环境地质学总论-地质环境系统演化的一般原理

① 分析系统结构变化的主要信号。 ② 引起结构变化的主要要素信号。 ③ 信号时间序列分析。 ④ 结构要素的时空变化规律。 ⑤ 系统演化阶段划分。
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一、系统演化的基本概念
稳定与平衡
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 交换的过程中形成和保持的，是输入与输出的响应函数为定值时的宏观状 态的表述，此时的宏观状态与流入量的大小无关，所以，处于宏观稳定态 的系统具有自调节能力。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、调节的结果，与系统外界的作用无关；
响应过程用响应信号的时间序列来表达
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一、系统演化的基本概念
输入、输出、响应
输出 系统内部响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。
输出是指系统对环境的作用，而响应是系统内部的变化 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 响应可以用相应的指标来描述，称为输出信号；其按时间顺序排列称
为响应信号的时间序列
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一、系统演化的基本概念
输入、输出、响应有何意义？
输入信号时间序列的意义
• 反映外界（环境）的作用强度、大小、方式的差异 • 反映外界作用过程及规律
响应信号时间序列的意义
• 反映系统的动态变化 • 系统演化的判据 • 与输入信号时间序列结合，反映系统的自适应性和稳定性
其二，存在于孤立系统的平衡态不需要外界物能的输入，也无法做功， 据此人们又常形象地把平衡态称为静态平衡；而稳定态只存在于开放系 统中，不同时刻的状态与平衡点总有一定距离，可通过能量的传递做功。 所以，又把稳定态系统称为动态平衡系统。
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一、系统演化的基本概念
输入、输出、响应
输入
响应
输出
地质环境系统
环境地质学
Environmental Geology
分论——地质环境系统演化的一般原理
提纲
• 一、系统演化的基本概念 • 二、地质环境系统演化的外部条件 • 三、地质环境系统演化的内在机理 • 四、地质环境系统演化的几个阶段
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一、系统演化的基本概念
演化与变化
演化是针对系统整体而言的，是系统整体结构、功能随时间的 推移有别于先前的结构、功能的改变过程，是系统内部质的改变。
在外界作用不断变化的情况下，系统响应的正常涨落是其保持自身稳 定所必需的，也是系统自我修复、自我调节能力的体现
如果某一地质环境系统宏观响应的时间序列具有上述特征时，可以判 定该地质环境系统是宏观稳定的
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一、系统演化的基本概念
涨落
异常涨落 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，这个信号时间序列的波动称为 异常涨落。
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一、系统演化的基本概念
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一、系统演化的基本概念
输入、输出、响应
响应 在输入的作用下，系统内部所产生的状态变化。
系统的响应可以是整个系统的宏观变化，也可以是系统的某一局部 发生变化
响应是系统为适应外界作用而产生的结构调整 一个输入可能造成多种响应（或响应表现为多个方面） 响应可以用相应物、能、力、化学等指标来表示，称为响应信号；
输入 来自系统的外部环境，是系统内部状态发生变化的作用。
并不是所有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
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
描述输入作用大小、强度有对应的物理量和表征符号，称为输入信号。 如果将输入按信号排列，就构成输入信号的时间序列。

(x i x)2 σ表示均方差；xi为信号（状态变量）在i时刻的取值；
(n 1)
(x i x)为2 x信号在该时间序列中的平均值；（n-1）为时间序列
(n 的1)自由度，其中n为样本空间大小，即时间序列的长度。
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一、系统演化的基本概念
涨落
正常涨落
在一个信号时间序列中，若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 列的波动称为正常涨落。
输出信号时间序列的意义
• 可进行预测预警的指导 • 若与输入相结合，可制约人类活Βιβλιοθήκη Baidu的措施
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一、系统演化的基本概念
如何根据信号时间序列判断系统状态？
涨落
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（波动）的现象。
x
涨落是普遍存在的 包括输入的涨落、响应的涨落和输出的涨落 涨落的刻画——涨落值
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一、系统演化的基本概念
宏观与微观
对于特定系统而言： 宏观：系统的整体发生了改变（时、空尺度较大） 微观：系统内部的某一局部地区发生局部或微小的变化
只有宏观的变化才视之为系统的演化
宏观与微观并不是绝对尺度，随研究对象而变，大时 空尺度的微观变化对于小时空尺度的系统而言可能就是演 化。
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一、系统演化的基本概念
（系统演化又可定义为：系统原有的宏观稳定状态被破坏，经过失稳阶段， 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，即可针对系统整体也可 针对某一局部甚至某一个点，可以指量的改变也可以指质的改变。
变化与演化有何联系？ 变化是演化的基础，没有变化就没有演化； 某些变化可能就是演化，变化也可能是演化的外在变现形式。
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一、系统演化的基本概念
如何通过信号提取信息？ 信号时间序列：如果信号是以时间顺序排列的，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。
由结构时空性质决定的； 描述变化和演化的方法；
如：封闭空间内感知四季；微震、滑坡位移信号时间序列等。
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一、系统演化的基本概念
如何从信号时间序列中提取信息？
信息与信号
信息：用以消除随机不确定性的东西，是现实世界各种现象 建立联系的一种特殊形式。 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。 如何理解信息和信号？
信息是认识事物的知识，信号是信息的载体； 信号不一定能反应事物真实的信息，存在噪声； 信息的多少还取决于对信号分析的能力。