地质作用的自组织临界过程动力学——地质系统在混沌边缘分形生长

笔者对复杂性科学中的自组织临界性、瞬态混沌、混沌边缘和弱混沌四大理论和研究领域就其发展现状和最近动态作系统和深入的剖析后得出结论 ,认为以上四者是对自然界中开放、远离平衡、相互作用的巨大耗散动力学系统的时空演化这个统一事物的本质的面面观。笔者进一步将四者的相互关系归纳成一个重要的命题 :自然界中开放、远离平衡、相互作用的巨大耗散动力学系统的时空演化服从“自组织临界过程动力学” ,并且系统“在混沌边缘分形生长”。地质系统是自然界中的一种既十分重要 ,又异常复杂的开放、远离平衡、相互作用的巨大耗散动力学系统。它具有自组织临界性的内禀基本属性。它的时空行为服从地质作用的自组织临界过程动力学。地质系统位于有序和混沌之间的过渡时空域 ,即混沌边缘 ,其中系统呈规则与混沌运动并存和混合的弱混沌动力学状态 ,并且地质系统在混沌边缘分形生长。将上述命题演绎和整合成一种广泛适用于地质系统的地球科学的复杂性理论 ,名之为 :“地质作用的自组织临界过程动力学———地质系统在混沌边缘分形生长” ,并将其内容归纳成 6部分 :(1)自组织临界性、瞬态混沌、混沌边缘和弱混沌 ;(2 )多组分的耦合与相互作用及其相干与协同 ;(3)演化过程的分形动力学 ;(4 )作用的时空结构 ;(     

地质作用的自组织临床界过程动力学：地质系统在温沌边缘分形生成（下）

笔者对复杂性科学中的自组织临界性、瞬态混沌、混沌边缘和弱混沌四大理论和研究领域就其发展现状和最近动态作用的巨大耗散动力学的时－空演化这个统一事物的本质的面面观。笔者进一步将四者的相互关系归纳成一个重要垢例题：自然界中开放、远离平衡、相互作用的巨大耗散动力学系统的时－空演化服从“自组织临界过程动力学”并且系统“在混沌边缘分形生长。”地 自然界中的一种既十分重要,又异常复杂的开放、远离平衡、相互作用的     

成矿动力系统在混沌边缘的分形生长——一种新的成矿理论与方法论

笔将复杂性理论及非线性科学与矿床地质学相结合,对我国扬子古陆周缘6个矿集区的基本范式进行系统研究。结果指出,成矿系统总体上是开放、远离平衡、时－空延展的动力学系统。它们具有复杂性和自组织临界性的内禀基本属性,并且在混沌边缘分形生长。     

大型矿床和成矿区(带)在混沌边缘

笔者将复杂性科学和矿床地质学相结合提出了一种新的金属成矿理论———“金属成矿动力系统的复杂性与自组织临界性”,并应用这一理论研究扬子古陆周缘四大成矿区带的矿床成因与成矿规律,发现“大型矿床和成矿区带在混沌边缘”。文章在概述“金属成矿动力系统的复杂性与自组织临界性”的理论纲要与噪声、混沌和混沌边缘基本概念的基础上,提出地质成矿系统在混沌边缘的四条判定准则：Ⅰ．自组织临界性的标志———广义地质学（地质学、地球物理学、地球化学）场（温度、流速、浓度、压力等场）的场量之时空幂律分布———及其基本属性：（１）长程时空关联与连通性及时空分形结构;（２）崩塌动力学;（３）“元胞自动机”的动力学机制;（４）自组织临界性涌现于“混沌边缘”,并具有最大的复杂性、演化性和创新性。Ⅱ．地质成矿过程向时间混沌及地质成矿系统向时空混沌的演化。Ⅲ．岩浆和热液“孤子”、“孤波”与“相干结构”以及其它弱混沌“拟序结构”。Ⅳ．超临界地质流体参与地质成矿作用。笔者进一步提出金属成矿动力系统的复杂性与自组织临界性的三大基础理论：（１）地质成矿过程的非线性动力学———应用非线性动力学理论研究矿床和矿集区形成的动力学机制;（２）“地质成矿作用与时空结?     

成矿动力系统在混沌边缘分形生长——一种新的成矿理论与方法论(上)

“成矿动力系统在混沌边缘分形生长”理论是笔者将复杂性理论及非线性科学与矿床地质学相结合 ,对中国扬子古陆周缘六个矿集区的基本范式进行长期系统研究所取得的总结性成果。研究指出 ,成矿系统总体上是开放、远离平衡、时空延展的动力学系统。它们具有复杂性和自组织临界性的内禀基本属性 ,并且在混沌边缘分形生长。该理论以“地质作用与时 空结构是一切地质现象的本质与核心”的自然哲学理念作为根本立足点 ,建立起一种具有普适性的理论框架。然后进一步将其具体化为三大组成部分 ,即 ( 1)矿床的动力学属性 ,( 2 )矿床地质学场 ,( 3 )成矿系统的演化。体现了成矿作用 (其核心为成矿作用动力学 )、空间结构 (矿床地质学场 )和时间结构 (成矿系统的演化 )三位一体的整体耦合与交织 ,从而又使该理论具有包容性。在此基础上进而归纳出“成矿动力系统在混沌边缘分形生长”的 5项判定准则以及表征这些准则的 10项相应的动力学行为特征。最后笔者提出“矿质局部活化导致成矿的发生”的命题 ,拟定了“成矿的发生”的重要科学问题 ,以“元胞非线性网络”(CNN)作为复杂性的范式 ,定量揭示成矿的发生 ,并对矿床在混沌边缘作精确定位 ,对“成矿动力系统在混沌边缘”理论作进一步的延伸、深化与发展。该理论在矿?     

成矿动力系统在混沌边缘分形生长——一种新的成矿理论与方法论(下)

:“成矿动力系统在混沌边缘分形生长”理论是笔者将复杂性理论及非线性科学与矿床地质学相结合 ,对中国扬子古陆周缘六个矿集区的基本范式进行长期系统研究所取得的总结性成果。研究指出 ,成矿系统总体上是开放、远离平衡、时空延展的动力学系统。它们具有复杂性和自组织临界性的内禀基本属性 ,并且在混沌边缘分形生长。该理论以“地质作用与时 空结构是一切地质现象的本质与核心”的自然哲学理念作为根本立足点 ,建立起一种具有普适性的理论框架。然后进一步将其具体化为三大组成部分 ,即 ( 1)矿床的动力学属性 ,( 2 )矿床地质学场 ,( 3 )成矿系统的演化。体现了成矿作用 (其核心为成矿作用动力学 ) ,空间结构 (矿床地质学场 )和时间结构 (成矿系统的演化 )三位一体的整体耦合与交织 ,从而又使该理论具有包容性。在此基础上进而归纳出“成矿动力系统在混沌边缘分形生长”的 5项判定准则以及表征这些准则的 10项相应的动力学行为特征。最后笔者提出“矿质局部活化导致成矿的发生”的命题 ,拟定了“成矿的发生”的重要科学问题 ,以“元胞非线性网络”(CNN)作为复杂性的范式 ,定量揭示成矿的发生 ,并对矿床在混沌边缘作精确定位 ,对“成矿动力系统在混沌边缘”理论作进一步的延伸、深化与发展。该理论在?     

大型矿床和成矿区(带)在混沌边缘

笔者将复杂性科学和矿床地质学相结合提出了一种新的金属成矿理论———“金属成矿动力系统的复杂性与自组织临界性”,并应用这一理论研究扬子古陆周缘四大成矿区（带）的矿床成因与成矿规律,发现“大型矿床和成矿区（带）在混沌边缘”。文章在概述“金属成矿动力系统的复杂性与自组织临界性”的理论纲要与噪声、混沌和混沌边缘基本概念的基础上,提出地质成矿系统在混沌边缘的四条判定准则：Ⅰ．自组织临界性的标志———广义地质学（地质学、地球物理学、地球化学）场（温度、流速、浓度、压力等场）的场量之时空幂律分布———及其基本属性：（１）长程时空关联与连通性及时空分形结构;（２）崩塌动力学;（３）“元胞自动机”的动力学机制;（４）自组织临界性涌现于“混沌边缘”,并具有最大的复杂性、演化性和创新性。Ⅱ．地质成矿过程向时间混沌及地质成矿系统向时空混沌的演化。Ⅲ．岩浆和热液“孤子”、“孤波”与“相干结构”以及其它弱混沌“拟序结构”。Ⅳ．超临界地质流体参与地质成矿作用。笔者进一步提出金属成矿动力系统的复杂性与自组织临界性的三大基础理论：（１）地质成矿过程的非线性动力学———应用非线性动力学理论研究矿床和矿集区形成的动力学机制;（２）“地质成矿作用?     

复杂性科学在页岩油气勘探和研究中的应用

复杂性科学是当今世界科学重要的前沿领域之一。为了促进复杂性科学的基本理论和方法在页岩油气勘探和研究领域的广泛应用,笔者等重点围绕地质系统复杂性的基本内涵,从地质系统构成单元的多重耦合和相互作用、地质作用的复杂时空结构、地质作用过程中的自组织临界过程动力学以及矿产资源形成在混沌边缘等方面,介绍了地质系统复杂性研究的基本理论和研究方法。将上述地质系统复杂性理论运用于页岩油气系统,探讨了利用复杂系统的总体特征通过局域组成单元相互作用的“涌现”机制,来解决目前页岩储层中存在的如何利用微观局域精细表征进行客观刻画宏观储层特征问题;分析了利用地质作用的时空结构理论,建立页岩储层非均质性的静态和分形时空结构的方法;在整体论思想指导下,根据地质系统在混沌边缘分形生长这一规律,探讨了页岩油气在自组织临界态的混沌边缘富集预测方法。复杂性科学的理论和方法,必将在页岩油气的勘探研究中发挥越来越重要的作用。     

复杂性科学在页岩油气勘探和研究中的应用

复杂性科学是当今世界科学重要的前沿领域之一。为了促进复杂性科学的基本理论和方法在页岩油气勘探和研究领域的广泛应用，笔者等重点围绕地质系统复杂性的基本内涵，从地质系统构成单元的多重耦合和相互作用、地质作用的复杂时空结构、地质作用过程中的自组织临界过程动力学以及矿产资源形成在混沌边缘等方面，介绍了地质系统复杂性研究的基本理论和研究方法。将上述地质系统复杂性理论运用于页岩油气系统，探讨了利用复杂系统的总体特征通过局域组成单元相互作用的“涌现”机制，来解决目前页岩储层中存在的如何利用微观局域精细表征进行客观刻画宏观储层特征问题；分析了利用地质作用的时空结构理论，建立页岩储层非均质性的静态和分形时空结构的方法；在整体论思想指导下，根据地质系统在混沌边缘分形生长这一规律，探讨了页岩油气在自组织临界态的混沌边缘富集预测方法。复杂性科学的理论和方法，必将在页岩油气的勘探研究中发挥越来越重要的作用。     

地质系统的复杂性--地质科学的基本问题(Ⅱ)

笔者根据其所提出的“地质作用与时空结构是一切地质现象的本质与核心”的自然哲学理念将地质科学的学科体系划分为地球物质的成分与结构、地质作用、地质学场与地质系统的演化等四大基本领域,它与9个重大基础地质问题以及与其相关的基础理论问题相对应（表2）,笔者将其已发表的地质科学的复杂性理论“地质作用的临界过程动力学－地质系统在混沌边缘分形生长”应用于研究9个重大基础地质问题,着重对于其中所包含的主要基础理论问题的实质及其理论与研究方法作较深入而简要的剖析。目的是通过将地质系统的复杂性作为地质科学的基本问题的新视角对古老而常新的地质科学进行再认识,将重大基础地质问题的研究提高到非线性科学和复杂性理论的层次,并实现地质科学向精确科学的跨越,取得突破性进展。     

地质系统的复杂性——地质科学的基本问题（I）

笔者根据其所提出的“地质作用与时空结构是一切地质现象的本质与核心”的自然哲学理念将地质科学的学科体系划分为地球物质的成分与结构，地质作用，地质学场与地质系统的演化等四大基本领域，它与9个重大基础地质问题以及与其相关的基础理论问题相对应（表2）。笔者将其已发表的地质科学的复杂性理论“地质作用的临界过程动力学－－地质系统以混沌边缘分形生长”应用于研究9个重大基础地质问题，着重对于其中所包含的主要基础理论问题的实质及其理论与研究方法作较深入而简要的剖析。目的是通过将地质系统的复杂性作为地质科学的基本问题的新视角对古老而常新的地质科学进行再认识，将重大基础地质问题的研究提高到非线性科学和复杂性理论的层次，并实现地质科学向精确科学的跨越，取得突破性进展。     

地质系统的复杂性—地质科学的基本问题(Ⅰ)

笔者根据其所提出的“地质作用与时空结构是一切地质现象的本质与核心”的自然哲学理念将地质科学的学科体系划分为地球物质的成分与结构、地质作用、地质学场与地质系统的演化等四大基本领域, 它与9个重大基础地质问题以及与其相关的基础理论问题相对应(表 2).笔者将其已发表的地质科学的复杂性理论“地质作用的临界过程动力学——地质系统在混沌边缘分形生长”应用于研究9个重大基础地质问题, 着重对于其中所包含的主要基础理论问题的实质及其理论与研究方法作较深入而简要的剖析.目的是通过将地质系统的复杂性作为地质科学的基本问题的新视角对古老而常新的地质科学进行再认识, 将重大基础地质问题的研究提高到非线性科学和复杂性理论的层次, 并实现地质科学向精确科学的跨越, 取得突破性进展      

固体地球系统的复杂性与自组织临界性

根据“复杂性科学研究复杂性的涌现机制、是２１世纪的科学”和“地球系统的复杂性研究将是２１世纪地学发展中居于战略地位的生长点之一”的认识,提出了“固体地球系统的复杂性与自组织临界性”这一命题,从新的视角对古老而又常新的固体地球系统进行再认识。笔者从广义地质学系统和过程的本质归纳出固体地球系统的基本问题是“固体地球系统总体上是远离平衡、时空延展的复杂耗散系统。地球物质多组成耦合的相干与协同及多种广义地质学（地质学、地球物理学、地球化学）过程的耦合及其非线性相互作用二者之多重叠加引发自组织过程所涌现的系统整体性状、结构与动力学行为的复杂性与自组织临界性”,并从这一认识出发,提出了固体地球系统复杂性与自组织临界性的八个研究主题,并分别进行了论述。最后笔者提出了地球系统复杂性与自组织临界性研究的方法论。     

浅议地球系统的复杂性及非线性

结合复杂性科学的产生及发展历程，认为复杂性科学对研究地球系统复杂性及非线性具有重要的理论指导和方法论意义。同时，在论述地球系统基本属性的基础上总结了地球系统复杂性及非线性的具体表现，即地球系统的层次性，无特征尺度性，开放性，相干性，临界性，自组织性和其动力学行为的自相似性及分形性。认为地球系统是总体上远离平衡，时空延展的多层圈综合集成，连续开放的复杂耗散动力巨系统。随着复杂性科学和地球系统的复杂性及非线性研究的不断深入，在21世纪，地球科学研究将会取得理论上的重大突破和飞跃。     

矿井开采中的非线性动力学特性

采用现代非线性科学中的分叉、混沌、分形和自组织理论,对矿井开采过程中的典型动力学现象进行了研究,分析了这些现象的非线性机制,指出了矿井开采系统中的非线性动力学行为,对矿井灾害的防治和指导矿井采掘活动具有积极意义。     

地质现象的分形自组织

科学正面临“结束现实世界简单性信念”的阶段,探索复杂性正成为科学的共同目标。复杂性总是和系统自组织联系着,因此研究复杂性的科学总是从自组织现象起步,都必然要与自组织理论发生联系。在本世纪70年代,随着对非平衡态自组织现象的研究,相继诞生了耗散结构论、协同论和混沌理论,而几乎在同一时间,在数学领域诞生了分维几何学。这些理论促进了各学科的发展,也为探索地质现象的复杂性,将地学推向一个新的阶段创造了条件。本文将自组织理论与分维理论结合起来,以说明分形自组织是地质中的普遍现象,并进一步指出,我们正面临一种新的地质观建立的前夕。     

多重水力断裂的分形扩张

应用复杂性理论对于赣南脉钨矿床的著名“五层楼”式形态垂直分带进行研究 ,获得如下结果。 (1 )赣南脉钨矿床的“五层楼”式形态垂直分带是“多重水力断裂分形扩张”的结果。脉钨矿床的控矿多重断裂是一种以水力断裂为主导的热致与流体驱动断裂构造。脉钨矿床的自组织临界性是多重分形扩张之源 ,而中观破裂尖端周围流体静力学应力场梯度最大区则是分形扩张的驱动力。多重水力断裂的发生和发展是一种分形扩张过程 ,其演化服从串级“崩塌间断平衡”的时空分形生长动力学 ,与地震的Omori余震律相类似。 (2 )脉钨矿床“三环一帽”式的成矿地球化学分带是一种多组分成矿溶液的渗滤、溶解沉淀波结构 ,是成矿反应扩散系统中化学波的时空同步化传播而形成的目标斑图 ,是近平衡地质介质内 ,通过外界的“短暂局部激发”、继之以构造、岩浆和成矿脉动作用等“局部中断”而形成的径向对称、嵌套球状、远离平衡的局域化耗散结构 ,即脉动型自孤子。 (3)赣南脉钨矿床是近平衡区域地质背景中远离平衡的局域化耗散结构。赣南钨矿集区是复合自孤子的群集体。它们是在构造、岩浆多期次脉动条件下 ,来自①矿源层部分熔融的“区域提纯”、②岩浆期后成矿热液输运反应和③含钨地层、岩石淋滤交代的成矿物质 ,通过岩浆和热液孤     

湖南郴州柿竹园超大型钨多金属矿床的成矿复杂性研究

用非线性科学和复杂性理论对湖南郴州柿竹园超大型钨多金属矿床的成矿复杂性进行系统、深入的研究 ,以成矿作用与时空结构是一切矿产资源的本质与核心的自然哲学理念为根本立足点 ,从一种新的视角 ,就矿床的动力学属性、矿床的物质成分与结构、矿床的地质学场和成矿系统的演化四大相互联系的范畴 ,对矿产资源进行再认识 ,提出了矿床的新定义 ,并较深刻地揭示了矿床的动力学属性、成矿物质高度多样化和复杂性及其超常规模集成、矿田成矿分带的内部结构、矿床地质学场的时空分形结构、成矿系统时间演化的长期性和成矿过程的多期多阶段性以及成矿作用的发生和矿床形成的分形生长机制等方面的复杂性与动力学本质。项目成果将矿床学的研究提高到非线性科学和复杂性理论的层次 ,提供了如何应用这种理论和方法对矿床的成矿复杂性进行研究的实例 ,也是第一作者所提出的关于成矿系统复杂性的新成矿理论与方法论“成矿动力系统在混沌边缘分形生长”的具体化及其进一步深化。沿着这一研究方向的不断开拓将可使传统矿床学向精确科学跨越。     

软岩遇水软化的耗散结构形成机制

针对华南“红层”软岩遇水软化的复杂系统演化问题, 从其软化过程中是否形成耗散结构的思路出发, 研究了软岩系统非线性软化特征.结果表明: 软岩与水相互作用系统是一个开放的复杂系统, 在内部非线性作用下逐渐演化至非平衡状态, 其软化过程中可以形成有序的耗散结构.在此基础上, 采用耗散结构理论系统分析了软岩软化过程中耗散结构的形成机制: 软岩软化的过程经历了近平衡态、远离平衡自组织态与远离平衡临界态3个阶段, 并最终通过非平衡相变形成了具有一定稳定性的耗散结构.最后基于软岩软化过程中结构分维值演化规律, 初步建立了软岩耗散结构形成的分岔演化模型, 并将模型应用于软岩饱水软化试验的临界分岔现象分析中.分析表明软岩耗散结构是在系统经历多次倍周期分岔, 通过不断地从稳定到失稳再到稳定的过程后形成的.其中3个月与6个月这两个时间点具有显著的临界特征, 这是深入研究软岩软化耗散动力学过程的切入点.      

胶东金矿床的储量分形分布及其地质意义

本文对胶东地区的石英脉型和蚀变岩型金矿床的储量分布进行了研究.结果表明,金矿床的储量服从多重分形分布,且具有普遍意义.金矿床的储量分形结构是成矿系统处于混沌边缘的一种表现形式.分维D值的地质意义与研究范围有关,就胶东金矿带而言,它可用于划分蚀变岩型和石英脉型矿床.