环境地质学总论--地质环境系统演化的一般原理

1提纲•一、系统演化的基本概念•二、地质环境系统演化的外部条件•三、地质环境系统演化的内在机理•四、地质环境系统演化的几个阶段2一、系统演化的基本概念演化是针对系统整体而言的，是系统整体结构、功能随时间的推移有别于先前的结构、功能的改变过程，是系统内部质的改变。（系统演化又可定义为：系统原有的宏观稳定状态被破坏，经过失稳阶段，建立新的宏观稳定态的时间过程。）变化可以指系统内部也可指外部环境，即可针对系统整体也可针对某一局部甚至某一个点，可以指量的改变也可以指质的改变。演化与变化变化是演化的基础，没有变化就没有演化；某些变化可能就是演化，变化也可能是演化的外在变现形式。变化与演化有何联系？3宏观与微观并不是绝对尺度，随研究对象而变，大时空尺度的微观变化对于小时空尺度的系统而言可能就是演化。宏观：系统的整体发生了改变（时、空尺度较大）微观：系统内部的某一局部地区发生局部或微小的变化宏观与微观对于特定系统而言：只有宏观的变化才视之为系统的演化一、系统演化的基本概念4信息与信号一、系统演化的基本概念信息：用以消除随机不确定性的东西，是现实世界各种现象建立联系的一种特殊形式。信号：是信息的载体，是发送信息的手段，信号的种类越多，变化规律越复杂，能传送的信息越多。信息是认识事物的知识，信号是信息的载体；信号不一定能反应事物真实的信息，存在噪声；信息的多少还取决于对信号分析的能力。如何理解信息和信号？5信号时间序列：如果信号是以时间顺序排列的，即为××信号时间序列。从时间信号序列中可以看出变化方式，从而提取信息。一、系统演化的基本概念如何通过信号提取信息？由结构时空性质决定的；描述变化和演化的方法；如：封闭空间内感知四季；微震、滑坡位移信号时间序列等。6一、系统演化的基本概念如何从信号时间序列中提取信息？①分析系统结构变化的主要信号。②引起结构变化的主要要素信号。④结构要素的时空变化规律。③信号时间序列分析。⑤系统演化阶段划分。7稳定与平衡一、系统演化的基本概念其一，处于稳定态的系统，内部组分比的恒定，是系统与外界环境物能交换的过程中形成和保持的，是输入与输出的响应函数为定值时的宏观状态的表述，此时的宏观状态与流入量的大小无关，所以，处于宏观稳定态的系统具有自调节能力。与之不同的是，处于平衡态的系统其组分的恒定是系统内部物质运动、调节的结果，与系统外界的作用无关；其二，存在于孤立系统的平衡态不需要外界物能的输入，也无法做功，据此人们又常形象地把平衡态称为静态平衡；而稳定态只存在于开放系统中，不同时刻的状态与平衡点总有一定距离，可通过能量的传递做功。所以，又把稳定态系统称为动态平衡系统。8输入来自系统的外部环境，是系统内部状态发生变化的作用。输入、输出、响应地质环境系统输入输出响应一、系统演化的基本概念并不是所有的作用都看作是输入，有些较小的就忽略不计了，看作是随机干扰输入可以是力的施加与撤除、热能的传导、物质的补充或减少描述输入作用大小、强度有对应的物理量和表征符号，称为输入信号。如果将输入按信号排列，就构成输入信号的时间序列。9响应在输入的作用下，系统内部所产生的状态变化。输入、输出、响应一、系统演化的基本概念系统的响应可以是整个系统的宏观变化，也可以是系统的某一局部发生变化响应是系统为适应外界作用而产生的结构调整一个输入可能造成多种响应（或响应表现为多个方面）响应可以用相应物、能、力、化学等指标来表示，称为响应信号；响应过程用响应信号的时间序列来表达10输出系统内部响应最终会对外界产生反作用，这种来自系统的作用称为系统的输出。输入、输出、响应一、系统演化的基本概念输出是指系统对环境的作用，而响应是系统内部的变化由于地质环境系统是开放的非线性系统，并不是输入什么就输出什么响应可以用相应的指标来描述，称为输出信号；其按时间顺序排列称为响应信号的时间序列11输入信号时间序列的意义•反映外界（环境）的作用强度、大小、方式的差异•反映外界作用过程及规律输入、输出、响应有何意义？一、系统演化的基本概念响应信号时间序列的意义•反映系统的动态变化•系统演化的判据•与输入信号时间序列结合，反映系统的自适应性和稳定性输出信号时间序列的意义•可进行预测预警的指导•若与输入相结合，可制约人类活动的措施12信号时间序列中一些瞬间值偏离其长时间平均值，从而使整个时间序列呈现震荡（波动）的现象。涨落)1n()xx(2i一、系统演化的基本概念如何根据信号时间序列判断系统状态？涨落是普遍存在的包括输入的涨落、响应的涨落和输出的涨落涨落的刻画——涨落值σ表示均方差；xi为信号（状态变量）在i时刻的取值；x为x信号在该时间序列中的平均值；（n-1）为时间序列的自由度，其中n为样本空间大小，即时间序列的长度。)1n()xx(2i13正常涨落在一个信号时间序列中，若不同时间段的信号均值趋于某定值，且均方差也趋于某定值，或者说，不同时段的均值和均方差各在某定值的较小领域内，且没有趋势性的变化，那么，这个信号时间序列的波动称为正常涨落。涨落一、系统演化的基本概念在外界作用不断变化的情况下，系统响应的正常涨落是其保持自身稳定所必需的，也是系统自我修复、自我调节能力的体现如果某一地质环境系统宏观响应的时间序列具有上述特征时，可以判定该地质环境系统是宏观稳定的14异常涨落当一个信号时间序列不同时段的均值不趋于某定值，均方差也不趋于某定值时，那么，这个信号时间序列的波动称为异常涨落。涨落一、系统演化的基本概念15•地质环境系统失稳的主要判据：地质环境系统由宏观的正常涨落变为异常涨落这一判据不仅适用于以渐变形式演化的地质环境系统，也适用于以突变形式失稳的地质环境系统。涨落一、系统演化的基本概念•正常涨落和异常涨落的划分要注意时空尺度，在较小时空尺度上属异常涨落，放到较大时空尺度上就属于正常涨落，具体要以研究目的和研究对象而定。16一、系统演化的基本概念17二、地质环境系统演化的外部条件来自外部环境和人工子系统的输入是地质环境系统演化的动力；地质体的响应是地质环境系统演化的过程。地质环境系统由人和地质体共同组成——如何看待这个复杂系统？将地质环境背景视为地质环境系统；将人为活动和地表以上的大气、生物等作用处理为是地质环境系统的输入；地质体内部的岩（土）、水、气和地下生物的状态则视为输入产生的响应。18二、地质环境系统演化的外部条件输入（复杂的外部环境）响应（多要素的系统）怎样作用？了解输入和响应信号变换的关系1101xTHH112202212xTxTHxTHH11223303323xTxTxTHxTHH111-n1-nnn0nn1-nnxTxTxTHxTHH……19二、地质环境系统演化的外部条件111-n1-nnn0nn1-nnxTxTxTHxTHH……一是n时刻该点的状态（即响应）是该点初始状态与n个时段外界输入信号变换的结果之和；二是xi的大小不同，变换算子Ti的取值很可能也不同；三是随n的增大，输入作用的贡献会越来越大，当n达到一定程度，H0对Hn的影响会变得越来越弱，以至可忽略不计，此时，n时刻的状态可认为是n时刻以前输入的总贡献。由此可以看出，在一个长的时间过程中，输入对响应的决定性作用。20滞后当某一信号输入时刻与其响应的初始时刻存在时间差的现象称为滞后现象。如：降雨——地下水位、滑坡；抽水——地面沉降信号变换的滞后、延迟与叠加效应二、地质环境演化的外部条件延迟某一输入信号所产生响应历时是长期的，将会持续一定的时间，这种现象称为延迟现象。如：地下水污染21信号变换的滞后、延迟与叠加效应叠加效应不同时刻的输入所形成的多个延迟过程会在时间和空间上叠加，这称为叠加效应。如：降雨——滑坡，有效降雨量nncRRRRR22101210121ncRnRnnRnnRR二、地质环境演化的外部条件22地质环境系统演化的外部条件有哪些？①影响因素种类、个数的变化单输入—多输入；多输入—单输入。②影响因素作用强度的改变微小变化—通过涨落化解—稳定；强度变大或变小。③影响因素作用速率的改变岩溶含水层的顶板可能因“真空吸蚀效应”而垮落，导致地面塌陷④影响因素排列次序的变化主导因素和次要因素的排序:水土流失二、地质环境演化的外部条件23三、地质环境系统演化的内在机理地质环境系统演化的内在条件——系统的结构协同作用任何一种输入表面上可能被视为物理作用，其实是物理的、化学的乃至生物方面的全方位冲击。而且其中任一状态的变化结果，又会反过来影响其它状态，构成互为因果、连锁式的动力学过程，这种现象称为协同作用。自组织在地质环境系统内部自发形成的，能够使物质运动的各种动力学过程通过协同作用，形成统一指向的行为称为自组织。协同作用是系统具有自组织能力的主要原因，而自组织又是系统保持稳定时空结构的根本原因。24三、地质环境系统演化的内在机理地质环境系统如何从稳定走向失稳？输入具备正常涨落的特点→地质环境系统响应正常涨落；输入变化很大→地质环境系统响应出现大涨落→巨涨落；自组织维护系统稳定→协同作用丧失→自由度增大→自组织破坏原有稳定；稳定阶段特点：时间序列服从大数定律，均值稳定，均方差小于均值；失稳阶段特点：均方差不断增加，大于均值。25四、地质环境系统演化的几个阶段稳定状态地质环境系统处于稳定阶段时，其宏观的状态具有正常涨落的特点，此时，系统的结构、功能都是稳定、有序的。曲线具有以下特点：①随着时间的延续，不同时段的状态均值都在横轴（也是A点所在位置）附近，各时段均方差数值也十分接近；②尽管在不同时段波动的幅度因受随机力大小的影响，但运动周期大体相近。这两点恰恰反映了地质环境系统在稳定阶段的基本特征。26四、地质环境系统演化的几个阶段失稳状态系统原有的稳定性遭到破坏，宏观状态具有异常涨落的特点，属于非平稳的随机过程。地质环境系统失稳时，系统未来的走向则如系统科学所指出的，“当系统状态处于临界点时，随机干扰会成为系统状态如何变化的决定因素。”换句话说，在对系统未来变化的信息掌握不充分的情况下，地质环境系统失稳的具体道路和失稳的形式往往是事前难以预测的。27四、地质环境系统演化的几个阶段失稳状态在研究地质环境系统失稳的问题上，具体时间、地点和规模的精确预测都面临很大的困难。目前唯一可行的办法就是提高野外长期监测的精细度，包括监测点的密度和时间间隔，以便从中获取地质背景条件动态变化特征和规律的信息。这些信息是自然和人为对地质体施加作用的综合响应在时空上的表现。掌握地越及时，就越能提高对后一时刻系统状态的判断精度。信息滞后越明显，预测效果就越差。关于地质环境系统失稳后的未来走向28四、地质环境系统演化的几个阶段稳定态重建地质环境系统由异常涨落转变为正常涨落，或者说从无序变为有序的过程称为稳定态重建阶段。地质环境系统的演化是不可逆过程，经过失稳阶段的系统不可能恢复到初始的宏观状态。29地质环境系统演化的表现形式渐变其状态的时间序列是连续的，没有间断点，整个时间序列往往具有明显的上升或下降的趋势。渐变的过程中，系统的结构、功能呈现缓慢的变化。伴随着这些变化，出现对人不利的地质环境问题。地质环境的渐变演化符合传统规律，可沿用系统稳定状态的数学方法进行预测。四、地质环境系统演化的几个阶段30突变与渐变不同的是，突变前后的整个时间序列在某一处中断，或者说出现断点。突变强调的是变化的瞬间性、骤然性，指的是在可以忽略的时间间隔内完成的系统性质（结构、功能）的突然改变。突变往往引发突发性地质环境问题即地质灾害。地质环境的突变问题具有多解性和难以预测性。目前可行的做法是刻画系统的整体状态、行为、特征的动力学变化，不刻意追究其内部细节的动力学过程。四、地质环境系统演化的几个阶段31渐变与突变有何关系？①渐变与突变可以在同一系统中同时发生②渐变与突变的相互影响渐变的过程可能是突变过程的诱因，突变过程反过来又