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目录1

序1

前言1

第1章绪论1

1.1 人类面临全球性的重大问题2

1.1.1人口爆炸2

1.1.2土地荒漠化3

1.1.3资源趋于枯竭3

1.1.4“温室效应”与全球变暖3

1.1.5臭氧屏蔽的破坏5

1.1.6生态环境的破坏6

1.2地球系统科学的提出及其在中国的产生7

1.3地球系统科学与传统地球科学8

1.4地球系统科学基本概念9

1.4.1地球系统科学的概念9

1.4.2地球系统的系统、结构、层次9

1.4.3地球系统的环境、行为、功能13

1.4.4地球系统的状态、演化、过程16

1.5国内外研究现状18

1.5.1 当代地质学的发展趋势19

1.5.2全球变化20

1.5.3地球系统科学21

第2章地球系统科学研究方法23

2.1地球系统科学的研究思路23

2.1.1研究目标与目的23

2.1.2研究的基本思路23

2.1.3理论基础与特点24

2.1.4研究领域24

2.1.5基本原则25

2.2地球系统科学的基本框架25

2.2.1地圈－生物圈系统动力学25

2.2.4 日－地系统26

2.2.3大陆系统动力学26

2.2.2气候系统动力学和气候变化预测研究26

2.2.5人－地系统动力学27

2.2.6现在应起步的领域前沿27

2.3地球系统过程28

2.4地球系统科学的研究步骤30

2.5地球系统科学的时间尺度32

2.5.1几千年至几百万年（n×103～n×106a）的时间尺度32

2.5.2几十年至几百年（n×10～n×102a）的时间尺度34

2.5.3几千年至几百万年（n×103～n×106a）的全球变化36

2.5.4早期地球过程37

2.5.5几十年至几百年（n×10～n×102a）的全球变化38

2.6.1系统方法的哲学基础39

2.6地球系统科学的方法论39

2.6.2还原论与整体论相结合40

2.6.3定性描述与定量描述相结合41

2.6.4局部描述与整体描述相结合41

2.6.5确定性描述与不确定性描述相结合42

2.6.6系统分析与系统综合相结合42

2.6.7模型与原型43

2.6.8数学模型43

2.6.9基于计算机的模型45

3.1地球系统的连续动态系统46

3.1.1线性动态地球系统46

第3章地球系统科学理论基础46

3.1.2非线性动态地球系统48

3.1.3轨道、暂态、定态50

3.1.4稳定性52

3.1.5吸引子与目的性57

3.1.6周期运动与回归性59

3.1.7分岔62

3.1.8突变66

3.1.9连续混沌68

3.1.10过渡过程特性71

3.2地球系统的离散动态系统72

3.2.1离散映射与离散动力学72

3.2.2离散混沌75

3.2.3几种自动器网络模型80

3.2.4遗传算法86

3.3地球系统的随机性92

3.3.1随机过程与随机涨落92

3.3.2主方程和福克尔－普朗克方程96

3.3.3随机网络模型101

3.4地球系统的自组织106

3.4.1 自组织与他组织106

3.4.2两种有序原理109

3.4.3 自组织理论115

3.4.4自组织的几种形式120

3.5.1简单系统与简单巨系统123

3.5地球系统的简单巨系统123

3.5.2熵——简单巨系统的基本概念126

3.5.3数学模型130

3.5.4地球系统演化的分析方法137

3.6地球系统的复杂巨系统144

3.6.1关于复杂性144

3.6.2把复杂性当作复杂性处理146

3.6.3开放的复杂巨系统148

3.6.4从定性到定量综合集成方法152

3.6.5综合集成研讨厅体系153

4.1.1太阳系概况155

第4章地球系统科学子系统与学科分支155

4.1行星系统155

4.1.2太阳系在宇宙中的地位157

4.1.3行星的轨道运动158

4.1.4行星的基本物理性质162

4.1.5行星的结构164

4.1.6卫星和环系的一般特征166

44.2地核和地幔系统167

4.2.1地震资料与内部结构168

4.2.2地球内部的物质成分及其状态171

4.3岩石圈系统173

4.3.1大陆漂移、海底扩张和板块构造175

4.3.2地质过程178

4.3.3陨击坑和冲击变质作用179

4.3.4地球的年龄和地质年代表183

4.4水圈系统185

4.4.1海洋的成分186

4.4.2海洋温度和洋流186

4.5大气圈系统186

4.5.1地球大气的成分187

4.5.2地球大气的性质和结构分层188

4.5.3地球磁场、磁层和辐射带192

4.6.1生物圈的组成195

4.6生物圈系统195

4.6.2生命的特征——DNA196

4.6.3生命的起源、演化和生物圈的形成198

4.6.4人类的由来203

4.6.5生物圈系统及其平衡203

4.6.6生物圈对地球外部圈层的作用205

4.7各圈层相互作用的动力学效应208

4.7.1多体系统动力效应208

4.7.2非完整系统动力效应214

4.7.3变质量系统动力效应219

4.7.4碰撞动力系统效应223

4.7.5破坏动力系统效应231

4.7.6流体动力系统效应237

4.7.7极端动力系统效应245

4.7.8爆炸（发）动力系统效应255

4.8地球系统科学学科分支266

第5章地球系统科学的数字表达——数字地球269

5.1 数字地球提出的背景269

5.2数字地球的研究方法269

5.3数字地球原型272

5.4地球系统场理论基础273

5.5数字地球物理模型274

5.7数字地球数学模型276

5.6数字地球力学模型276

5.8数字地球信息模型277

5.9数字地球信息获取技术与模拟277

5.10数字地球空间信息基础设施278

5.11数字地球技术方法279

5.12数字中国281

第6章地球系统科学研究示范——青藏高原大陆碰撞各圈层统一相互作用282

研究282

6.1青藏高原国内外研究现状概述282

6.1.1高原隆升机制283

6.1.2高原隆升历史285

6.1.3讨论286

6.2各圈层统一相互作用的物质组成与古生物演化特征287

6.2.1 地层古生物系统及其时空演变287

6.2.2岩浆活动特征与规律299

6.2.3高温高压下岩石力学性质研究309

6.3各圈层统一相互作用的大地构造特征与地质过程315

6.3.1青藏高原大地构造特征315

6.3.2青藏高原各圈层隆升的地质过程322

6.4各圈层统一相互作用的现今构造应力场演化特征326

6.4.1第四纪早期构造应力场326

6.4.2现代构造应力场327

6.4.3地壳形变特征332

6.4.4动力学演化机制333

6.5各圈层统一相互作用的地球物理场特性与深部构造334

6.5.1青藏高原人工地震探测研究334

6.5.2青藏高原区域重力场研究341

6.5.3青藏高原与周边地区电性结构及其地质意义343

6.5.4青藏高原区域磁异常研究347

6.6各圈层统一相互作用的统一构造动力模型353

6.6.1 中国大陆应力场及位移方向和速率约束条件353

6.6.2印度板块对欧亚大陆的挤压作用及青藏高原受到的垂直作用353

6.6.3滑移线场与中国大陆统一应变场354

6.6.4青藏高原隆升的统一构造动力模型355

6.7.1 青藏高原各圈层力学系统描述356

6.7各圈层统一相互作用的力学描述356

6.7.2青藏高原岩石力学系统的非稳定性问题362

6.7.3青藏高原各圈层多体系统力学描述364

6.7.4青藏高原各圈层塑性力学描述369

6.7.5青藏高原地幔热柱动力学模型研究371

6.8各圈层统一相互作用的数值模拟376

6.8.1建立力学模型376

6.8.2算法分析378

6.8.3计算结果与分析380

6.9结论381

参考文献383