談固體地球動力學系統的自組織

楊文采

浙江大學地球科學學院，杭州， 310027

內容提要: 地球在3.8 Ga前不斷有小星體撞擊，屬于不穩定的開放系統，積累了大量物質和能量。太古宙以后開始形成了準圈層結構，轉變為封閉的能量消散系統，并開始建立了系統整體凝聚力和活力之間高度平衡的自組織機制。固體地球系統的重力和化學親和力產生地球系統物質向內運動的凝聚力。地球存儲在地核中的熱能和放射性物質的核能，是驅動和維持著固體地球內部物質向外運動的活力來源。地球的自組織指的就是自我調控系統凝聚力和活力之間平衡的調節能力。固體地球系統局部時空尺度的物質運動是各態遍歷的，大尺度全局的物質運動規律是確定性的，是自組織機制發揮作用的結果。固體地球系統的自組織能力現在還保持在很高的水平。

目前地學界把地球系統劃分為三個子系統：① 地球外層空間系統，即月—地和高空系統；② 由巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈組成的地球表面系統；③ 固體地球(地球內部)系統。固體地球系統是地球的質量核心，也是最難觀測其物質運動的子系統。研究地球內部系統的組成、結構、屬性、相態和自組織機制，才能完全理解人類賴以生存的地球；因此固體地球動力學系統是地球科學研究永恒的主題之一。本文根據近40年來國內外地球成像的結果，尤其是亞洲地區的地球物理成像成果 (楊文采， 2011～2020； 楊文采等, 2011～2020；Yang Wencai，1992～2016; Yang Wencai et al.，1992～2016; Wang et al.，2001; Sun Yanyun et al.，2015,2016; 瞿辰等，2020)，總結對固體地球動力學系統的組成、結構的認知，結合系統理論與地球動力學作用研究，對的固體地球動力學系統的組織機制進行探討。

1 固體地球的組成和結構

固體地球系統有9個功能不同的組元(見表1)。組元① 和 ② 是下地幔和內地核，它們是地球結構的框架，框架指結構最堅實的物質支撐組元。組元 ③ 是外核，它是固體地球物質運動的主要動力來源。組元 ④ 是巖石圈，它是固體地球的保護層。組元 ⑤ 、⑥ 、⑦包括軟流圈、融流體通道和水圈，它們是物質運動的載體。組元 ⑧ 、⑨都是上述組元的過渡層，有上地幔底部層和D”層。上地幔底部層也叫過渡層或者中幔圈，是軟流圈與下地幔之間的過渡層。D”層是外核與下地幔之間的過渡層。過渡層屬于特殊的圈層，它們的組成物質是其上下圈層物質相互滲透構成的，屬性與上下圈層都不同。融流體通道不是單獨的圈層，而是溝通所有圈層的網絡，在地球系統自組織中起獨特的作用。

表1 固體地球組元的特性對比表Table 1 Comparison og the element attributes of the Earth system

固體地球是沒有集中調控組元的準圈層系統，除了融流體通道外，其他組元都是圈層。融流體通道溝通系統內所有圈層的物質運動，不需要有一個組元來集中調控，人類想去集中調控地球也是不可能的。地球圈層內和圈層之間通過多種對流來實現物質的內部循環(圖1)，如地幔對流、外核的磁流體對流和威爾遜循回等(Stacey， 1992; Jolivet and Hataf， 2001)。

圖1 固體地球系統準圈層結構示意圖Fig. 1 Illustration of the quasi-spherical structure of thesolid Earth system

2 多時空尺度圈層系統的復雜性

從系統動力學的角度看，固體地球的空間尺度1～1010cm, 屬于世界的宏觀尺度。固體地球的時間尺度為0～1010a, 屬于世界的天文尺度。世界是多時空尺度層次的復雜系統，它的能量運動有6個維度，分別為空間的3個維度、時間、空間尺度和時間尺度。在物質運動速度遠低于光速的宏觀尺度，經常把物質運動當作四維系統處理。但把對四維系統的視覺直接推廣到六維系統，有時會出現錯誤。

太陽系的空間尺度比地球大得多, 屬于世界的宇觀尺度。太陽系的自組織機制與地球是完全不同的。宇宙的自組織機制是在把高度濃縮的能量轉換為星系物質的同時，通過膨脹盡量減小因物質碰撞造成的能量損失。太陽系的自組織機制是在服從銀河系旋轉和膨脹運動機制的同時，通過引力吸引行星圍繞其旋轉。地球的自組織機制是在重力吸積、物質凝聚的同時，通過分層次的物質對流盡量減小內部熱能的損失。由此可見，宇觀尺度下系統的復雜性體現在層間與層內作用力的對立統一。高級層次通過整體凝聚力控制低層次子系統的能量與物質運動走向，低層次子系統的物質運動在服從高級層次自組織機制的約束下，也在摸索和試驗自己生存發展的能力，這就構成了系統演化中“適者生存”中“適者”必備的各態遍歷屬性。復雜系統中的各態遍歷指具有一定自由度的組元的無法預見的行為。在太陽系中，地球是具有一定自由度的組元，它與其他星球又競爭又協作，體現了太陽系的自組織和各態遍歷。

在現代哲學界研究的系統哲學認為，系統是一種或者多種組織的集合體，它的基本屬性是組織性。例如，生物界的物種進化也形成對應系統的多層次結構，進化較慢的子系統成為進化比較快的子系統的下層體系。系統可分為以自然為研究對象的物理系統和以人類社會為研究對象的認知系統，后者具有進行內省分析的認知組件，而前者沒有。

動力學定義系統為由不同質的組元相互作用形成的組織。行為與秩序只是系統的表象，而系統的內涵是其組織機制。真實世界是一個時空尺度巨大的多層次復雜系統，包含人類能夠感知的所有存在；不僅僅有物質存在，具有能量的精神也是客觀存在。例如，牛頓的身體不存在了，他的精神和留下的知識都存在至今。與系統哲學不同的是，哲學家更重視精神與物質關系的研究，而科學家更側重于具體系統組構、行為、屬性、相態和組織機制的研究。

對于什么是簡單系統，什么是復雜系統，還沒有統一的認識。認為線性系統是簡單系統，非線性系統是復雜系統，有道理； 但是有的非線性系統也可能是簡單系統。目前可以認為，行為符合一一對應因果律的屬于簡單系統，不符合因果律的屬于復雜系統。復雜系統可能一因多果，也可能多因一果。經典物理學中的牛頓動力學模型僅僅是四維的，時、空間尺度限定在適合人類社會的宏觀尺度上。六維世界的動力學系統有分層次的復雜系統屬性，它的行為是多因多果的，大數定理就是多因多果事件統計規律的反映。地球的宏觀維度只是世界系統結構中的一個分層。地球系統是太陽系中下一個層次的子系統。從結構上看，固體地球不是一個簡單的分層系統，而是有物質運動網絡連接的復雜準圈層系統(圖1)。

人造系統的結構往往是集中控制的，反映了人智慧的局限性。自然系統的結構是千變萬化的，有的集中控制，有的協調互動而不需要集中控制，反映自然的各態遍歷屬性。例如，蜂群屬于兩層次的塔形系統，有集中控制；而網絡是平面的多點線聯絡系統，可以不需要集中控制。但是，時空尺度巨大的復雜系統通常是多層次的，常見的有：① 有集中控制的多層次塔形系統，如國家機器。② 多層次網絡系統，如山系、道路網、智能網絡。③ 多層次圈層系統，如銀河系、太陽系和地球。④ 多層次混合多層系統，如人體。人體是由各種細胞組成的更加復雜的系統，包含網絡與圈層的交叉和復合。尤其是人的大腦，要建立從物質到精神轉換的物理化學模型極其困難。

在復雜系統研究中，最可能進行研究的是對系統在平衡態的物質運動建立模型。但是，這種模型不符合系統內部長期的動力學作用研究，也不適合于分層邊界上的作用研究。兩個分層的邊界是系統層與層之間相互作用最活躍的空間，常常形成特殊的邊界層。例如，地球上的生態子系統就是地球巖石圈、大氣圈和水圈交互的特殊的邊界層。地球上的D”層也是物質交換激烈的復雜子系統。對自然界復雜系統長期和精細的演化預測是極其困難的。

3 對立統一規律與二元系統組織機制模型

自然界復雜系統的定量建模雖然很困難，但是有定性的建模范例。馬克思從邏輯推演抽象出來的辯證法，指明了客觀世界動力作用的內在原理。辯證法中對立統一、量變質變和否定之否定這三大規律，對于地球科學研究的思維都具有重要的指導作用。對立統一規律抽象出有普遍意義的二元矛盾系統的簡約模型。從動力學系統的作用力分析可見，對立統一規律揭示了動力學系統具有的共同特點：凝聚力與活力的對立統一，是事物發展變化的源泉和動力。二元矛盾系統的不同相態反映了系統凝聚力與活力的對立統一的特征(表2)。

表2 二元動力學系統的對立統一相態特征Table 2 Attributes of unity of opposites of dynamic system phases

地球系統的凝聚力主要來自地幔和內核的重力，它們都是在地球早期由于萬有引力作用形成的。地球早期在重力吸積作用和高溫下的重力分異作用下，形成了地幔和地核，這兩種作用的交會形成了系統的正反饋，使地球的凝聚力不斷增強。太古宙地球的重力吸積作用變弱了，但是由于降溫形成了保護組元巖石圈，使固體地球成為穩定的正反饋凝聚系統。系統的正反饋使地球的凝聚力保持穩定。

地球系統的活力主要來自外核的熱力，作為動力組元的外核的熱能在地球早期由于小星體碰撞形成，一直保留到現今。地球內部放射性物質的核能也為地球提供熱能。由于固體地球的散熱作用主要發生在地球的表層，地核的熱能在重力分異作用下形成了磁流體循環的外地核，并通過融流體通道網絡傳遞到整個地幔，促進了軟流圈、D”層和上地幔底層的融流體循環運動，體現了固體地球源源不息的活力。地球的水圈從表面的海洋一直滲透到整個上地幔，是固體地球物質運動活力的催化劑。水圈與融流體通道共同構成貫通全部地球的融流體通道網絡，通過低黏度的載體使地球物質運動充滿活力。

辯證法的量變質變規律揭示系統相變事件發展過程具有的共同特點，系統的相變就是指在各態遍歷力辟演化新徑時從量變發展造成質變的規律性。地球凝聚力的主方向是向內的，地球熱力的主方向是向外的，但是在圈層的邊界又發生轉折。凝聚力與活力產生的兩種性質不同作用的交會，構成了固體地球對立統一的復雜二元系統，系統的組織機制與相態取結于凝聚力與活力作用的平衡。表2中列出了二元矛盾系統從萌芽到湮沒的8種主要相態，它們是① 相遇，② 涌現，③ 協同，④ 平衡，⑤ 準平衡，⑥ 失衡，⑦ 臨界，⑧ 混沌。從地球物質運動反映的力量對比來看，固體地球系統目前處于準平衡相態。辯證法的否定之否定規律揭示了矛盾運動過程具有的另一個共同特征：二元系統中主導力量通過自我否定使演化軌跡逆轉，促進系統動力方向的轉化和自組織能力的提升。地球巖石圈多次相變構成了演化的威爾遜循回(楊文采, 2015; Yang Wencai， 2015)，體現了否定之否定規律的普適性。

4 地球系統的活力與其各態遍歷屬性

自然系統都具有一定程度的各態遍歷屬性，反映組元的活力(楊文采, 2008)。系統的一個狀態在相空間中由一個點代表，系統各態遍歷，指在系統在長期演化過程中進入相空間中每一個點的概率都不會永遠等于零。多層次結構的復雜系統中組元的物質運動的普適規律，一方面體現在多層次結構的系統中，受控于局部的下層子系統要服從上層(整體)設定的自組織規律。二方面是在本層次子系統內的運動軌跡力求各態遍歷。例如，地球圍繞太陽旋轉是大時空尺度維上設定的運動規律，而地球上大陸的飄移、碰撞和裂解，是在地球時空尺度維上自身各態遍歷的天性使然。

地質學研究表明，巖石圈沒有完全一樣的兩塊石頭，也沒有完全一樣的兩個構造，說明地球系統在力圖摸索和試探自己生存發展機制的更新，以適應環境持續的變化。各態遍歷反映自然有一種內在的“與時俱進”品格與屬性，在一定的時空尺度內總是力辟其演化軌跡的新徑，不走回頭路，這正是系統活力所在。大自然的和諧永存和各態遍歷屬性是共存的，凝聚力促進和諧永存，各態遍歷促進繁榮昌盛。人類出現是宇宙演化過程中偶然出現的事件，出現的概率非常小。因此，要保持人類在地球上的長期存在是一件非常不容易的事情。努力保持人類社會的長期和諧存在，是人類的共同愿望和價值。人類只有學習自然的和諧永存和各態遍歷的屬性，才能長期和諧存在。

世界上有大大小小無數個動力學系統，其結構都有所區別。但是，各態遍歷的結果不是系統演化軌跡的均勻分布，而是系統演化軌跡的不重復，正是因為軌跡不重復，才使系統具有活力，創造出無窮無盡的世界萬物。一個動力學系統的能量同時產生凝聚力和活力，凝聚力是約束的力量，而活力不是。活力是在一定的時空尺度內力辟演化軌跡的新徑，不走回頭路的力量，是各態遍歷屬性的根源。系統組元運動的自由度是其各態遍歷屬性的度量。耗散結構系統的“漲落”描述系統狀態隨環境的隨機變化，這種隨機變化就是系統整體上各態遍歷屬性的表現。但是各態遍歷具體的內容是難以用準確的方程來定量描述的，僅僅在統計學角度上看是有序和有規律可循的。

世界系統行為的后果是改變了世界，改變世界的事件的產生要消耗一定的能量，從消耗能量的角度看，世界系統事件的發生符合大數定理。各態遍歷產生了大量不相同的事件，其中特征量越大的同類事件發生幾率就越小。特征量指能量(或者時空尺度)，能量巨大的事件發生的頻數極低，而隨著能量的減少事件發生的頻數逐漸增加。這個規律稱為大數定理，它反映了世界系統整體與局部具有的內在自相似性。地震的能級與頻數的關系在雙對數平面座標系中表示為一條直線，完全符合大數定理。地震是地球為防止系統破裂而進行的地應力自動釋放，反映了地球系統在各態遍歷的物質運動中的自組織。

5 固體地球系統的自組織

地球系統屬于能量消散系統，能量的消散會使系統活力逐漸減小，變得老化, 其作用過程符合熱力學第二定律。地球的生物圈是依靠太陽能運轉的開放系統，是地球表面通過吸收太陽能量造成熵減的系統，其作用過程不符合熱力學第二定律。生物圈必須通過吸收外來能量造成熵減才能生存，地球不是這樣。地球主要是通過內部積存的能量來保持活力的能量保守系統，固體地球的組織要求她內部積存的能量的散發最小化，在太古宙以后系統的熵增是逐漸減小的。如果不受天體的干擾，地球會從初期的巖漿洋覆蓋的相態，慢慢冷卻，順序地形成島嶼、大陸塊、大陸洲，超級大陸；最后成為一個內核完全固化、海洋全部消失的死寂星球。這個周期在火星可能只有1.0 Ga，在地球上可能會有 15.0 Ga。地球之所以能夠長期生氣勃勃、保持活力，就是因為她有比其他星球更強的自組織機制。地球的自組織指的就是自我調控系統凝聚力和活力之間平衡的能力。

地球是一個能量流動系統，能源包括勢能、熱能、化學能、核能和外來的太陽能。地球的重力和化學親和力產生地球系統物質向內運動的凝聚力。地球存儲在地核中的熱能和放射性物質的核能，是驅動和維持著固體地球內部物質向外運動的活力來源。地球接受的太陽能量比其內部能量小兩個級次，它驅動和維持著地球表面流體物質的運動與生命系統的生存。地球系統物質向內運動增加系統凝聚力，向外運動的活力散發地球內部的熱能和核能。地球系統的自組織表現在其物質向內運動凝聚力和向外運動的活力的平衡調節上，能夠在保持活力的同時盡量減少地球內部的熱能和核能的散失。

地球超強的自組織能力表現在其內部物質運動形成的細結構上。地球系統物質向內運動的凝聚力主要是重力和化學親合力，它使地球的密度向內逐漸增加。固體地球向外運動的活力主要是熱力，它反映在地球的溫度向外逐漸減小。因此，固體地球內部密度和溫度平均曲線的對稱性就反映了系統凝聚力和活力的平衡；而密度和溫度曲線的不對稱性就反映系統凝聚力和活力的平衡破缺。地球物理學研究表明( Stacey, 1992; Jolivet and Hataf， 2001)，現今固體地球內部密度和溫度平均曲線的對稱性非常好(圖2)，表明地球處在自組織能力強、系統凝聚力和活力之間高度平衡的相態。

圖2 固體地球內部密度和溫度平均曲線的對比(據Hartmann, 1999)Fig. 2 Comparison of the average density and temperature curves with depth of thesolid Earth (from Hartmann, 1999)

6 結論

從現今的地質資料看來，地球在太古宙以后, 開始形成了準圈層結構，轉變為封閉的能量消散系統，并開始建立了系統凝聚力和活力之間高度平衡的自組織機制。固體地球系統的重力和化學親和力產生地球系統物質向內運動的凝聚力。地球存儲在地核中的熱能和放射性物質的核能，是驅動和維持著固體地球內部物質向外運動的活力來源。地球的自組織指的就是自我調控系統凝聚力和活力之間平衡的調節能力。固體地球系統局部時空尺度的物質運動是各態遍歷的，大尺度全局的物質運動規律是確定性的，是自組織機制發揮作用的結果。固體地球系統的自組織能力現在還保持在很高的水平。