1、1“中国大陆现今地壳运动变形动力系统”演化与地震灾变行为周硕愚 中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室） ，武汉，430071【摘 要】回顾多种地震模式学术思想的演化及其践行效果。在地球系统科学框架下，以近五十年地震大地测量学观测结果为基础，结合地球物理学、地质学、岩石力学、复杂动力系统理论等相关学科新进展、追寻了由地球诞生至大陆现今地壳运动的自组织演化进程；提出了“中国大陆岩石圈现今地壳运动-变形动力系统”的基本概念，它可望成为连结多种观测手段和模型方法，促进学科交叉研究的框架。地震是动力系统演化多种行为中的一种突变暂态行为。在动力系统吸引子（attractors ）主宰下的现今地壳运
2、动的基本动力学状态是自组织稳定态（Self-Organized Stable State） ，而非自组织临界态（ SelfOrganized Criticality） 。地震孕发过程是系统演化进程中局部空时域偏离常态后为保持自身稳定的一种自调节行为。地震具有可预测性和预测的不完全确定性。提出几种研究动力系统演化和地震监测预测的科学途径，包括寻觅中国大陆地震预测之道；发展揭示动力系统演化的整体动态组合观测理论与技术；观测-模拟- 预测正常动态（稳态）以识别异常；地震地壳形变循回模式及其动力学过程；地震大地测量图像动力学预测 一种介于现象学与动力学之间的“ 斑图动力学” （Pattern Dyna
3、mics） ；大地震破裂临界与短临预测；对地震、地震预测和地震预报的再思考等。1 地震模式学术思想的演化与启示模式是科学认知征途中不可缺失的一个承前启后的必要环节。地震模式是地震预测中归纳与演绎的必须（傅承义，1993） ，观测与模式的结合才是通向地震预测之路（Keiiti Aki ，2003） 。地震大地测量学不仅能有效监测地壳脆性层中应变的积累与释放，还能监测包括地球深部的物质运移与密度变化；因此地震大地测量学与地震模式具有天然密切的相互倚重关系。地震模式是在实践结果（野外观测、震例分析、室内实验）启发下，经过科学思维凝练升华后，提出的对地震成因和孕发过程的一种理解与解释。但由于自然过程的
4、复杂性、观测信息的不充分（特别是对地球内部） 、大地震样本的稀少等；迄今为止，已提的出各种地震模式都仍具有不同程度的“相对性”和科学假说的性质，有待进一步检验与完善。 作者简介：周硕愚，男，1937 年生，研究员、博导，长期从事大地测量与地球动力学、地壳形变与地震预报研究。E-Mail: 21.1 回眸：随时间演化的地震模式提出的地震模式必然受到当时观测技术、科学思想和科学界整体认知水平的制约，因此地震模式的学术思想也必然存在着变化或演化的历程。已提出的地震模式至少有数十种，各有其风采，恕不能尽述。表 1 仅从学术思想的视角，按时间先后列出了近百年（19102003）来较典型的九种地震模式，简
5、述了其要点。它们似可归为三类。表 1 几 种 不 同 学 术 思 想 的 地 震 模 式 要 点 及 提 出 年 代模式名称 提出者与年代 要点类弹性回跳模式扩容模式（ DD）裂隙串通模式（IEP）类组合模式红肿学说坚固体孕震模式（以坚固体为“核”的孕震系统演化模式 )类碎裂圈、塑性圈和软流圈耦合作 用下的断层形变 -地震循回模式脆性上地壳、韧性下地壳和上地幔三层耦合地震模式预测地震(和火山喷发 )的地震学新理念与途径Reid，1910J.H.Whitcomb；C.H.Scholz，1973；.，1973郭增建，1973傅承义，1976梅世蓉1995C.H.Scholz ，1990，2002M
6、.D.Zoback，J.Townend2001Keiiti Aki （安艺敬一） ，2003地壳运动使岩石层中的断层累积弹性剪切变形，变形达到临界值岩石发生断裂错动（地震） ，尔后岩石又重回未变形状态，但两侧岩体已位移。弹性应变累积，岩石扩容膨胀，裂隙产生，流体进入，孔隙压力增大,摩擦力降低导致断层滑动破裂（地震） 。构造应力作用下，随机分布的微裂隙相互作用，数目与尺度缓慢增加。由于介质的非均匀性，裂隙在一个狭窄带（如断层带）内剧烈增加，串通发展为一系列相对大的裂隙形成了不稳定变形窄带；丛集裂隙雪崩式地串通，破裂加速扩展直至地震发生。断层的应力积累单元（摩擦阻力较大地段）与其两端的应力调整单元
7、（摩擦阻力较小地段） ；共同组合，相互作用，导致地震孕育发生。较大地震发生前，在远比震源区大很多的范围内，可能出现由于岩石变形、物质迁移等导致的应力加速积累的异常区（红肿区） 。震源体为坚固体（较大破裂强度块体或断裂带上的强闭锁段）它被破裂强度或摩擦强度较低的介质结构与性质都不均匀的空间环境所包围（包括规模不等的断层和侵入体） 。经过坚固体和外环境相互作用，出现一系列地震活动与地壳形变的协同性变化，导致在坚固体内发生大震。模式全称是非匀介质中非均匀坚固体孕震模式；梅世蓉的合作者周硕愚 称之为“以坚固体为 核的孕震系统演化模式”。当断层上部脆性层处于闭锁状态时，其下部（深部）韧性层依然持续地以速
8、率 Vs 作无震滑动，由于运动受阻导致脆性层变形应变积累，直至大地震发生；释放弹性应变能、脆性层同震位错并形成破裂带，使上部和下部（深部）的相对运动在短暂时间内趋于同步。震后经历一个调整时段，断层上部脆性层重新闭锁，进入下一轮的断层形变-地震循回。岩石圈的三个层次之间相互耦合。下两层次中的稳态蠕变会增加上面脆性层中的应力：某区域构造稳定之所以稳定，是因为此区域的韧性层变形率低，而活动地区之所以活动是因为其韧性层变形率高。地震孕发来至岩石圈深部与浅部不同物性层次间的动力学耦合，与火山过程是基本相似的，两者都是地球动力学与非线性动力学的接触点。在脆-韧转換带中韧性断裂的增加使尾波 Q-1 增加，同
9、时在同一尺度上产生应力集中使震级近于 Mc 的地震频度 N（Mc）增大。在不同的地域均发现：在正常时段，尾波 Q-1 随时间的变化与N（ Mc）同步，二者正相关，但是在大地震前，前者要滞后于后者14 年。与普利高津不可逆过程热力学的耗散系统理论是吻合的。3韧性部分和脆性部分的相互作用，在地震发生和火山爆发的前兆现象中发挥了重要作用。1.2 仅考虑了震源区（或发震断层段）的模式 弹性回跳模式来源于对 1906 年圣安德烈斯断层大地震的水平形变观测。扩容模式（DD）和裂隙串通模式（IEP）主要源于对小样本岩石破裂实验结果的类比。它们都是孤立地只考虑了震源区本身，而实际上震源区只是大自然孕震系统中的
10、一个部分，它是无法同周围的、深部的构造环境和动力作用分割开来的。DD“湿模式”和 IEP“干模式”对多种前兆手段（波速比、形变、电阻率、微裂面积、水流速、氡含量、b 值、地震次数等）的异常时变过程曾有过明确的规定， “它们都导出多种前兆应发生的次序。但两个模式后来都被证明是失败的” （傅承义，1993） 。由于其本身的缺陷基于孤立的，简单化的，完全确定论的还原论推理，难以符合大自然复杂系统的实况，因而经受不住实践的检测。但这三种模式在科学认知上都有其不可否认的贡献。尤其是弹性回跳模式，它抓住了地震发生在上地壳脆性层中，弹性变形（应变）由逐渐累积到突然释放又回归常态这一本质，故有其生命力，至今仍
11、被不断拓展和改进，使之逐渐逼近于大自然的真实。DD“湿模式”中的流体进入裂隙，孔隙压力增大摩擦力降低的机理在水库诱发地震中得到验证。IEP“干模式”中的不稳定变形窄带内，裂隙雪崩式串通高速扩展，其实质正是系统演化至一定条件下所涌现的“正反馈”机理，对探索大地震的成核过程与短临前兆是有益的。1.3 震源区和周围构造环境作为一个系统整体考虑的模式随着观测技术的进步，广域信息的获取，对大陆强震前兆的定量研究以及系统科学理论的启示，科学家们意识到必须将震源区和周围构造环境作为一个整体来研究；否则既不能解释为什么震源要出现于此地而非彼地，也不能解释广域内多种震前异常的时空关系。傅承义指出“许多地震预报工
12、作者由于受地震断层成因假说的束缚，只将注意力集中在断层所在的地点，这样就大大限制了观测的范围。其实，地震时能量的释放固然集中在断层错动的地方，但能量积累所影响的范围却大得多” ， “临震之前，相当大的一部分地球介质已经处于应力加速积累的状态。这部分介质可以叫孕震区（以前笔者曾称它为红肿区） ”， “孕震区不等于由余震所划出的震源区，前者比后者要大得多”（傅承义，1976） 。看似寥寥数语，却道出了一个超越当时国际时尚认知的更先进的地震思维模式“红肿模式” ，其实质是具有重要开拓意义的孕震系统概念模式。组合模式（郭增建，1979）发展和丰富了弹性回跳模式。阐明了断层的应力积累单元与其两端的应力调
13、整单元之间关系及其在地震孕发过程中的作用。在断层的特定条件下，实现了震源区和周围构造环境的结合。“非均匀介质中非均匀坚固体孕震模式” （ 梅世蓉，1996） ，考虑了板块内部大陆地震的构造环境和孕发过程不同于板间地震的更为复杂的特性。通过对不同时-空尺度4内一系列地震活动异常与地壳形变异常相互关系的定量研究，观测数据与数值模拟，地球物理学与系统科学的结合，实际探讨了坚固体（震源区）与广阔外部构造环境的之间相互作用过程和如何导致在坚固体内发生大震的物理机理。它比组合模式更广义；又是红肿模式的具体化和定量化。梅世蓉的合作者周硕愚将该模式称为“以坚固体为系统核的孕震系统演化模式” （周硕愚，1995
14、） 。 “非均匀介质中非均匀坚固体孕震模式”超越了多年来地震模式研究中的“还原论”局限，强调相互作用，在如何认知地震孕发自然规律上跃升到一个新的层次。1976 年唐山 7.8 大震发生中国大陆华北活动地块内部一条长度甚短且未完全联通的唐山断裂上，用过去的各种地震模式均难以解释，而用非均匀介质中非均匀坚固体孕震模式则能理解其成因与孕发过程；而孕震系统演化理念又引导出“孕震系统的信息系统方法” 、 “形变场图像（斑图）动力学方法” （周硕愚，1991、1994、1996） 。将此模式的理念和方法应用于一些大地震的预测和“平安预测”也取得了可喜的实效，前者如对 1996-02-03 云南丽江 7.0
15、 级地震的预测（中国地震局地震研究所 1996 年度全国地震趋势研究报告，1995 年 11 月；周硕愚，1998；施顺英，2007） ；后者如 1989年大同 6.1 级等强震后，对首都圈近期地震形势的“平安预测” （国家地震局首都圈地震分析预报及现场工作组分析预报中心、综合队、一测中心和地震所，1972） 。然而无论是“前三种” 弹性回跳模式、扩容模式（DD） 、裂隙串通模式（IEP） ，还是 “后三种”组合模式，红肿模式和坚固体孕震模式，都没有明确地实际地考慮逐步积累和突然释放弹性应变能的脆性层（上地壳）与深部韧性层、软流圈（中下地壳、上地幔）之间的动力学耦合对地震孕发过程不可忽视的作用
16、。这也许就是原有的各种地震模式，在面临 2008 年四川汶川 8.0 级大震时均显得力不从心的原因。1.4 地壳上部脆性层和深部韧性层与软流圈作为一个系统整体考虑的模式20 与 21 世纪之交，多项高新技术的综合应用增强了深部探测能力，大陆动力学的兴起，久攻不克的地震预测难题和地球系统科学，复杂系统理论的启示等；一些科学家将岩石圈的三个圈层作为一个整体系统来研究地震成因及其孕发过程，于是涌现了一批以岩石圈不同深部层次动力学耦合为基础的地震模式。碎裂圈、塑性圈和软流圈耦合作用下的断层形变-地震循回模式（C.H.Scholz，1990，2002） ，以岩石圈深浅部耦合的动力学研究，改善和推进了“弹
17、性回跳模式” 、 “组合模式”以及他多年研究的地震与断层力学（The mechanics of earthquake and faulting） ，使之上升到科学认知的新高度。脆性上地壳、韧性下地壳和上地幔三层耦合地震模式（M.D. Zoback, J. Townend，2001；M .D .Zoback, M. L. Zoback，2002）超越了仅在上地壳范围内研究地震成因的局限，也超越了仅在断层带上研究岩石圈三层次动力耦合的局限。明确提出了下两层次中的稳态蠕变会增加上面脆性层中的应力：某区域构造稳定之所以稳定，是因为此区域的韧性层变形率低，而活动地区之所以活动是因为其韧性层变形率高的5新
18、概念。强调了深部过程对浅部构造运动稳定性与活动性的作用。对促进地震预测与大陆动力学和地球系统科学的结合，深化地震预测基础研究有重要意义。 Keiiti Aki （安艺敬一）的预测地震和火山喷发的地震学（2003） ，不仅倡导新理念且提出了新途径，正如他本人所言“我只想告诉全球的地震学家，我研究地震和火山五十年的发现我相信它会有益于全人类的未来” 。 目前对火山喷发已可预测，而且是基于其内（深）部变化来预测地壳表面的喷发行为；地震不仅尚未实现预测，且依然停滞在基于地壳表层现象（地形变等）来反演深部；两者差距甚大，主要工作方向相反。从系统结构和动力学机理上类比了地震与火山后，发现“他们不仅在预测策
19、略上，而且在物理模型上都可能很相似” 。因此将预测火山喷发的经验，应用于推进地震预测是必要的也是可能的。他发现：在脆-韧转換带中韧性断裂的增加使尾波 Q-1增加，同时在同一尺度上产生应力集中，使震级近于 Mc 的地震频度 N（Mc）增大。在不同的地域均有发现“在正常时段，尾波 Q-1 随时间的变化与 N（Mc）同步，二者正相关，但是在大地震前，前者要滞后于后者 14 年” 。他用复杂系统理论主要奠基者之一I.Prigogine（普里高津）的不可逆过程热力学，耗散结构理论来解释印证 Q-1 与N（Mc）随时间变化关系，并认为正处在地球动力学和非线性动力学的接触（交汇）点上。岩石圈深层次和浅层次的
20、动力学耦合是导致大地震发生的原因， “模拟和监测紧密结合，也许有可能拯救单纯的地球动力学方法” 。 Keiiti Aki 的科学新理念和实践，超越了地震预测的传统科学观念，体现了在地球系统科学框架下，对其火山子系统与地震子系统共性的挖掘；多圈层动力学耦合概念模型与动态观测数据的互补；地球动力学，地震学、大地测量学等和复杂系统理论的交融的必要与可能。有助于在一个更高的层面上，深化地震预测的基础研究与应用基础研究。汶川大地震后，我国科学家滕吉文（2008） 、杨巍然（2009） 、杜 方，闻学泽（2009）等，提出了基于板内大陆岩石圈三层次动力学耦合的地震模式等。除与Keiiti Aki ；M.D
21、. Zoback, J. Townend；M .D .Zoback, M. L. Zoback 的模式相呼应外，还强调了脆性层与韧性层、软流圈耦合的另一种方式，即地下热物质可能沿着裂隙通道上涌。近数十年，现代大地测量学（空间大地测量学、动力大地测量学、物理大地测量学、几何大地测量学）实际用于中国大陆地震监测预测，开拓了整体、动态和定量研究现今（10 -2秒10 2年）地壳运动-变形和动力学研究的新领域。促进了地球物理学、大地测量学、地质学三个学科的贯通以及它们与固体力学和复杂动力系统理论的交融，为地震模式研究提供了新的观测依据和新的科学思维。张培震（2003，2004） ，提出了“中国大陆地块
22、运动和连续变形相结合的动力学模式” 。认为中国大陆的总体构造变形由刚性和非刚性运动所组成，既不是完全刚性块体的运动,也不是完全粘塑性的连续变形,而是在连续变形背景下的地块运动。地块的变形和运动都是下地壳和上地幔粘塑性流动的地表响应，不同活动地块本身的性质决定着地块的整体性和变形方式” 。 周硕愚等提出了“现今地壳运动-地震系统自组织演化模式说”和“大陆现今地壳运动-变形动力系统演化及地震行为” （1993，2010，2014） 。认为中国大陆由多个相互作用的多层次的地块组成，在周缘板块和陆下地幔多种动力持续作用下，经过长期演化形成了由几种动力吸引子主宰的现今地壳运动自组识系统；地震是系统演化过
23、程中局部时6空域偏离动平衡稳定态后导致的暂态行为，是系统为维持自身稳定必要的一种自调节行为。还原论（经典动力学-震源）和整体论（复杂系统理论-多尺度动力系统）相结合方为认知地震之道；地震可以预测，但难具完全确定性。江在森提出“从构造动力过程进行强震危险性时空逼近的科学思路及其技术途径” （江在森等，2010,2013） ，且在汶川大震前几年提出过中国西部近期地震危险性的粗略预估。近百年来地震模式研究的轨迹（发展趋势）大致为由震源至动力系统。1.5 从点源到动力系统地震模式学术思想演化的启示(1) 近百年来地震模式学术思想演化的轨迹及现今趋势：由孤立研究震源区（断层段） ，扩展到震源区和周围构造
24、环境的相互作用，再扩展到地壳上部脆性层和深部韧性层与上地幔间的动力学耦合。地球科学已进入地球系统科学新时期，将地震视为大陆岩石圈系统演化中的一种动力学行为；将震源、构造环境、深部环境作为一个整体的地震孕发动力系统（简称孕震系统）己成为发展趋势。其科学方法论，由还原论演化到地球系统科学框架下还原论与系统论的结合。其学科思想由以牛顿力学为基石的地球动力学发展到地球系统科学和地球动力系统；(2) 地震模式取得进步的原因：高新观测技术的应用（空间、数字、深部探测） 、学科交叉（地球动力学与复杂系统理论、现代数学、力学、物理学；地震学与地震大地测量学、地震地质学） 、地震预测实践和地球科学家执着的终身的
25、创新探索（傅承义、Keiiti Aki、梅世蓉等） ；(3) 地震模式对推进地震预测的作用：对观测结果的经验（统计）归纳，难于直接用于演绎（预测） ；因为样本的个性很强且随时间变化。岩石破裂实验结果，也难于直接用于演绎（预测） ；不仅因为尺度效应，且实验室与大自然（物性、构造及深部环境等）的差异也阻碍了类比。企图将前兆识别程式化是不可取的，地震预测绝非工业生产线，来至不同空-时（频）域的数据流百态千姿。而模式是有可能将多种信息归纳，升华为一种科学理念，从而可用于演绎（预测未来）的科学认知过程与工作方法。尽管其本身也是相对的，需要修改的，甚致可能被扬弃的；但只要坚持此科学认知途径，就必然能从科学
26、基础上逐步深化对地震成因和孕发过程自然规律的认识，尽管依然艰难但仍可望向前推进，这已为数十年实践所证明。如果没有地震与火山深、浅部多层次耦合作用相似性的模型认知，是很难发现 Q-1与 N（Mc）关系的；如果没有断层脆性层和深部韧性层动力耦合的模型认知，是很难发展出负位错和形变地震循回研究的；如果没有坚固体（震源区）与周围构造相互作用整体孕震的模型认知，也是很难想到去发展断层网络信息合成和形变场的图像（斑图）动力学方法的。可见 Keiiti Aki 说“每日接触监测数据和头脑中随时有模型结构，对敏锐地发现前兆现象是非常重要的” ， “模拟和监测紧密结合，也许有可能拯救单纯的地球动力学方法” 。反
27、之，如果仅停留在单一断层孕震致震的认知层面，是无法理解唐山大震的；如果仅停留在地壳脆性层的弹回剪切孕震致震的认知层面，也是无法理解汶川大震的；吃一堑不一定都能长一智。观测（含实验、经验）再多再新也无法直通地震预测的彼岸，必须驾桥；只有通过模型结构与观测结果的相互作用，不断创新7更适应大自然复杂系统的模式和方法，才可望在未来转败为胜。只有理解了以复杂性为基础的模式，地震预测才可能避免两个有害的极端：“地震不可预测”和“已可实现地震预测，只是因为” 。技术的发展和布局的方向才能更明确。(4) 地震模式的相对性与模式族一切模式均有相对性，既有认知大自然的相对性，也有适用范围的相对性。以复杂系统理论为
28、基础的动力系统模式（整体论模式，演化模式）和以牛顿力学为基础的经典动力学模式（还原论模式，存在模式）相结合，有可能使我们对当今世界面临的科学难题获得前所未有的新认知能力。多个有一定科学依据并经过一定实践检验的模式组成的“模式族”是地震科学与地震预测的“智库” 。在地球系统科学，地球动力系统，大陆现今地壳运动-变形动力系统及其下属一系列子系统的框架中，各种模式之间，模式和多种观测（实验）数据以及多种学科知识等，都是可以连接、组合并互补的，进而形成揭示藏匿在复杂表象之后的自然规律的新认知能力，可望促进地震预测逐步挣脱“粘滞”状态。2 复杂系统动力学地球至大陆现今地壳运动的自组织演化2.1 复杂动力
29、系统演化自组织理论概要（1）从混沌到有序“神”的他组织，还是系统自组织？自组织是复杂系统演化时出现的一种现象，在一定条件下由于系统内子系统的相互作用，使系统形成具一定结构和功能的过程；形成了比自组织之前更为有序的整体稳定状态。希腊神话中该亚（Gaea）是地之女神，即地母，她继卡俄斯（Chaos，混沌）而生；天空、陆地、海洋又从她而生。中国神话传说认为“天地浑沌如鸡子，盘古生其中天地开辟，阳清为天，阴浊为地，盘古在其中垂死化身为四极五岳” ；而后来又发生了天地结构不稳定的危机“四极废，九州裂，天不兼覆，地不周戴”则由女娲来补天复稳，于是“苍天补，四极正” 。现代科学研究认为：地球形成至今大约已有
30、 46 亿年，它经历了复杂的演化，大致可分为天文、太古宙与元古宙、显生宙三大阶段。早期地球可能是一个体积庞大的尘埃集合体，一个没有大陆和海洋的同质混合物，经过热力和重力等作用形成最初的圈层结构；又经过漫长的演化，新生代开始时各大洲基本形成（郑度，2005） 。中国大陆是在始新世中晚期（大约 4000 万年前）开始的新构造运动中演化形成的，包括喜马拉雅运动第一幕、第二幕和第三幕。上新世末更新世时的第三幕（距今大约 23 百万年）形成了现代中国大陆内部结构、边界动力状态、现代构造应力场及现代地貌形态的基本格局（丁国瑜，2004，2011） 。而近数十年来，地震大地测量学所测定的中国大陆现今运动，则
31、被证明是百万年尺度的新构造运动及现代构造运动的延续与继承（周硕愚，1994；叶淑华，1996；赖锡安，2004） 。8可见无论是中西方的神话传说，还是现代科学研究，都共同认为地球、中国大陆（以至万物）的形成，都有一种从混沌到有序的过程。神话认为是外部力量，无论地球、大陆、生物和人，都是“神”的“他组织”结果。然而科学的认识也经历了一个相当曲折的过程。19 世纪是古典科学全面发展的世纪，达尔文于 1859 年出版了生物学史上划时代的巨著论通过自然选择的物种起源，或生存斗争中最适者生存 （简称为物种起源 ） 。阐明了自然环境与生物的相互作用（选择与适应）导致了生物由简单到复杂、由低等到高等的演化过
32、程和万物共祖的物种起源。在生物学领域驳倒了“神”的“他组织”说，并最终为科学界与全人类所接受。今天看来， 物种起源本质上就是生物系统的自组演化。但在非生物学领域（物理、化学、地学、） ，却迟迟未能解决是否存在演化和演化过程的动力问题？尽管 1687 的牛顿的自然哲学的数学原理问世，牛顿力学体系建立，开创了理性时代，推动了科学技术的高速发展和人类进入现代社会。但它是存在的科学，而不是演化的科学；它讲因果关系，但无法上说明演化的动力学源头，因此牛顿自己也只好将“第一推动力”依然归因于上帝。非生物学领域到底是“他组织”还是“自组织”的问题仍然没有解决？直到 20 世纪下半叶，由于一般系统论（1968
33、） ，耗散结构论（1969） ，协同学（1977）和复杂适应系统理论（1995）的相继问世，这一问题才得到初步解决。（2）系统自组织理论的基础阶段一般系统论，控制论，信息论理论生物学家贝塔朗菲（L.V. Bertalanffy） ，1937 年提出一般系统论（General System Theory）的概念，1968 年出版了一般系统论：基础，发展与应用 。指出无论系统的种类和性质有何不同，均存在着具共性的一般性原则：整体性，关联性，有序性、动态性、终极性（目的性）等。系统理论由生物学家首先提出是很自然的，且贝塔朗菲已认识到生物学领域与非生物学领域的系统具有某些共同的规律。数学家维纳（N.W
34、iener）认为“在科学发展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的部门之间的被忽视的无人区” 。通过多学科之间的深度交融，1948 年出版了控制论（或关于在动物和机器中控制和通讯的科学） ，1961 年的第二版中又补充了“关于学习和自生殖机” 、 “脑电波和自行组织系統” 。控制论（Cybernetics）的创建，在生命科学与物理科学之间，以及在自然科学与社会科学之间架起了桥梁，具有划时代的意义。数学家申农(CEShannon)在 1948 年发表了通讯的数学理论 ，宣告了信息论（Information Theory）的诞生。它侧重于研究系统中的信息传输、变换和处理问题，因此也是一种系统
35、理论。从技术科学层面促进系统论的进一步发展，系统依赖于信息（能量流、物质流也是信息流）实现自组织演化。（3）系统自组织理论的提出耗散结构论，协同学物理化学家普利高津(IPrigogine)，1969 年提出了耗散结构理论（Dissipative structure theory） 。发表了一系列的专著， 从存在到演化自然科学中的时间及复杂性 、 从混沌到有序和确定性的终结时间、混沌与新自然法则等。认为一个远离平衡态的开放系统（无论是力学的、物理的、化学的、生物的乃至社会的、经9济的系统） ，不断地与环境交换物质和能量，抵消内部的增熵，一旦系统的某个参量变化达到一定的阈值，通过涨落，系统就可能产
36、生转变，由原来混沌无序的混乱状态，转变为一种在时间，空间或功能上的有序状态。他把这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构命名为“耗散结构” 。耗散结构理论研究一个开放系统在远离平衡的非线性区从混沌向有序转化的共同机制和规律，受到多种学科的广泛重视，并因此而获得 1977 年度诺贝尔化学奖。理论物理学家哈肯（H. Haken）1971 年提出了协同学的概念，1977 年全面系统地提出了协同学 (Synergetics)，发表了一系列的专著， 协同学导论 、 高等协同学和信息与自组织等。他认为有序结构的出现并不是非要远离平衡态不可，而在于系统内部各子系统之间相互关联的协同作用 。无论何
37、种系统，它均由若干子系统组成，系统的状态由子系统的独立运动（如热运动）和子系统之间相互作用引起的协同运动共同决定。若独立运动居主导地位，形不成整体的规律性运动，系统便处于无序状态。环境作用于系统的控制变量变化时，独立运动和协同运动的相对大小也在变化，当控制参量达到一定阈值时，独立运动和协同运动的相对作用处于临界态。系统内部状态变量的数目可能很多，大多数变量是在临界点附近阻尼大、衰减快，对相变过程无明显影响的“快弛豫参量” ；只有几个甚至只有一个的变量是在临界点附近无阻尼而主宰着相变过程始终的“慢弛豫参量” ，即“序参量” 。 “序参量”一旦出现就主宰系统进入有序化过程，它通过信息反馈役使着其他
38、各个快弛豫参量，支配着各子系统的行为，使整个系统走向有序稳定的结构，协同学还提出了一套寻求序参量的途径“绝热消去原理” 。 协同学和耗散结构一样，都十分重视“ 涨落”的作用，涨落的出现是偶然的，但只有适应系统动力学性质的涨落才能得到系统中绝大部分子系统的响应，拓展至整个系统并把系统推进到一种新的结构状态。 “协同学的中心议题是，探讨是否存在支配生物界和非生物界结构和（或）功能的自组织形成过程的某些普遍原理” （ 哈肯，1983） 。一般系统论已从概念上指出，系统结构的稳定性代表着有序性，但稳定性到底是怎样产生的呢？各种类型的系统怎样从无序走向有序呢？耗散结构理论和协同学分别以自己的理论回答了这
39、一系统演进的重大问题。系统自己走向有序结构称为“系统的自组织” ，因此这两种理论都被称为系统的“自组织理论”(Self-Organization Theory)。 “哈肯的贡献在于具体地解释相空间的目的点或目的环是怎么出现的（钱学森，1982） 。耗散结构理论只处理非平衡相变，而协同学既处理非平衡相变，也处理平衡相变，因此后者具有更大的普适性。（4）系统自组织理论的发展复杂适应系统理论1984 年在被称为“老帅倒戈”的三位诺贝尔奖得主，即 1969 年物理学奖得主，“夸克（Quarks）理论”创始人盖尔曼（M. Gell-Mann） ；1977 年物理学奖得主，凝聚态物理学家安德森（P.W.A
40、nderson） ；经济学奖得主，高度数学化经济学开创者阿罗（K. J. Arrow ）的共同推动下，聚汇了一批多学科的优秀人才（物理学、经济学、生物学、核科学、非线性动力学、计算机模拟等） ，首次建立了专门从事复杂性科学研究的圣菲研究所（SantaFe Institute，SFI） ，多学科直接的深度交融并与计算机10模拟紧密结合，强劲地推进了复杂系统研究（Mitchell Waldrop，1995） 。在 SFI 成立 10 周年时，计算机科学和电子工程教授并兼心理学教授、遗传算法的创始人霍兰(John Holland)提出复杂适应系统(Complex Adaptive System, C
41、AS)理论。1995 年，霍兰出版了隐秩序适应性造就复杂性专著，认为复杂性是从简单性发展来的，是在适应环境的过程中产生的。复杂适应系统内部的个体，称为适应主体（adaptive agent） ，它具有通过与环境及其他主体反复不断的交互作用， “积累经验”改变自身的结构与行为方式，以适应环境的变化并和其他主体协调一致，促进整个系统发展、演化所具有的能力。复杂适应系统具有：“流” （物质、能量和信息流的交换）、 “非线性”关系、 “多样性” 、 “聚集” （形成更大更高一级的主体，形成层次组织）四个共同特性和“标识” 、 “内部模型” 、 “积木块”三个机制。强调主体是具有主动性的适应性的“活”的
42、实体；主体之间、主体与环境之间的相互作用和相互影响，是系统演化和进化的主要动力；个体的适应变化融入整个系统的演化和进化中，适应性的概念贯穿了从主体到系统演化、进化的全过程。 （许国志，2000；李士勇，2006；黄欣荣，2012） 。（5）对系统自组织理论的初步理解系统论，耗散结构论和协同学，复杂适应系统理论共同揭示了系统演化的基本规律。在系统内部各部分(子系统）之间及其与环境之间的相互作用下，系统产生整体涌现性，即系统具有了孤立的部分(子系统）以及它们的总和所不具有的，而只有系统整体才能具有的新的有序特性。 “自组织系统是在没有外界环境的特定干预下产生其结构或功能的” （H.哈肯，1977）
43、 。 “系统自己走向有序结构就可称为系统自组织” ， “所谓目的就是在给定的环境中，系统只有在目的点或目的环上才是稳定的，离开了就不稳定，系统自己要拖到点或环上才能罢休，这也就是系统的自组织” （钱学森，1982） 。自组织推动系统由混沌走向有序、由低级进化到高级；反之，若系统内部若不能相互协同，不能与环璄相适应，系统就会走向消亡。三类系统自组织理论虽然具有内在的根本性的共同认知。但由于提出者本身不可回避的学科群背景（尽管其目标均是为了超越学科和学科群） ，其侧重点和研究方法也必然有一定的差异。作为一名地震科学工作者的我，似乎对协同学与耗散结构论更具贴近感。鉴于复杂适应系统理论更强调其主体（子
44、系统）是具有学习性、主动性和适应性的“活”的实体。也许复杂适应系统理论更适合用于社会经济系统、生物生态系统。系统自组织理论为我们研究自己本专业复杂系统（例如，现今地壳运动与地震系统）的演化与行为，提供了超越前人认知水平的新科学思维，以及可超越并包容组合各种基于还原论的传统研究方法，从而形成更适应复杂系统的研究方法体系并创新出更能深刻揭示自然规律和更有实效的新方法。但它并不能代替传统各分支学科自身的发展，相反它要求分支学科应能更深入和更精确地描述各组成部分的自身规律，更关注各组成部分之间的相互作用过程。H.哈肯特别提醒应用者注意， “解释协同学的基本概念相当简单，但要用这些概念去处理实际系统时就需要大量的专门技术（如数学）知识了” （1977） 。要真正深刻揭示地球系统及其子系统的演化规律并预测其未来行为，
