談固體地球動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的自組織

楊文采

浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，杭州， 310027

內(nèi)容提要: 地球在3.8 Ga前不斷有小星體撞擊，屬于不穩(wěn)定的開放系統(tǒng)，積累了大量物質(zhì)和能量。太古宙以后開始形成了準(zhǔn)圈層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]的能量消散系統(tǒng)，并開始建立了系統(tǒng)整體凝聚力和活力之間高度平衡的自組織機(jī)制。固體地球系統(tǒng)的重力和化學(xué)親和力產(chǎn)生地球系統(tǒng)物質(zhì)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的凝聚力。地球存儲(chǔ)在地核中的熱能和放射性物質(zhì)的核能，是驅(qū)動(dòng)和維持著固體地球內(nèi)部物質(zhì)向外運(yùn)動(dòng)的活力來源。地球的自組織指的就是自我調(diào)控系統(tǒng)凝聚力和活力之間平衡的調(diào)節(jié)能力。固體地球系統(tǒng)局部時(shí)空尺度的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是各態(tài)遍歷的，大尺度全局的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是確定性的，是自組織機(jī)制發(fā)揮作用的結(jié)果。固體地球系統(tǒng)的自組織能力現(xiàn)在還保持在很高的水平。

目前地學(xué)界把地球系統(tǒng)劃分為三個(gè)子系統(tǒng)：① 地球外層空間系統(tǒng)，即月—地和高空系統(tǒng)；② 由巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈組成的地球表面系統(tǒng)；③ 固體地球(地球內(nèi)部)系統(tǒng)。固體地球系統(tǒng)是地球的質(zhì)量核心，也是最難觀測其物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的子系統(tǒng)。研究地球內(nèi)部系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、屬性、相態(tài)和自組織機(jī)制，才能完全理解人類賴以生存的地球；因此固體地球動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)是地球科學(xué)研究永恒的主題之一。本文根據(jù)近40年來國內(nèi)外地球成像的結(jié)果，尤其是亞洲地區(qū)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(jié)對(duì)固體地球動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，結(jié)合系統(tǒng)理論與地球動(dòng)力學(xué)作用研究，對(duì)的固體地球動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的組織機(jī)制進(jìn)行探討。

1 固體地球的組成和結(jié)構(gòu)

固體地球系統(tǒng)有9個(gè)功能不同的組元(見表1)。組元① 和 ② 是下地幔和內(nèi)地核，它們是地球結(jié)構(gòu)的框架，框架指結(jié)構(gòu)最堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)支撐組元。組元 ③ 是外核，它是固體地球物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿碓?。組元 ④ 是巖石圈，它是固體地球的保護(hù)層。組元 ⑤ 、⑥ 、⑦包括軟流圈、融流體通道和水圈，它們是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(zhì)是其上下圈層物質(zhì)相互滲透構(gòu)成的，屬性與上下圈層都不同。融流體通道不是單獨(dú)的圈層，而是溝通所有圈層的網(wǎng)絡(luò)，在地球系統(tǒng)自組織中起獨(dú)特的作用。

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

固體地球是沒有集中調(diào)控組元的準(zhǔn)圈層系統(tǒng)，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(tǒng)內(nèi)所有圈層的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，不需要有一個(gè)組元來集中調(diào)控，人類想去集中調(diào)控地球也是不可能的。地球圈層內(nèi)和圈層之間通過多種對(duì)流來實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的內(nèi)部循環(huán)(圖1)，如地幔對(duì)流、外核的磁流體對(duì)流和威爾遜循回等(Stacey， 1992; Jolivet and Hataf， 2001)。

圖1 固體地球系統(tǒng)準(zhǔn)圈層結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Illustration of the quasi-spherical structure of thesolid Earth system

2 多時(shí)空尺度圈層系統(tǒng)的復(fù)雜性

從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(shí)間尺度為0～1010a, 屬于世界的天文尺度。世界是多時(shí)空尺度層次的復(fù)雜系統(tǒng)，它的能量運(yùn)動(dòng)有6個(gè)維度，分別為空間的3個(gè)維度、時(shí)間、空間尺度和時(shí)間尺度。在物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于光速的宏觀尺度，經(jīng)常把物質(zhì)運(yùn)動(dòng)當(dāng)作四維系統(tǒng)處理。但把對(duì)四維系統(tǒng)的視覺直接推廣到六維系統(tǒng)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)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(jī)制與地球是完全不同的。宇宙的自組織機(jī)制是在把高度濃縮的能量轉(zhuǎn)換為星系物質(zhì)的同時(shí)，通過膨脹盡量減小因物質(zhì)碰撞造成的能量損失。太陽系的自組織機(jī)制是在服從銀河系旋轉(zhuǎn)和膨脹運(yùn)動(dòng)機(jī)制的同時(shí)，通過引力吸引行星圍繞其旋轉(zhuǎn)。地球的自組織機(jī)制是在重力吸積、物質(zhì)凝聚的同時(shí)，通過分層次的物質(zhì)對(duì)流盡量減小內(nèi)部熱能的損失。由此可見，宇觀尺度下系統(tǒng)的復(fù)雜性體現(xiàn)在層間與層內(nèi)作用力的對(duì)立統(tǒng)一。高級(jí)層次通過整體凝聚力控制低層次子系統(tǒng)的能量與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)走向，低層次子系統(tǒng)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)在服從高級(jí)層次自組織機(jī)制的約束下，也在摸索和試驗(yàn)自己生存發(fā)展的能力，這就構(gòu)成了系統(tǒng)演化中“適者生存”中“適者”必備的各態(tài)遍歷屬性。復(fù)雜系統(tǒng)中的各態(tài)遍歷指具有一定自由度的組元的無法預(yù)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(xié)作，體現(xiàn)了太陽系的自組織和各態(tài)遍歷。

在現(xiàn)代哲學(xué)界研究的系統(tǒng)哲學(xué)認(rèn)為，系統(tǒng)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(jìn)化也形成對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)，進(jìn)化較慢的子系統(tǒng)成為進(jìn)化比較快的子系統(tǒng)的下層體系。系統(tǒng)可分為以自然為研究對(duì)象的物理系統(tǒng)和以人類社會(huì)為研究對(duì)象的認(rèn)知系統(tǒng)，后者具有進(jìn)行內(nèi)省分析的認(rèn)知組件，而前者沒有。

動(dòng)力學(xué)定義系統(tǒng)為由不同質(zhì)的組元相互作用形成的組織。行為與秩序只是系統(tǒng)的表象，而系統(tǒng)的內(nèi)涵是其組織機(jī)制。真實(shí)世界是一個(gè)時(shí)空尺度巨大的多層次復(fù)雜系統(tǒng)，包含人類能夠感知的所有存在；不僅僅有物質(zhì)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(shí)都存在至今。與系統(tǒng)哲學(xué)不同的是，哲學(xué)家更重視精神與物質(zhì)關(guān)系的研究，而科學(xué)家更側(cè)重于具體系統(tǒng)組構(gòu)、行為、屬性、相態(tài)和組織機(jī)制的研究。

對(duì)于什么是簡單系統(tǒng)，什么是復(fù)雜系統(tǒng)，還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。認(rèn)為線性系統(tǒng)是簡單系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)是復(fù)雜系統(tǒng)，有道理； 但是有的非線性系統(tǒng)也可能是簡單系統(tǒng)。目前可以認(rèn)為，行為符合一一對(duì)應(yīng)因果律的屬于簡單系統(tǒng)，不符合因果律的屬于復(fù)雜系統(tǒng)。復(fù)雜系統(tǒng)可能一因多果，也可能多因一果。經(jīng)典物理學(xué)中的牛頓動(dòng)力學(xué)模型僅僅是四維的，時(shí)、空間尺度限定在適合人類社會(huì)的宏觀尺度上。六維世界的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)有分層次的復(fù)雜系統(tǒng)屬性，它的行為是多因多果的，大數(shù)定理就是多因多果事件統(tǒng)計(jì)規(guī)律的反映。地球的宏觀維度只是世界系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)分層。地球系統(tǒng)是太陽系中下一個(gè)層次的子系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上看，固體地球不是一個(gè)簡單的分層系統(tǒng)，而是有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接的復(fù)雜準(zhǔn)圈層系統(tǒng)(圖1)。

人造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往是集中控制的，反映了人智慧的局限性。自然系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的，有的集中控制，有的協(xié)調(diào)互動(dòng)而不需要集中控制，反映自然的各態(tài)遍歷屬性。例如，蜂群屬于兩層次的塔形系統(tǒng)，有集中控制；而網(wǎng)絡(luò)是平面的多點(diǎn)線聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，可以不需要集中控制。但是，時(shí)空尺度巨大的復(fù)雜系統(tǒng)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(tǒng)，如國家機(jī)器。② 多層次網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如山系、道路網(wǎng)、智能網(wǎng)絡(luò)。③ 多層次圈層系統(tǒng)，如銀河系、太陽系和地球。④ 多層次混合多層系統(tǒng)，如人體。人體是由各種細(xì)胞組成的更加復(fù)雜的系統(tǒng)，包含網(wǎng)絡(luò)與圈層的交叉和復(fù)合。尤其是人的大腦，要建立從物質(zhì)到精神轉(zhuǎn)換的物理化學(xué)模型極其困難。

在復(fù)雜系統(tǒng)研究中，最可能進(jìn)行研究的是對(duì)系統(tǒng)在平衡態(tài)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)建立模型。但是，這種模型不符合系統(tǒng)內(nèi)部長期的動(dòng)力學(xué)作用研究，也不適合于分層邊界上的作用研究。兩個(gè)分層的邊界是系統(tǒng)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(tài)子系統(tǒng)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(zhì)交換激烈的復(fù)雜子系統(tǒng)。對(duì)自然界復(fù)雜系統(tǒng)長期和精細(xì)的演化預(yù)測是極其困難的。

3 對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律與二元系統(tǒng)組織機(jī)制模型

自然界復(fù)雜系統(tǒng)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(dòng)力作用的內(nèi)在原理。辯證法中對(duì)立統(tǒng)一、量變質(zhì)變和否定之否定這三大規(guī)律，對(duì)于地球科學(xué)研究的思維都具有重要的指導(dǎo)作用。對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律抽象出有普遍意義的二元矛盾系統(tǒng)的簡約模型。從動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的作用力分析可見，對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律揭示了動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)具有的共同特點(diǎn)：凝聚力與活力的對(duì)立統(tǒng)一，是事物發(fā)展變化的源泉和動(dòng)力。二元矛盾系統(tǒng)的不同相態(tài)反映了系統(tǒng)凝聚力與活力的對(duì)立統(tǒng)一的特征(表2)。

表2 二元?jiǎng)恿W(xué)系統(tǒng)的對(duì)立統(tǒng)一相態(tài)特征Table 2 Attributes of unity of opposites of dynamic system phases

地球系統(tǒng)的凝聚力主要來自地幔和內(nèi)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(huì)形成了系統(tǒng)的正反饋，使地球的凝聚力不斷增強(qiáng)。太古宙地球的重力吸積作用變?nèi)趿?，但是由于降溫形成了保護(hù)組元巖石圈，使固體地球成為穩(wěn)定的正反饋凝聚系統(tǒng)。系統(tǒng)的正反饋使地球的凝聚力保持穩(wěn)定。

地球系統(tǒng)的活力主要來自外核的熱力，作為動(dòng)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(xiàn)今。地球內(nèi)部放射性物質(zhì)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(fā)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(huán)的外地核，并通過融流體通道網(wǎng)絡(luò)傳遞到整個(gè)地幔，促進(jìn)了軟流圈、D”層和上地幔底層的融流體循環(huán)運(yùn)動(dòng)，體現(xiàn)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(gè)上地幔，是固體地球物質(zhì)運(yùn)動(dòng)活力的催化劑。水圈與融流體通道共同構(gòu)成貫通全部地球的融流體通道網(wǎng)絡(luò)，通過低黏度的載體使地球物質(zhì)運(yùn)動(dòng)充滿活力。

辯證法的量變質(zhì)變規(guī)律揭示系統(tǒng)相變事件發(fā)展過程具有的共同特點(diǎn)，系統(tǒng)的相變就是指在各態(tài)遍歷力辟演化新徑時(shí)從量變發(fā)展造成質(zhì)變的規(guī)律性。地球凝聚力的主方向是向內(nèi)的，地球熱力的主方向是向外的，但是在圈層的邊界又發(fā)生轉(zhuǎn)折。凝聚力與活力產(chǎn)生的兩種性質(zhì)不同作用的交會(huì)，構(gòu)成了固體地球?qū)α⒔y(tǒng)一的復(fù)雜二元系統(tǒng)，系統(tǒng)的組織機(jī)制與相態(tài)取結(jié)于凝聚力與活力作用的平衡。表2中列出了二元矛盾系統(tǒng)從萌芽到湮沒的8種主要相態(tài)，它們是① 相遇，② 涌現(xiàn)，③ 協(xié)同，④ 平衡，⑤ 準(zhǔn)平衡，⑥ 失衡，⑦ 臨界，⑧ 混沌。從地球物質(zhì)運(yùn)動(dòng)反映的力量對(duì)比來看，固體地球系統(tǒng)目前處于準(zhǔn)平衡相態(tài)。辯證法的否定之否定規(guī)律揭示了矛盾運(yùn)動(dòng)過程具有的另一個(gè)共同特征：二元系統(tǒng)中主導(dǎo)力量通過自我否定使演化軌跡逆轉(zhuǎn)，促進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力方向的轉(zhuǎn)化和自組織能力的提升。地球巖石圈多次相變構(gòu)成了演化的威爾遜循回(楊文采, 2015; Yang Wencai， 2015)，體現(xiàn)了否定之否定規(guī)律的普適性。

4 地球系統(tǒng)的活力與其各態(tài)遍歷屬性

自然系統(tǒng)都具有一定程度的各態(tài)遍歷屬性，反映組元的活力(楊文采, 2008)。系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)在相空間中由一個(gè)點(diǎn)代表，系統(tǒng)各態(tài)遍歷，指在系統(tǒng)在長期演化過程中進(jìn)入相空間中每一個(gè)點(diǎn)的概率都不會(huì)永遠(yuǎn)等于零。多層次結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)中組元的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的普適規(guī)律，一方面體現(xiàn)在多層次結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，受控于局部的下層子系統(tǒng)要服從上層(整體)設(shè)定的自組織規(guī)律。二方面是在本層次子系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡力求各態(tài)遍歷。例如，地球圍繞太陽旋轉(zhuǎn)是大時(shí)空尺度維上設(shè)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而地球上大陸的飄移、碰撞和裂解，是在地球時(shí)空尺度維上自身各態(tài)遍歷的天性使然。

地質(zhì)學(xué)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(gè)構(gòu)造，說明地球系統(tǒng)在力圖摸索和試探自己生存發(fā)展機(jī)制的更新，以適應(yīng)環(huán)境持續(xù)的變化。各態(tài)遍歷反映自然有一種內(nèi)在的“與時(shí)俱進(jìn)”品格與屬性，在一定的時(shí)空尺度內(nèi)總是力辟其演化軌跡的新徑，不走回頭路，這正是系統(tǒng)活力所在。大自然的和諧永存和各態(tài)遍歷屬性是共存的，凝聚力促進(jìn)和諧永存，各態(tài)遍歷促進(jìn)繁榮昌盛。人類出現(xiàn)是宇宙演化過程中偶然出現(xiàn)的事件，出現(xiàn)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(huì)的長期和諧存在，是人類的共同愿望和價(jià)值。人類只有學(xué)習(xí)自然的和諧永存和各態(tài)遍歷的屬性，才能長期和諧存在。

世界上有大大小小無數(shù)個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)都有所區(qū)別。但是，各態(tài)遍歷的結(jié)果不是系統(tǒng)演化軌跡的均勻分布，而是系統(tǒng)演化軌跡的不重復(fù)，正是因?yàn)檐壽E不重復(fù)，才使系統(tǒng)具有活力，創(chuàng)造出無窮無盡的世界萬物。一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的能量同時(shí)產(chǎn)生凝聚力和活力，凝聚力是約束的力量，而活力不是?；盍κ窃谝欢ǖ臅r(shí)空尺度內(nèi)力辟演化軌跡的新徑，不走回頭路的力量，是各態(tài)遍歷屬性的根源。系統(tǒng)組元運(yùn)動(dòng)的自由度是其各態(tài)遍歷屬性的度量。耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的“漲落”描述系統(tǒng)狀態(tài)隨環(huán)境的隨機(jī)變化，這種隨機(jī)變化就是系統(tǒng)整體上各態(tài)遍歷屬性的表現(xiàn)。但是各態(tài)遍歷具體的內(nèi)容是難以用準(zhǔn)確的方程來定量描述的，僅僅在統(tǒng)計(jì)學(xué)角度上看是有序和有規(guī)律可循的。

世界系統(tǒng)行為的后果是改變了世界，改變世界的事件的產(chǎn)生要消耗一定的能量，從消耗能量的角度看，世界系統(tǒng)事件的發(fā)生符合大數(shù)定理。各態(tài)遍歷產(chǎn)生了大量不相同的事件，其中特征量越大的同類事件發(fā)生幾率就越小。特征量指能量(或者時(shí)空尺度)，能量巨大的事件發(fā)生的頻數(shù)極低，而隨著能量的減少事件發(fā)生的頻數(shù)逐漸增加。這個(gè)規(guī)律稱為大數(shù)定理，它反映了世界系統(tǒng)整體與局部具有的內(nèi)在自相似性。地震的能級(jí)與頻數(shù)的關(guān)系在雙對(duì)數(shù)平面座標(biāo)系中表示為一條直線，完全符合大數(shù)定理。地震是地球?yàn)榉乐瓜到y(tǒng)破裂而進(jìn)行的地應(yīng)力自動(dòng)釋放，反映了地球系統(tǒng)在各態(tài)遍歷的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中的自組織。

5 固體地球系統(tǒng)的自組織

地球系統(tǒng)屬于能量消散系統(tǒng)，能量的消散會(huì)使系統(tǒng)活力逐漸減小，變得老化, 其作用過程符合熱力學(xué)第二定律。地球的生物圈是依靠太陽能運(yùn)轉(zhuǎn)的開放系統(tǒng)，是地球表面通過吸收太陽能量造成熵減的系統(tǒng)，其作用過程不符合熱力學(xué)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(nèi)部積存的能量來保持活力的能量保守系統(tǒng)，固體地球的組織要求她內(nèi)部積存的能量的散發(fā)最小化，在太古宙以后系統(tǒng)的熵增是逐漸減小的。如果不受天體的干擾，地球會(huì)從初期的巖漿洋覆蓋的相態(tài)，慢慢冷卻，順序地形成島嶼、大陸塊、大陸洲，超級(jí)大陸；最后成為一個(gè)內(nèi)核完全固化、海洋全部消失的死寂星球。這個(gè)周期在火星可能只有1.0 Ga，在地球上可能會(huì)有 15.0 Ga。地球之所以能夠長期生氣勃勃、保持活力，就是因?yàn)樗斜绕渌乔蚋鼜?qiáng)的自組織機(jī)制。地球的自組織指的就是自我調(diào)控系統(tǒng)凝聚力和活力之間平衡的能力。

地球是一個(gè)能量流動(dòng)系統(tǒng)，能源包括勢能、熱能、化學(xué)能、核能和外來的太陽能。地球的重力和化學(xué)親和力產(chǎn)生地球系統(tǒng)物質(zhì)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的凝聚力。地球存儲(chǔ)在地核中的熱能和放射性物質(zhì)的核能，是驅(qū)動(dòng)和維持著固體地球內(nèi)部物質(zhì)向外運(yùn)動(dòng)的活力來源。地球接受的太陽能量比其內(nèi)部能量小兩個(gè)級(jí)次，它驅(qū)動(dòng)和維持著地球表面流體物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)與生命系統(tǒng)的生存。地球系統(tǒng)物質(zhì)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)增加系統(tǒng)凝聚力，向外運(yùn)動(dòng)的活力散發(fā)地球內(nèi)部的熱能和核能。地球系統(tǒng)的自組織表現(xiàn)在其物質(zhì)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)凝聚力和向外運(yùn)動(dòng)的活力的平衡調(diào)節(jié)上，能夠在保持活力的同時(shí)盡量減少地球內(nèi)部的熱能和核能的散失。

地球超強(qiáng)的自組織能力表現(xiàn)在其內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形成的細(xì)結(jié)構(gòu)上。地球系統(tǒng)物質(zhì)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的凝聚力主要是重力和化學(xué)親合力，它使地球的密度向內(nèi)逐漸增加。固體地球向外運(yùn)動(dòng)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(nèi)部密度和溫度平均曲線的對(duì)稱性就反映了系統(tǒng)凝聚力和活力的平衡；而密度和溫度曲線的不對(duì)稱性就反映系統(tǒng)凝聚力和活力的平衡破缺。地球物理學(xué)研究表明( Stacey, 1992; Jolivet and Hataf， 2001)，現(xiàn)今固體地球內(nèi)部密度和溫度平均曲線的對(duì)稱性非常好(圖2)，表明地球處在自組織能力強(qiáng)、系統(tǒng)凝聚力和活力之間高度平衡的相態(tài)。

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

6 結(jié)論

從現(xiàn)今的地質(zhì)資料看來，地球在太古宙以后, 開始形成了準(zhǔn)圈層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]的能量消散系統(tǒng)，并開始建立了系統(tǒng)凝聚力和活力之間高度平衡的自組織機(jī)制。固體地球系統(tǒng)的重力和化學(xué)親和力產(chǎn)生地球系統(tǒng)物質(zhì)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的凝聚力。地球存儲(chǔ)在地核中的熱能和放射性物質(zhì)的核能，是驅(qū)動(dòng)和維持著固體地球內(nèi)部物質(zhì)向外運(yùn)動(dòng)的活力來源。地球的自組織指的就是自我調(diào)控系統(tǒng)凝聚力和活力之間平衡的調(diào)節(jié)能力。固體地球系統(tǒng)局部時(shí)空尺度的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)是各態(tài)遍歷的，大尺度全局的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是確定性的，是自組織機(jī)制發(fā)揮作用的結(jié)果。固體地球系統(tǒng)的自組織能力現(xiàn)在還保持在很高的水平。