,认为发生地球磁极倒转时间段在时间轴上具有分形分布的性质;地球磁场系统通过不断与外界交换物质和能量,维持一种空间或时间的有序结构。地球磁场极性的随机倒转具有混沌运动的自逆转特性,混沌理论给地磁极性倒转提出了一个简明的动力机制解释。     

虚拟现实技术及其在地球科学中的应用

虚拟现实技术以其具有的沉浸感、交互性、实时性、构想性等特点而越来越为广大地学工作者所关注。本文首先介绍了虚拟现实系统的组成,之后综述了近几年国内外地球科学部分领域应用虚拟现实技术的研究文献。与传统方法相比,虚拟现实技术在很大程度上提高了科学研究的效率,能提供更丰富的可视化和交互环境,使科学家能够操纵多达GB甚至TB级数据,以一种身临其境方式来对研究对象进行观察、分析和实时操作,而无需科研人员到达现场。通过虚拟现实系统,能将尽可能多学科的数据放到同一个环境下,增强科研人员研究问题的深度和广度,避免得出错误结论。同时能重塑不可再生资源,避免了在科学研究的同时对其造成的破坏,有助于科学知识在公众中的传播。与西方发达国家相比,我国的（沉浸式）虚拟现实技术在地学领域的应用还处在起步阶段,在拥有大量高精度LiDAR地形数据的活动构造等领域亟待引入该项技术,以一种全新的视野来重新审视地球科学研究,并推动该学科在未来的发展。     

空间信息技术的发展及其在地球科学中的应用

空间信息技术有两个分支：其一是空间图形信息技术,即地理信息系统（ＧＩＳ）;其二是地质统计学。两种技术在本质上是相通的。ＧＩＳ的核心是建立图形元素的拓扑关系与建立空间数据库与属性数据库的联动关系。正是立足于这两个重要关系,使对千变万化的地学图形信息进行灵活高效的编辑、检索与显示成为可能。在迄今为止所有的计算机应用系统中,ＧＩＳ无疑将在地学中产生最重要的影响。地质统计学是一种空间数字处理技术,它是传统统计学的空间版本。用包含多元统计学的传统统计方法研究地质问题存在严重的缺陷,因为传统统计学忽略变量的空间存在,而地质过程具有强烈的空间性。地质统计学恰恰是立足于变量的空间关系发展起来的统计科学,因此它特别适用于地球科学。正如空间图形与空间数字可以相互转换一样,两种空间信息技术也存在内在的关系。利用ＧＩＳ与地质统计学这两种空间信息技术,使我们能不断地在空间图形与空间数字这两种状态间穿越。空间信息技术为地质学家在进行矿产资源预测、物化遥数据分析、地质环境评价、地质灾害评价与矿产资源管理等方面提供了强有力的工具。空间信息技术特别适合于地球科学,它不仅能大幅度地提高地球科学对图形的编制和研究的效率和水平,而且也将转变传统的?     

GEO LOGIC

Let me begin by outlining the role of this column. It is aimed at European geoscientists who use personal computers. Rather than duplicating what is already discussed in the hundreds of computer magazines that can be found at any newsagent, I will concentrate on those products and services that have a particular application in the Earth Sciences. This is not to say that only those products with a specific Earth Science application will be discussed. Instead, anything that a practising geoscientist might find useful will be a candidate for review; a software package for compiling reference lists in the many styles demanded by different journals would be an example. The column will devote itself to products for IBM-PC and Mac users. I apologise in advance for the UK perspective offered in the first few articles; this reflects my ignorance of the European scene and the difficulties I have faced in overcoming it. I look forward to feedback from continental geoscientists who, I hope, will bring me up to date regarding the truly European picture.     

论全球性中-新生代陆内造山作用与造山带

对不同类型造山作用与造山带的深入剖析,在现代地学研究中占有重要的位置。迄今对造山带类型划分以及陆内（ 板内） 造山带是否存在及其形成机制问题,尚有不同认识。文章在阐明造山带分类准则的基础上,将全球性中－ 新生代造山带划分为陆缘型、陆间型与陆内型三大类。对陆内造山带则划分出发育在前寒武纪古克拉通基础上、发育在前中生代陆缘、陆间造山带基础上两种类型。文内还对全球性中－ 新生代陆内造山作用与造山带的展布特点、形成机制及其大陆动力学意义进行概括论述     

Linked Geoscience Data in practice: where W3C standards meet domain knowledge,data visualization and OGC standards

The geoscience community is now facing both the challenge and the opportunity caused by the vast amount of datasets that can be made available on the Web. An efficient “data environment” on the Web has the potential to enable geoscientists to conduct their research in ways that never existed before. Standards developed by the Open Geospatial Consortium have already been used widely to build data services among different subjects in geosciences. In recent years, the Linked Open Data approach initiated by the World Wide Web Consortium has received increasing attention. In this paper, the author presents a pilot study that uses a domain specific knowledge base and data visualization techniques to leverage the functionality of geoscience data services in the Web of Data. The study focuses on the topic of the geologic time scale. Detailed works such as semantic modeling and encoding, multilingual vocabularies, exploratory data visualization, web map service and processing, and the query of linked data are introduced through real-world datasets. This study faces a broad perspective of the Linked Geoscience Data and leverages the functionalities of existing standards into a new level for geoscience applications.     

Theory and Practice in Mathematical Geology—Introduction and Discussion

Mathematical geology has developed into a very diverse system of mathematical models, algorithms and corresponding software. Experience shows that this diversification of approaches and methods was and is accompanied by an increasing gap between the availability of powerful tools and the continuation of many traditional working methods in the geosciences. Besides continuing to develop models, one of the basic functions of mathematical geology should be to introduce all new tools into practice and to aid non-specialized geoscientists to use them successfully and without bias. Some ways to do so will be briefly discussed here. Instructive and intelligible contributions towards attaining this goal were presented at the last (32nd) International Geological Congress held in Florence, Italy, in 2004. The intention of this present compilation is to suggest relevant discussions and conclusions. Mathematical geology should not be the domain of a few experts. It should be made accessible to all geologists and scientists in related fields.     

岩石圈研究的重要问题与研究方向

岩石圈研究是８０年代和９０年代国际地球科学研究的前沿课题。地球４６亿年的历史记录有９５％都保存在大陆岩石圈中。大陆和大陆边缘岩石圈的研究最具挑战性吸引力。文中笔者简述了研究岩石圈的现代地球物理方法技术,岩石圈研究已取得的重大进展,全球地学断面图的编制和综合研究,大陆动力学热点研究,大陆科学钻探工作,岩石圈生物圈计划,同时介绍了青藏高原的研究状况。青藏高原是全球地球科学家从事研究的最佳野外实验室,它的隆升对亚洲及全球都有重大影响。