环境地质学总论--地质环境系统演化的一般原理ppt课件

1、环境地质学环境地质学分论地质环境系统演化的普通原理Environmental Geology一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念演化是针对系统整体而言的，是系统整体构造、功能随时间的演化是针对系统整体而言的，是系统整体构造、功能随时间的推移有别于先前的构造、功能的改动过程，是系统内部质的改动。推移有别于先前的构造、功能的改动过程，是系统内部质的改动。系统演化又可定义为：系统原有的宏观稳定形状被破坏，经过失系统演化又可定义为：系统原有的宏观稳定形状被破坏，经过失稳阶段，建立新的宏观稳定态的时间过程。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

2、也可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部分甚至某一个点，可以指量的改动也可以指质的改动。针对某一部分甚至某一个点，可以指量的改动也可以指质的改动。u 演化与变化演化与变化变化是演化的根底，没有变化就没有演化；变化是演化的根底，没有变化就没有演化；某些变化能够就是演化，变化也能够是演化的外在变现方式。某些变化能够就是演化，变化也能够是演化的外在变现方式。变化与演化有何联络？变化与演化有何联络？宏观与微观并不是绝对尺度，随研讨对象而变，大时宏观与微观并不是绝对尺度，随研讨对象而变，大时空尺度的微观变化对于小时空尺度的系统而言能够就是演空尺度的微观变化对于小时空尺度的系统

3、而言能够就是演化。化。宏观：系统的整体发生了改动时、空尺度较大微观：系统内部的某一部分地域发生部分或微小的变化u 宏观与微观宏观与微观对于特定系统而言：只需宏观的变化才视之为系统的演化一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念u 信息与信号信息与信号一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念 信息：用以消除随机不确定性的东西，是现实世界各种景象建立联络的一种特殊方式。 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。l信息是认识事物的知识，信号是信息的载体；信息是认识事物的知识，信号是信息的载体；l信号不一定能反响事物真实的信息，存在噪声；信号不一定

4、能反响事物真实的信息，存在噪声；l信息的多少还取决于对信号分析的才干。信息的多少还取决于对信号分析的才干。如何了解信息和信号？信号时间序列：假设信号是以时间顺序陈列的，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、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念如何经过信号提取信息？由构造时空性质决议的；由构造时空性质决议的；描画变化和演化的方法；描画变化和演化的方法；如：封锁空间内感知四季；微震、滑坡位移信号时间序列等。如：封锁空间内感知四季；微震、滑坡位移信号时间序列等。一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念如何从信号时间序列中提取信息？ 分析系统构造变化的主要信号。

5、分析系统构造变化的主要信号。 引起构造变化的主要要素信号。引起构造变化的主要要素信号。 构造要素的时空变化规律。构造要素的时空变化规律。 信号时间序列分析。信号时间序列分析。 系统演化阶段划分。系统演化阶段划分。u 稳定与平衡稳定与平衡一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念 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构成和坚持的，是输入与输出的呼应函数为定值时的宏观形交换的过程中构成和坚持的，是输入与输出的呼应函数为定值时的宏观形状的表述，此时的宏观形状与流入量的大小无关，所以，处于宏观稳定态状

6、的表述，此时的宏观形状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理才干。与之不同的是，处于平衡态的系统其组分的恒定的系统具有自调理才干。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、调理的结果，与系统外界的作用无关；是系统内部物质运动、调理的结果，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求外界物能的输入，也无法做功，其二，存在于孤立系统的平衡态不需求外界物能的输入，也无法做功，据此人们又常笼统地把平衡态称为静态平衡；而稳定态只存在于开放系据此人们又常笼统地把平衡态称为静态平衡；而稳定态只存在于开放系统中，不同时辰的形状与平衡点总有一定间隔，可经过能量

7、的传送做功。统中，不同时辰的形状与平衡点总有一定间隔，可经过能量的传送做功。所以，又把稳定态系统称为动态平衡系统。所以，又把稳定态系统称为动态平衡系统。 n 输入输入n 来自系统的外部环境，是系统内部形状发生变化的作来自系统的外部环境，是系统内部形状发生变化的作用。用。u 输入、输出、呼应输入、输出、呼应地质环境系统地质环境系统输入输入输出输出呼应呼应一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念l并不是一切的作用都看作是输入，有些较小的就忽略不计了，看作是随并不是一切的作用都看作是输入，有些较小的就忽略不计了，看作是随机干扰机干扰l输入可以是力的施加与撤除、热能的传导、物质的补充或减少输入可以

8、是力的施加与撤除、热能的传导、物质的补充或减少l描画输入作用大小、强度有对应的物理量和表征符号，称为输入信号。描画输入作用大小、强度有对应的物理量和表征符号，称为输入信号。假设将输入按信号陈列，就构成输入信号的时间序列。假设将输入按信号陈列，就构成输入信号的时间序列。n 呼应呼应n 在输入的作用下，系统内部所产生的形状变化。在输入的作用下，系统内部所产生的形状变化。u 输入、输出、呼应输入、输出、呼应一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念l系统的呼应可以是整个系统的宏观变化，也可以是系统的某一部分系统的呼应可以是整个系统的宏观变化，也可以是系统的某一部分发生变化发生变化l呼应是系统为顺应

9、外界作用而产生的构造调整呼应是系统为顺应外界作用而产生的构造调整l一个输入能够呵斥多种呼应或呼应表现为多个方面一个输入能够呵斥多种呼应或呼应表现为多个方面l呼应可以用相应物、能、力、化学等目的来表示，称为呼应信号；呼应可以用相应物、能、力、化学等目的来表示，称为呼应信号；呼应过程用呼应信号的时间序列来表达呼应过程用呼应信号的时间序列来表达n 输出输出n 系统内部呼应最终会对外界产生反作用，这种来自系系统内部呼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。统的作用称为系统的输出。u 输入、输出、呼应输入、输出、呼应一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念l输出是指系统对环境的作

10、用，而呼应是系统内部的变化输出是指系统对环境的作用，而呼应是系统内部的变化l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l呼应可以用相应的目的来描画，称为输出信号；其按时间顺序陈列称呼应可以用相应的目的来描画，称为输出信号；其按时间顺序陈列称为呼应信号的时间序列为呼应信号的时间序列n 输入信号时间序列的意义输入信号时间序列的意义n 反映外界环境的作用强度、大小、方式的差别反映外界环境的作用强度、大小、方式的差别n 反映外界作用过程及规律反映外界作用过程及规律u 输入、输出、呼应有何意义？输入、输出、呼应有何意义？一、系

11、统演化的根本概念一、系统演化的根本概念n 呼应信号时间序列的意义呼应信号时间序列的意义n 反映系统的动态变化反映系统的动态变化n 系统演化的判据系统演化的判据n 与输入信号时间序列结合，反映系统的自顺应性和稳与输入信号时间序列结合，反映系统的自顺应性和稳定性定性n 输出信号时间序列的意义输出信号时间序列的意义n 可进展预测预警的指点可进展预测预警的指点n 假设与输入相结合，可制约人类活动的措施假设与输入相结合，可制约人类活动的措施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动摇的景象。u 涨落涨落) 1n()xx(2i一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念如何根

12、据信号时间序列判别系统形状？l涨落是普遍存在的涨落是普遍存在的l包括输入的涨落、呼应的涨落和输出的涨落包括输入的涨落、呼应的涨落和输出的涨落l涨落的描写涨落的描写涨落值涨落值表示均方差；xi为信号形状变量在i时辰的取值；x 为x信号在该时间序列中的平均值；n-1为时间序列的自在度，其中n为样本空间大小，即时间序列的长度。 ) 1n () xx (2in 正常涨落正常涨落n 在一个信号时间序列中，假设不同时间段的信号均值在一个信号时间序列中，假设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

13、，且没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动摇称有趋势性的变化，那么，这个信号时间序列的动摇称为正常涨落。为正常涨落。u 涨落涨落一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念l在外界作用不断变化的情况下，系统呼应的正常涨落是其坚持本身稳在外界作用不断变化的情况下，系统呼应的正常涨落是其坚持本身稳定所必需的，也是系统自我修复、自我调理才干的表达定所必需的，也是系统自我修复、自我调理才干的表达l假设某一地质环境系统宏观呼应的时间序列具有上述特征时，可以断假设某一地质环境系统宏观呼应的时间序列具有上述特征时，可以断定该地质环境系统是宏观稳定的定该地质

14、环境系统是宏观稳定的 n 异常涨落异常涨落n 当一个信号时间序列不同时段的均值不趋于某定值，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，这个信号时间序列均方差也不趋于某定值时，那么，这个信号时间序列的动摇称为异常涨落。的动摇称为异常涨落。u 涨落涨落一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念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方式演化的地质环境系统，也适用于以突变方式失稳的地质环境系统。u 涨落涨落一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念正常涨落和异常涨落的划分要留意时空尺度，在较小时空尺度上属异常涨

15、落，放到较大时空尺度上就属于正常涨落，详细要以研讨目的和研讨对象而定。一、系统演化的根本概念一、系统演化的根本概念二、地质环境系统演化的外部条件二、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；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；地质体的呼应是地质环境系统演化的过程。地质体的呼应是地质环境系统演化的过程。u地质环境系统由人和地质体共同组成如何对待这个复杂系统？l 将地质环境背景视为地质环境系统；将地质环境背景视为地质环境系统；l 将人为活动和地表以上的大气、生物等作用途置为是地将人为活动和地表以上的大气、生物等作用途置为是地质环境系统的输

16、入；质环境系统的输入；l 地质体内部的岩土、水、气和地下生物的形状那么地质体内部的岩土、水、气和地下生物的形状那么视为输入产生的呼应视为输入产生的呼应 。二、地质环境系统演化的外部条件二、地质环境系统演化的外部条件输入复杂的外部环境呼应多要素的系统怎样作用？了解输入和呼应信号变换的关系1101xTHH112202212xTxTHxTHH11223303323xTxTxTHxTHH111 -n1 -nnn0nn1 -nnxTxTxTHxTHH二、地质环境系统演化的外部条件二、地质环境系统演化的外部条件111 -n1 -nnn0nn1 -nnxTxTxTHxTHH 一是一是n n时辰该点的形状即呼

17、应是该点初始形状与时辰该点的形状即呼应是该点初始形状与n n个时段外界输个时段外界输入信号变换的结果之和；入信号变换的结果之和； 二是二是xixi的大小不同，变换算子的大小不同，变换算子TiTi的取值很能够也不同；的取值很能够也不同； 三是随三是随n n的增大，输入作用的奉献会越来越大，当的增大，输入作用的奉献会越来越大，当n n到达一定程度，到达一定程度，H0H0对对HnHn的影响会变得越来越弱，以致可忽略不计，此时，的影响会变得越来越弱，以致可忽略不计，此时，n n时辰的形时辰的形状可以为是状可以为是n n时辰以前输入的总奉献。时辰以前输入的总奉献。 由此可以看出，在一个长的时间过程中，输

18、入对呼应的决议性作用。由此可以看出，在一个长的时间过程中，输入对呼应的决议性作用。 n 滞后滞后n 当某一信号输入时辰与其呼应的初始时辰存在时间差当某一信号输入时辰与其呼应的初始时辰存在时间差的景象称为滞后景象。的景象称为滞后景象。n 如：降雨如：降雨地下水位、滑坡；抽水地下水位、滑坡；抽水地面沉降地面沉降u 信号变换的滞后、延迟与叠加效应信号变换的滞后、延迟与叠加效应二、地质环境演化的外部条件二、地质环境演化的外部条件n 延迟延迟n 某一输入信号所产生呼应历时是长期的，将会继续一某一输入信号所产生呼应历时是长期的，将会继续一定的时间，这种景象称为延迟景象。定的时间，这种景象称为延迟景象。n

19、如：地下水污染如：地下水污染u 信号变换的滞后、延迟与叠加效应信号变换的滞后、延迟与叠加效应n 叠加效应叠加效应n 不同时辰的输入所构不同时辰的输入所构成的多个延迟过程会成的多个延迟过程会在时间和空间上叠加，在时间和空间上叠加，这称为叠加效应。这称为叠加效应。n 如：降雨如：降雨滑坡，滑坡，有效降雨量有效降雨量nncRRRRR22101210121 ncRnRnnRnnRR二、地质环境演化的外部条件二、地质环境演化的外部条件u 地质环境系统演化的外部条件有哪些？地质环境系统演化的外部条件有哪些？影响要素种类、个数的变化影响要素种类、个数的变化单输入单输入多输入；多输入多输入；多输入单输入。单输

20、入。影响要素作用强度的改动影响要素作用强度的改动微小变化微小变化经过涨落化解经过涨落化解稳定；强度变大或变小。稳定；强度变大或变小。影响要素作用速率的改动影响要素作用速率的改动岩溶含水层的顶板能够因岩溶含水层的顶板能够因“真空吸蚀效应真空吸蚀效应而垮落，导致地面塌陷而垮落，导致地面塌陷 影响要素陈列次序的变化影响要素陈列次序的变化主导要素和次要要素的排序主导要素和次要要素的排序:水土流失水土流失二、地质环境演化的外部条件二、地质环境演化的外部条件三、地质环境系统演化的内在机理三、地质环境系统演化的内在机理u 地质环境系统演化的内在条件地质环境系统演化的内在条件系统的构造系统的构造协同作用协同作

21、用任何一种输入外表上能够被视为物理作用，其实是物理任何一种输入外表上能够被视为物理作用，其实是物理的、化学的乃至生物方面的全方位冲击。而且其中任一形状的、化学的乃至生物方面的全方位冲击。而且其中任一形状的变化结果，又会反过来影响其它形状，构成互为因果、连的变化结果，又会反过来影响其它形状，构成互为因果、连锁式的动力学过程，这种景象称为协同作用。锁式的动力学过程，这种景象称为协同作用。 自组织自组织在地质环境系统内部自发构成的，可以使物质运动的各在地质环境系统内部自发构成的，可以使物质运动的各种动力学过程经过协同作用，构成一致指向的行为称为自组种动力学过程经过协同作用，构成一致指向的行为称为自组

22、织。织。协同作用是系统具有自组织才干的主要缘由，而自组织协同作用是系统具有自组织才干的主要缘由，而自组织又是系统坚持稳定时空构造的根本缘由。又是系统坚持稳定时空构造的根本缘由。三、地质环境系统演化的内在机理三、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输入具备正常涨落的特点地质环境系统呼应正常涨落；地质环境系统呼应正常涨落；输入变化很大输入变化很大地质环境系统呼应出现大涨落地质环境系统呼应出现大涨落巨涨落；巨涨落；自组织维护系统稳定自组织维护系统稳定协同作用丧失协同作用丧失自在度增大自在度增大自组自组织破坏原有稳定；织破坏原有稳定；稳定阶段特点：时间序列服

23、从大数定律，均值稳定，均方稳定阶段特点：时间序列服从大数定律，均值稳定，均方差小于均值；差小于均值；失稳阶段特点：均方差不断添加，大于均值。失稳阶段特点：均方差不断添加，大于均值。四、地质环境系统演化的几个阶段四、地质环境系统演化的几个阶段u 稳定形状稳定形状地质环境系统处于稳定阶段时，其宏观的形状具有正常地质环境系统处于稳定阶段时，其宏观的形状具有正常涨落的特点，此时，系统的构造、功能都是稳定、有序的。涨落的特点，此时，系统的构造、功能都是稳定、有序的。曲线具有以下特点：随曲线具有以下特点：随着时间的延续，不同时段的形状着时间的延续，不同时段的形状均值都在横轴也是均值都在横轴也是A A点所在

24、位点所在位置附近，各时段均方差数值也置附近，各时段均方差数值也非常接近；虽然在不同时段动非常接近；虽然在不同时段动摇的幅度因受随机力大小的影响，摇的幅度因受随机力大小的影响，但运动周期大体相近。但运动周期大体相近。这两点恰恰反映了地质环这两点恰恰反映了地质环境系统在稳定阶段的根本特征。境系统在稳定阶段的根本特征。 四、地质环境系统演化的几个阶段四、地质环境系统演化的几个阶段u 失稳形状失稳形状 系统原有的稳定性遭到破坏，宏观形状具有异常涨落的系统原有的稳定性遭到破坏，宏观形状具有异常涨落的特点，属于非平稳的随机过程。特点，属于非平稳的随机过程。 地质环境系统失稳时，系统地质环境系统失稳时，系统

25、未来的走向那么如系统科学所指出未来的走向那么如系统科学所指出的，的，“当系统形状处于临界点时，当系统形状处于临界点时，随机干扰会成为系统形状如何变化随机干扰会成为系统形状如何变化的决议要素。的决议要素。换句话说，在对系换句话说，在对系统未来变化的信息掌握不充分的情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详细道况下，地质环境系统失稳的详细道路和失稳的方式往往是事前难以预路和失稳的方式往往是事前难以预测的。测的。 四、地质环境系统演化的几个阶段四、地质环境系统演化的几个阶段u 失稳形状失稳形状在研讨地质环境系统失稳的问在研讨地质环境系统失稳的问题上，详细时间、地点和规模的准确题上，详

26、细时间、地点和规模的准确预测都面临很大的困难。预测都面临很大的困难。目前独一可行的方法就是提高目前独一可行的方法就是提高野外长期监测的精细度，包括监测点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质背景条件动态变化特征和规律的信息。息。这些信息是自然和人为对地质这些信息是自然和人为对地质体施加作用的综合呼应在时空上的表体施加作用的综合呼应在时空上的表现。掌握地越及时，就越能提高对后现。掌握地越及时，就越能提高对后一时辰系统形状的判别精度。信息滞一时辰系统形状的判别精度。信息滞后越明显，预测效果就越差。后越明显，

27、预测效果就越差。 关于地质环境系统失稳后的未来走向 四、地质环境系统演化的几个阶段四、地质环境系统演化的几个阶段u 稳定态重建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能够恢复到初始的化是不可逆过程，经过失稳阶段的系统不能够恢复到初始的宏观形状。宏观形状。 地质环境系统演化的表现方式地质环境系统演化的表现方式u 渐变渐变其形状的时间序列是延续的，没有延续点，整个时间序其形状的时间序列是延续的，没有延续点，整个时间序列往往