地质系统的复杂性 下PDF电子书下载

第一章 地质系统的复杂性——概述 3

第一节 引言 3

一、地质科学的简单回顾与展望 3

二、地质现象的本质与核心 5

三、地质系统的基本问题 13

四、地质科学的复杂性理论 18

五、复杂性研究的方法论 18

六、地质科学的基本领域及其相应的重大基础地质问题与基础理论问题 18

地质科学的复杂性理论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 19

第二节 自组织临界性、瞬态混沌、混沌边缘和弱混沌 19

一、自组织临界性 19

二、瞬态混沌 20

三、混沌边缘 20

四、弱混沌 20

第三节 多组分的相干与协同及时-空斑图与化学波的形成 21

一、化学波和时-空斑图 21

二、斑图形成的范式——反应-扩散系统 21

三、多组分的相干、协同与时-空斑图以及化学波的复杂性与多样性 22

第四节 演化过程的分形动力学 23

第五节 混沌、时间混沌与时-空混沌 24

一、噪声与混沌 24

二、走向时间混沌 25

三、走向时-空混沌 26

第六节 作用的时-空结构 26

一、长程时-空关联与连通 27

二、分形时-空与标度相对性原理 28

三、时-空混沌结构 31

四、弱混沌拟序结构 34

第七节 分形生长动力学 37

一、自组织临界性产生的分形生长斑图类型 38

二、Laplace型分形生长的动力学 39

三、渗流生长 42

四、扩散和流体力学分形生长的弱混沌动力学 49

五、分形生长的理论分析 51

第八节 自孤子和复杂性之源 53

一、自孤子 53

二、复杂性之源 54

第九节 有限大小标度理论 55

一、引言 55

二、关联 56

三、有限大小标度 56

若干重大基础地质问题研究 58

第十节 地球的结构与动力学 58

一、地球和类地行星的起源和内部结构 58

二、地球不同壳层的化学成分、性质和流变学 60

三、地球动力学过程的定位和强度 61

四、板块构造 63

五、岩石圈板块运动的理论模型与机制 64

第十一节 地球物质成分的复杂性与多样性 65

一、核合成理论与地球物质的原始多组分性 65

二、化学元素的自组织与元素的“岩石圈丰度” 66

三、量子地球化学与化学元素的共生组合 66

第十二节 地球物质结构的复杂性与多样性 67

一、扩散限定反应 67

二、扩散限定聚结 67

三、矿物的结构——以矿物环带构造的振荡分带为例 68

第十三节 地壳的变形 68

一、碎裂作用的分形理论与混沌地质构造 68

二、地壳变形的分形性 69

三、岩石圈结构化的自组织临界性 69

四、大规模大陆岩石圈变形 71

五、造山运动的驱动机制 72

第十四节 深层地球动力学 72

一、地幔对流 72

二、岩浆孤子与岩浆的起源、运移及侵位或喷发 73

三、岩浆双扩散对流和固结的相互作用动力学 74

第十五节 地层沉积过程的时间结构 75

一、时间序列的马尔科夫过程分析（静态研究） 75

二、沉积旋回的动力系统分析（动力学研究） 75

三、地层序列的分形和多重分形分析（复杂性研究） 76

第十六节 广义地质作用动力学 77

第十七节 地质学场的时-空结构 78

一、地质学场的连续介质模型与地质学场的一般研究方法 78

二、地质学场的随机场理论（静态）与局域化耗散结构理论（动态）分析 78

三、场量时-空幂律分布的原因及其形成的动力学机制（复杂性研究） 79

第十八节 地质系统围限效应的强度对系统演化进程的制约 80

第十九节 地质系统演化过程的分形动力学（崩塌动力学） 81

一、极值动力学 81

二、阈动力学 82

参考文献 83

第二章 自组织临界性、瞬态混沌、混沌边缘和弱混沌 93

第一节 自组织临界性 93

一、一维沙堆模型的最小稳定性 94

二、二维和三维沙堆模型的自组织临界性 95

三、闭边界条件下的计算机模拟 97

四、空间展布与时间演化（由平坦表面逐渐建立并达到平稳临界态） 100

五、自组织临界态的稳健性 101

六、开边界条件下的计算机模拟 103

七、结论 104

第二节 瞬态混沌 106

一、趋近奇怪吸引子的瞬态混沌 107

二、离开奇怪排斥子的瞬态混沌 108

三、临界幔化 109

四、瞬态过程与系统的规模 110

五、局域不稳定性与全局稳定性 111

第三节 混沌边缘 113

一、元胞自动机的普适类 113

二、混沌边缘 119

第四节 弱混沌 123

一、稳定性与混沌 124

二、动力学有序与混沌 126

三、结论 139

第五节 地质科学的复杂性理论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 140

参考文献 141

第三章 多组分的相干与协同及时-空斑图与化学波的形成 143

第一节 化学波与斑图 143

一、引言 143

二、线性稳定性分析 145

第二节 斑图形成的范式——反应-扩散系统 151

一、二组分系统的斑图形成 151

二、二维的斑图形成 157

三、斑图选择和时-空“湍流” 158

第三节Turing斑图 159

第四节 多组分的相干、协同与时-空斑图以及化学波的复杂性与多样性 161

一、动力学模型的建立 162

二、不稳定性和波的传播 165

三、参与物种数的增加与时-空斑图以及化学波的复杂性与多样性 167

参考文献 171

第四章 演化过程的分形动力学 173

第一节 演化过程的共性和规律 173

第二节 系统演化的极值动力学 174

第三节 系统通过自组织而趋于临界态——自组织临界过程 175

第四节 自组织临界性是崩塌动力学的分形动力学吸引子 176

一、崩塌-间断平衡的时-空分形动力学 176

二、崩塌-间断平衡的串级分形谱系结构 178

三、平稳律 185

四、Levy飞行 186

参考文献 186

第五章 混沌，时间混沌与时-空混沌 188

第一节 噪声与混沌 188

一、噪声 189

二、混沌 190

三、时间混沌、空间混沌与时-空混沌 191

第二节 走向时间混沌 194

一、分岔 194

二、通过准周期运动进入时间混沌 196

三、通过倍周期分岔进入时间混沌 196

四、通过阵发进入时间混沌 198

第三节 走向时-空混沌 198

一、时间序列分析 199

二、分布自主活性系统中的湍流 203

第四节 从时间混沌到时-空混沌 207

一、不稳定性、自由度和围限 208

二、强围限系统——临界不稳定性 210

三、热对流中的弱湍流 210

四、弱围限系统——超临界不稳定性结构动力学：包络和相的形式体系 211

五、延展系统——次临界不稳定性 214

第五节 总结 216

一、作用过程向混沌发展的规律 216

二、系统向混沌演化的规律 216

参考文献 219

第六章 作用的时-空结构 222

第一节 长程时-空关联与连通 222

一、长程时-空关联与连通 222

第二节 分形时-空与标度相对性原理 230

一、自然界中标度律的普适性 231

二、时-空的根本不可微分性 232

三、标度不变、自相似和分形的遍在性 234

第三节 时-空混沌结构 240

一、时-空混沌的时-空非线性动力学 240

二、复Ginzburg-Landau方程 260

第四节 弱混沌拟序结构 268

一、孤子与相干结构 268

二、拟序结构（或准规则斑图）的动力学组织 271

三、孤子与混沌 274

参考文献 280

第七章 分形生长动力学 282

第一节 自组织临界性产生的分形生长斑图类型 282

一、自组织临界性是分形生长之源 282

二、分形生长斑图的主要类型及其相互关系 284

第二节Laplace型分形生长的动力学 285

一、“移动边界过程”和“不可逆随机动力学” 285

二、扩散限定聚集 286

三、树枝状生长 291

四、电介质击穿和断裂作用 294

第三节 渗流生长 305

一、渗流簇的传导性及其相关性质 306

二、渗流簇中输运过程的动力学机制 317

第四节 扩散和流体力学分形生长的弱混沌动力学 328

一、物质粒子随机扩散系统的分形生长 328

二、流体动力学系统的分形生长 330

第五节 分形生长的理论分析 336

一、引言 336

二、物理学中的自相似性：新、老物理模型的对比分析 337

三、分形生长和自组织临界性的新理论 339

四、今后研究工作展望 341

参考文献 342

第八章 自孤子和复杂性之源 345

第一节 自孤子 345

一、引言 345

二、“球状闪电” 345

三、概述 347

四、基本数学模型 352

五、Turing不稳定性 353

六、“交叉扩散”活化系统的分层条件 356

七、活性分布介质的分类 357

八、自孤子的主要类型 358

九、自组织现象的主要类型 360

第二节 复杂性之源 361

一、概述 361

二、局部活性是复杂性之源 362

三、确立复杂性的范式（CNN），并将PDE映射为CNN 363

四、确定局部活性的判定准则 364

参考文献 369

第九章 有限大小标度理论 371

第一节 引言 371

第二节 关联 371

第三节 有限大小标度 373

第四节 分形性 378

参考文献 379

第十章 复杂性研究的方法论 380

第一节 确定性力学——“动力学系统理论” 380

第二节 统计力学（概率理论） 381

第三节 计算力学——统计力学的结构理论 381

第四节 演化力学——“创新的动力学理论” 382

参考文献 382

第十一章 地球的结构与动力学 385

第一节 地球和类地行星的起源和内部结构 385

一、地球和类地行星的起源 385

二、地球的内部结构 387

第二节 地球不同壳层的化学成分、性质和流变学 390

一、化学成分 390

二、性质 393

三、流变学 396

第三节 地球动力学过程的定位和强度 399

第四节 板块构造 402

一、岩石圈板块运动的运动学 402

二、岩石圈板块构造的理论原理 403

第五节 岩石圈板块运动的理论模型与机制 406

一、板块运动的理论模型与机制 406

二、古地球动力学重建 406

参考文献 408

第十二章 地球物质成分的复杂性与多样性 414

第一节 核合成理论与地球物质的原始多组分性 414

一、引言 414

二、化学元素的“宇宙丰度” 415

三、核合成理论及化学元素的起源与地球物质的原始多组分性 418

四、重元素的产生（核合成理论续） 425

五、轻元素Li、 Be、 B的产生 429

第二节 化学元素的自组织与元素的“地壳丰度” 433

一、同种原子的数量增加与耦合导致化学元素的自组织和“地壳丰度”——“多组分的耦合导致自组织” 433

二、关于化学元素丰度的计算 444

第三节 量子地球化学与化学元素的共生组合 447

一、量子地球化学 447

二、量子地球化学在化学元素共生组合研究中的应用（举例） 458

参考文献 468

第十三章 地球物质结构的复杂性与多样性 471

第一节 扩散限定反应 471

一、经典反应模型 472

二、圈闭 476

三、简单反应模型 481

四、反应-扩散前锋 486

第二节 扩散限定聚结 494

一、聚结与ⅠPDF法 494

二、不可逆聚结 499

三、聚结的完整表述 506

第三节 矿物的结构——以矿物环带构造的振荡分带为例 513

一、晶粒内自组织 513

二、扩散和生长耦合过程动力学导致振荡的建模 516

三、表面活化的络合物 525

四、可解模型 526

五、外部环境对振荡分带的影响 530

六、晶粒内振荡分带的实例分析 533

参考文献 542

第十四章 地壳变形 545

第一节 碎裂作用的分形理论与混沌地质构造 545

一、碎裂作用的分形理论 545

二、混沌地质构造 555

第二节 地壳变形的分形性 563

一、地震和断层中的分形碎裂作用 563

二、脆性断裂的分形网络和塑性剪切带 566

第三节 岩石圈结构化的自组织临界性 573

一、大陆地壳的自组织临界态 573

二、岩石圈中的应力情态 575

三、岩石圈结构化的自组织临界性 584

第四节 大标度大陆岩石圈变形——造山带形成的驱动力与动力学机制 597

一、概述 597

二、引言 598

三、数学表述 599

四、大陆变形的几何学 602

五、讨论 606

六、结论 611

第五节 造山运动的驱动机制 612

一、引言 612

二、洋脊的造山运动 613

三、垂向的大陆构造地质 615

四、水平的大陆构造地质 616

五、讨论 618

六、简短结论 619

参考文献 620

第十五章 深层地球动力学 626

第一节 混沌地幔对流 627

一、地幔对流模型 627

二、Ra数和Pr数对地幔流动情态的影响 628

三、混沌地幔对流 632

四、硬湍性地幔对流 639

第二节 岩浆孤子与岩浆的起源、运移及侵位或喷发 648

一、岩浆孤子及其呈孤波传播的向上孔隙流动 648

二、岩浆的萃取与运移 664

第三节 岩浆双扩散对流和固结的相互作用动力学及岩浆房的演化 670

一、引言 670

二、数学方程 671

三、弱非线性情态 672

四、定态解 672

五、依赖于时间的情态 674

六、浮力比Rρ的动力学影响 677

七、指状情态 680

八、小结 685

第四节 长英质岩浆房中的双扩散对流 685

一、引言 685

二、花岗岩熔体粘滞性的模型 687

三、问题的数学表述 688

四、主要结果的总结 690

五、结果的解释 698

六、结论 699

参考文献 700

第十六章 地层沉积过程的时间结构 707

第一节 时间序列的马尔科夫过程分析——连续参数非平稳马尔科夫概型分析（静态研究） 707

一、马尔科夫概型分析原理 707

二、南岭地区地层中化学元素的演化规律与时间结构 710

三、粤北地区沉积作用-岩浆作用-成矿作用过程的演化规律与时间结构 719

第二节 地球化学旋回耗散结构理论分析——动力系统分析（动力学研究） 729

一、地球化学旋回耗散结构理论动力系统分析的原理与方法 729

二、粤北地区上部地壳地球化学演化的研究步骤 731

三、地球化学旋回中的多重定态 738

四、多重地球化学旋回之间的相互耦合——非线性旋回分析 745

五、结论 749

第三节 地层序列的分形和多重分形分析（复杂性研究） 750

一、引言 750

二、地层剖面的分形描述 751

三、分形序列的分析方法 757

四、分形模型 761

五、实例 765

六、讨论 766

参考文献 769

第十七章 广义地质作用动力学 772

第一节 广义地质作用动力学 772

第二节 地质流体力学 776

一、地质背景 776

二、被充满的两层系统的演化 779

三、粘性重力流 784

四、热、湍流在可侵蚀基底上的流动 789

五、进一步的问题 797

第三节 固结作用的流体力学 803

一、引言 803

二、经典的Stefan问题 805

三、纯熔体自上而下的冷却 806

四、二元合金自下而上的冷却 807

五、二元合金自上而下的冷却 813

六、固体中的成分分层 816

七、氯化铵水溶液的结晶作用 821

八、沿侧壁的冷却 822

九、斜坡上的结晶作用 826

十、应用 828

十一、简短结论 829

第四节 水-岩相互作用的化学动力学 829

一、引言 829

二、矿物溶解 830

三、速率和风化指数 834

四、CO2化学动力学和风化作用 836

五、速率的一般形式：从溶解速率到沉淀速率 837

六、水-岩建模 840

七、霞石风化和铝土矿 843

第五节 反应-输运耦合过程动力学 853

一、反应-输运耦合过程的建模 853

二、安徽铜陵层控矽卡岩型铜矿床的成矿作用动力学 863

三、云南个旧成矿区锡石-硫化物矿床原生金属分带形成的动力学机制 871

第六节 断裂-多孔介质中的化学反应——复杂流动动力学 880

一、多孔-断裂介质中热液成矿作用的流体动力学 880

二、渗滤交代分带的动力学 900

三、侵位渗流作用动力学 912

第七节 力学化学耦合过程动力学 921

一、依赖于结构的颗粒溶解度之原因与意义 921

二、结构调制的压力溶解之简单模型 926

三、界面能 934

四、其他力学-化学模型 936

五、结构动力学 938

六、简单的岩石-流动唯象学 940

七、体积交代中的结构动力学与Reuss极限 941

八、依赖于结构的流变学与结构调制的自由能 943

第八节 构造物理流体动力学——热致与流体驱动断裂构造动力学 944

一、流体驱动断裂的形成机制 944

二、岩石孔隙流体的差异热膨胀与岩石断裂作用 954

三、岩浆侵入体周围断裂系统的分布及其对于成矿的控制作用 958

四、岩浆结晶作用过程和侵入体-围岩系统的应力演化与断裂的发生与发展 967

五、实例 982

第九节 断裂力学中的分形标度——多重断裂的分形扩张动力学 986

一、引言 987

二、数学分形与标度 990

三、分形的物理概念 993

四、分形断裂和断裂能的建模 996

五、讨论 999

六、结论 1000

参考文献 1001

第十八章 地质学场的时-空结构 1019

第一节 连续介质模型与地质学场的理论与方法 1019

一、建立连续介质模型 1019

二、研究介质的运动学、动力学和物质的时-空定位 1019

三、研究物质在时-空中的运动规律 1020

四、研究地质学场揭示其时-空结构 1021

第二节 地质学场的随机场理论（静态研究）与局域化耗散结构理论（动力学研究） 1021

一、地质学场的随机场理论（静态研究）——成矿作用的空间展布与空间结构 1022

二、地质学场的局域化耗散结构理论（动力学研究）——成矿地球化学分区的形成与发展 1024

三、粤北韶关地区区域成矿作用的空间结构 1027

第三节 场量时-空幂律分布的原因及其形成的动力学机制（复杂性研究） 1046

一、功率谱 1047

二、反幂律 1055

三、正态到对数正态分布 1058

四、从对数正态到反幂律（1／f） 1062

五、幂律（反幂律）的遍在性——自相似性和分形性的无穷源泉 1064

六、反幂律分布的形成机制 1078

第四节 粤北韶关地区地球化学场的分形与多重分形时-空结构 1083

一、地球化学场的分形时-空结构 1083

二、地球化学场的多重分形空间结构 1087

参考文献 1095

第十九章 地质系统的演化 1098

第一节 地质系统的演化进程 1098

一、地质系统围限效应的强度对系统演化进程的制约 1098

二、强围限地质系统：临界不稳定性，地质过程走向过渡时间混沌 1099

三、弱围限地质系统：超临界不稳定性，地质作用由时间混沌向时空混沌转变 1105

四、延展地质系统：次临界不稳定性，地质系统走向瞬态时-空混沌 1118

第二节 地质事件历史演化的分形动力学 1122

一、Darwin的进化论与Lyell的均变说 1122

二、系统演化的极值动力学 1124

三、系统通过自组织而趋于临界态——自组织临界过程 1124

四、演化过程自组织临界性的分形动力学吸引子——串级“崩塌-间断平衡”的分形谱系结构 1125

五、阈动力学 1132

六、结论 1133

参考文献 1133