耗散结构混沌分形等新理论在地质学研究
中的应用
第13卷第4期
V oI-13No.4
湖南地质
HUNANGEOLOGY
1994年12月
Dec.1994
一
(『耗散结构混沌分形等新理论
在地质学研究中的应用ApplicationofSomeNewTheoriestoGeology
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AnlntroductiontoDissipativeStructure, ChoasandFractaITheories
素葆瑚B.a~hu
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一
(湖南省地质矿产厅长沙410011) (HunanBureauofGeologY andMineralResources)
一
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掩量地球各暖屡充满了复杂性与千奇百怪的变化+难以捉摸.而经典的数学盐式-物理和化学定
律，都只能用来从事最简单事物的研究，把它们用到地质学研究的复杂环境中击就无法适应了.近年来耗敲结
观察手
构理论，混沌运动与分形科学的发展，提供了研究复杂事蜘的科学方法t特别适合地质学研究的需要.车文对
篓器’，彩及关-调曹嚆l卫塑塾壁煎，苎墨塑皇性,,/，孑弋/Abstr~t:Thespheresoftartbat.efull.fcomp[exJtyandallk~adsofchanges,uni ntelligible.Thecisssi—
catmathe~tica[formula.physie~landchemicallawscaⅡon[ybeudtOworkOnthesimplething~,butnot suitableforthecomplexity.fgeologicre~ch.Withthedevelopmentofdissip ativestructuretheory,chaosand正月十五日
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Key帅rd5}Nonequi[ibri~m,Disip~ti3ructute+ChaoB,Ffactal,FraetM
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1绪论
一
项科学技术的成就，有时能极大地促进一门学科的长足发展,?譬如望远镜对于天文
学，显微镜对于生物学.以及用放射性元素蜕变规律.测定岩，矿石形成年代对于地史学等.
都是一些极其明显的例子.进入廿世纪60年代以来，由于电子计算机技术的普及推广.极大
什么的希望
地促进了各学科迅速发展.其中以物理学，数学，化学等基础科学的发展尤为迅猛.近十余
年间，最引人注目的科学技术成就是耗散结构理论，混沌分形等新概念和新理论的不断涌
现.令人目不暇接，预示着一场空前的新科学革命的到来.
在地质学领域，大部分从业人员对这些新理论毫无所知，在应用这些新理论解决地质学
问题方面相对落后.这一方面是因为这些新理论尚不够成熟完善，另一方面是广大地质人员
对电算技术与这些新理论很不熟悉.要掌握这些新技术方法需要一个过程.本文试图对这些
新理论作一简要介绍，帮助大家了解科学发展的动态.
臣翟-
242湖南地震第13卷
2地质学研究的主要特点
地质学研究有三大难点t
(1)地球是个庞然大物，半径637IKm.而且有71的表面积被水体覆盖.要全面观察
已很不易，更何况对地球内部情况的了解就只能借助地震，重力，地磁，地热等间接探测方
法了.
(2)地球各圈层充满了复杂性与千奇百怪的变化，难以捉摸.人们常说:”世界之大，无口臭是什么原因引起的
奇不有.”指的就是这个意思.
(3)时间的久远性.地球已经存在并演化了45亿年，地质学家要根据现存的各种.形
迹”去判断这期间发生的不可逆过程的概况，无疑是十分困难的0
现有的经典数学，物理，化学等基础科学知识，只能用来从事一般事物的研究，而对上
述地质学的这些难点，它们就显得无能为力了.例如地球上各种物体的形状和现象非常复
杂；崎岖的山岳地带，纵横交错的江河，蜿蜒曲折的海岸线等，其复杂程度用欧几里德(Eu—
美甲图clid)几何学毫无办法对它们作出合乎逻辑的解释.再如牛顿第二定
律是经典动力学的基础,
它只能用来研究可逆过程和守恒系统.然雨事实上自然界发生的大部分宏观过程都是不可逆
通政院
的.如热对流，扩散，生命现象等.在这些过程中，时闻不仅与运动有关，而且与.发展有
关了这就突出反映了研究手段不适应复杂课题的矛盾，这也是地质学长期停留于定性描述
来吧来吧相约九八阶段的重要原因
近年来，非平衡态理论与分形科学的兴起和发展，提供了研究复杂事物的科学方法.一
旦广大地质人员熟悉和掌握了这些新理论新方法.并充分加以应用，定能促使地质学研究长
足发展.
3非平衡态理论与能量耗散结构
世界是复杂的，物质之间的关系也是复杂的，但若对各种复杂的物理现象加以分析，大
体上可以说，它们的状态存在着平衡态与非平衡态两大类.作为各种物理现象的背景条件,
在平衡态的情况下，系统内部所包含的各要素之闫的作用是线性的或近似线性的而非平衡
态系统，其内部各要素之间则存在着非线性的相互作用经典物理学主要研究平衡态和可逆
