固体地球系统的复杂性与自组织临界性

本世纪自然科学的发展趋是由极小（粒子物理学）→极大（宇宙学）→极复杂（复杂性科学）。“复杂性”研究具有科学发展的时代特点,是具有前瞻性和探索创新性的基础研究。笔者根据复杂性科学研究复杂性的涌现机制是２１世纪的科学的认识,结合固体地球系统的复杂性与自组织临界性的内禀基本属性,提高“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,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,提出了它的三大基础理论问题,井拟定了以整体论为主导、还原论作辅助,宏观与微观处理相结合与互补的方法论。固体地球系统的复杂性和自组织临界性,是我国经济增长、社会进步和地学发展的重大科学问题之一。对于这一同题进行研究将成为21世纪地学发展中居于战略地位的生长点之一,使地学取得突破性进展,并带动许多相关学科的同步发展。     

固体地球系统的复杂性与自组织临界性

（上接第３期第１８２页）３４壳幔核边界的深部过程———固体地球动力学问题之二属于本主题研究的主要课题有：①行星和地球上的岩浆洋;②地幔对流与壳幔相互关系;③洋脊下岩浆的成生与运移;④俯冲带岩浆作用;⑤地壳岩浆房中岩浆的分异与演化;⑥地球电动机（ｇｅ...     

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。     

地球化学系统的复杂性探索

地球化学系统是一种复杂系统，非平衡和非线性是导致复杂性的根源，探索复杂性就是要研究事物在非平衡条件下的非线性动力学行为，地球化学动力学是揭示地球化学系统的复杂性的有力理论工具，本文列举出锡示岩石圈系统，岩浆系统，表生系统，变质系统，断流体系统及生物有机系统的复杂性的动力学研究内容。     

地球系统科学中的复杂性思维与可持续发展

地球系统科学是可持续发展的理论基础。地球系统8个方面的复杂性和非线性决定和构成了地球系统科学中复杂性思维的基本特征。可持续发展作为新的发展模式需要考虑具有非线性相互作用的不同层次、不同方面的多种因素．必然要求运用复杂性思维来综合分析解决人口-资源-环境-发展的互相协调。因此．地球系统科学中的复杂性思维是处理可持续发展问题的科学武器．有助于人们深刘认识地球演化的内在机理和人-地关系的变化。     

复杂性科学理论在地球物质学中的作用

地球物质学是一门以复杂的地球系统为研究对象的新学科,而复杂性科学专门用来研究一些非线性复杂问题。目前复杂性科学已在不同的学科中得到广泛应用,同时也在地球物质学中得到应用,成为地球物质学中最基本和最重要的理论。     

固体地球系统复杂性与地质过程动力学学术讨论会纪要

20 0 4年3月6～7日,由中国矿物岩石地球化学学会和中国地质大学(武汉)联合主办的“全国固体地球系统复杂性与地质过程动力学”研讨会在武汉召开,来自美国加州大学SanDiego分校、瑞典Upsala大学、中山大学、中南大学、西北矿业公司、中石化、中石油、地质科学院、中国地质大学(北京、武汉)的5 0余位代表及中国地质大学的众多研究生参加了讨论会。中国地质大学张锦高校长到会并致开幕词。会上31位代表作了学术报告。於崇文院士作了“地质系统复杂性”的主题报告。於院士归纳总结了自然科学研究程度由浅入深的4个层次,从地质科学发展的现状出…     

银山-德兴地区的非线性和复杂性及其矿产预测意义

银山-德兴地区具有明显的非线性和复杂性特征,表现为断裂构造的分维数为1.66,与全球断层的分维数相近;区域上的韧性剪切带具有三维似Menger海绵结构;银山矿的铜、铅锌和银矿体表面上有传统意义上的Pb-Zn-Cu-Ag分带,但实际上铜和铅锌矿体及其赋存的含矿构造的分维数有显著差异,因此至少存在两个空间上相互叠加的成矿子系统,并呈现"整体不等于部分之和"的复杂性.事实说明,银山矿的地球化学分带与传统意义上的分带性具有完全不同的含义,不能简单地作为预测深部盲矿体的直接依据.     

滑坡灾害系统非线性研究进展

结合滑坡灾害系统自组织特征分析,全面地介绍了分形理论、协同学理论、混沌动力学、突变理论和人工神经网络在滑坡地质灾害科学研究中的应用现状,评述了各种理论方法研究中存在的主要问题,指出了滑坡灾害系统非线性研究发展方向和今后着重要深入探讨的领域。     

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。     

近年来中等复杂程度地球系统模式的研究进展

近十几年来，地球系统模式领域活跃着一类新兴的模式——中等复杂程度的地球系统模式（EMICs），EMICs以其对计算能力的较低要求和对地球系统的较为完备的描述，使其应用几乎覆盖了简单模式和大气环流模式（CGCMs）的所有研究领域，特别在长期气候变化的模拟方面展现了得天独厚的优势，从而使得在长期气候变化的背景下研究近代气候变化更具现实意义。EMICs已经成为模拟地球系统的有力工具，为目前的CGCMs模拟提供了必要的补充，在简单模式与CGCMs之间架起了一座桥梁。首先回顾了中等复杂程度地球系统模式（EMICs）的发展现状，结合近年来国内外发表的文献探讨了EMICs的基本组成、应用领域，并对EMICs未来的发展趋势进行了预测。     

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。     

中生代地球系统与核—幔边界动力学研究进展

本文介绍了９０年以来地球物理学在地球磁场方面的研究成果,揭示了２００－１００Ｍａ全球低的地球磁场古强度;１２４－８３Ｍａ低的极性反转频率以及１７０－１１０Ｍａ近乎停滞的真极移。     

Multisphere Tectonics of the Earth System

The fundamental theoretical framework of the Multisphere Tectonics of the Earth System is as follows: (1) It intends to extend the geotectonic studies from the crustal and lithospheric tectonics to the multisphere tectonics of the Earth system as a whole. (2) The global dynamics driven by both the Earth system and the cosmic celestial system: solar energy, multispheric interactions of the Earth system and the combined effects of the motions of celestial bodies in the cosmos system are the driving forces of various geological processes. (3) The Continent-Ocean transformation theory: the continent and ocean are two opposite yet unified geological units, which can be transformed into each other; neither continent nor ocean will survive forever; there is no one-way development of continental accretion or ocean extinction; the simple theory of one-way continental accretion is regarded as invalid. (4) The continental crust and mantle are characterized by multiple layers, with different layers liable to slide along the interfaces between them, but corroboration is needed that continents move as a whole or even drift freely. (5) The cyclic evolution theory: the development of Earth’s tectonics is not a uniform change, but a spiral forward evolution, characterized by a combination of non-uniform, non-linear, gradual and catastrophic changes; different evolutionary stages (tectonic cycles) of Earth have distinctive global tectonic patterns and characteristics, one tectonic model should not be applied to different tectonic cycles or evolutionary stages. (6) The structure and evolution of Earth are asymmetric and heterogeneous, thus one tectonic model cannot be applied to different areas of the world. (7) The polycyclic evolution of the continental crust: the continental crust is formed by polycyclic tectonics and magmatism, rather than simply lateral or vertical accretion. (8) The role of deep faults: the deep fault zones cutting through different layers of the crust and mantle usually play important roles in tectonic evolution. For example, the present-day mid-ocean ridge fault zones, transform fault zones and Benioff zones outline the global tectonic framework. Different tectonic cycles and stages of Earth’s evolution must have their own distinctive deep fault systems which control the global tectonic framework and evolutionary processes during different tectonic cycles and stages. Starting from the two mantle superplumes Jason (Pacific) and Tuzo (Africa), the study of the evolutionary process of the composition and structure of the crust and mantle during the great transformation and reorganization of the Meso-Cenozoic tectonic framework in China and the other regions of Asia is a good demonstration of theory of Multisphere Tectonics of the Earth System.     

成矿过程奇异性与矿产预测定量化的新理论与新方法

在分析地震、滑坡、洪水、暴雨、森林火灾等一系列非线性地球系统过程共同特征的基础上,笔者提出了成矿过程作为奇异性过程的命题。探讨了成矿过程奇异性、广义自相似性、自组织临界性等基本非线性特征的内在联系。从多重分形理论出发给出了:(1)度量成矿域空间结构不均匀性的局部奇异性分析模型;(2)度量成矿多样性与自相似性关系的系列广义自相似性度量模型;(3)首次给出了奇异性指标作为度量控矿要素与矿床分布相关关系的非线性模型,提出了从奇异性出发计算成矿后验概率的新的对数概率模型;(4)介绍了成矿奇异性的动力学模拟过程。详细介绍了非线性矿产资源预测理论和方法的基本内容和模型。     

全球表层系统研究的思考

1900年前后,以徐士、阿尔冈、魏格纳、李四光等为代表的先驱们从不同视角开始了对地球表层的整体性研究。20世纪人造卫星的应用和板块理论的建立,推动了全球整体观思想的发展。进入21世纪后,伴随社会全球化进程,地球整体观在科学前沿领域显示出极为重要的导向作用。在这个思想引导下的广义地球系统科学是关于地球多圈层的整体研究,但由于涉及人类生存的资源、环境、灾害问题的紧迫性,在未来10至20年内地球系统科学的优先领域之一应是整体观指导下的地球表层系统的研究,它涉及大气层、海洋、地壳、生物和人类。目前可列举出4个重大问题:(1)全球变暖引起的大范围灾害与环境变化;(2)以SARS和禽流感为代表的全球性生物病毒传播灾患;(3)影响人类生存的全球性水资源短缺;(4)导致严重损失和全球性影响的大地震的频繁发生。厄尔尼诺现象与地震的相关性,全球大地震十几年尺度的幕式活动与区域间交替变换,十几年尺度的大范围旱、涝交替变换,表明上述全球性异常变化都是地球表层系统整体性动力过程的表现。应从全球尺度研究包含气体、液体、固体的地球表层系统的微动态变化,分析它们与地、水、大气和生物各圈层之间的相互作用及物质与能量交换的关系,加深对地球表层相互联系的系统过程的理解。     

分形理论用于洪水分期的初步探讨

用分形理论对洪峰散点序列进行了分析,发现洪峰散点序列在一定尺度范围内表现出了自相似性,初步证明洪峰散点序列是一种分形。提出了用分形理论划分洪水分期的方法,并以雅垄江小得石站洪水分期研究为例。结果显示,用分形法划分的洪水分期和传统的经验方法划分的洪水分期基本一致,但和传统方法相比,新方法的优点较为客观。     

地球动力系统、地球物质系统与滑坡生成机理研究

我国是地质灾害非常严重的国家之一,长期以来,地质灾害影响了社会的经济建设和发展。由于它具有渐变性、突发性等特点,给国家和人民的生命财产带来了巨大的损失。本文从地球动力系统、地球物质系统的角度对滑坡生成机理进行了研究,并以绵阳市北川县为例,对滑坡形成的主要影响因素进行了探讨。     

Gaia理论与地球系统科学

本文简要介绍了Gaia理论的提出背景、科学内涵,及其最初验证模型———雏菊世界。Gaia理论将地球与生物当作一个可以自我调节的整体,强调生物圈对全球环境的调节作用。在此基础上,文章着重分析Gaia理论在全球变化、地质事件、生物进化研究中的应用,指出在进行地球系统科学研究过程中,应以Gaia理论为指导,不能把生物仅仅作为环境的附属产品,而片面强调环境对生物进化的制约。同时也要认清生物在自身进化的同时,也积极地调节着全球环境,使之更有利于生物进化。生物圈是地球具有生命的直观体现,同时也是联系地球各圈层的关键环节。正确认识生物圈对于全球环境演化的调节作用,不仅帮助我们认识地球系统的全貌,更可以推动地学研究深入发展,对全面研究全球变化有积极意义。Gaia理论正处于发展期,理论需要进一步发展与完善,在实际应用中,应该对现有的学科进行更为广泛的综合。我国地学工作者应该抓住这一科学方向,为地球系统科学理论做出应有的贡献。