4．2．2 地球系统的非线性特征突变理论
地球系统的突变理论是地球科学理论与非线性科学理论，尤其是突变理论的综合。地球系统的突变现象是普遍存在的，而且也是地球系统变化的一种常见的形式之一，它与“渐变”共同组成了地球系统变化的主要方式。
1．基本概念
突变理论（Catastrophe theory）是法国数学家Thom首先提出来的。它是研究系统的状态，随外界控制参数连续变化而发生的不连续变化理论。该理论认为，在条件的转折点（临界点、或分支点）附近，控制参数的任意一个微小变化都会引起系统发生突变。同时还应指出，突变都发生在系统结构不稳定的地方。
地理系统的非线性数学模式有两个分支：其一是拓扑学的观念，涉及较深的数学基础；其二是分叉理论的观念，即泛函数分析算子理论的观点。
具体地说，系统在发展过程中它们的系统物理量并不是始终不变的，或多或少地发生一些偏离现象，这种现象称“涨落”。这种“涨落”是随机的，而且还是微小的，很快会消失。在一定时刻，某一空间位置上的随机变量的涨落，与其他时间、其他位置上的涨落完全无关，即在时间和空间上没有相干性，它们不能形成时空上的有序性。然而在临界点附近的涨落则就不同了，不仅涨落的强度大，而且具有时空的协同作用或相干性，称为巨涨落。这种巨涨落，将引起系统的物质流和能量流的重大变化，并形成新的系统结构和新的有序特征，于是该系统就发生了“突变”，形成新的系统。这就是系统由物质流和能量流的渐变到突变、量变到质变的过程。在临界点附近，控制参数改变可以从根本上改变系统结构和功能。这种改变称为突变。
突变理论是用拓扑学方法研究各种跃迁、不连续性和质变的理论和方法。或者说，突变理论就是研究系统状态随外界控制参数连续改变而发生的不连续变化的理论。突变理论也是非线性特征的基础理论之一。
地球系统中的突变现象是普遍存在的，是由于地球系统的非线性特征决定的。这种外界条件的轻微变化，导致了系统宏观状态的剧变，只是在非线性系统中才有。
2．地球系统的突变现象
（1）生物种群的突变：关于生物种群的突变现象是普遍得到承认的，但对于突变造成的原因却争论不休。白顺良教授认为，地球上自有生命以来的35亿年中（个别人认为38亿年），生物种群的更替或突变约有6～7次，如元古代的澄江化石群中反映的生物的绝灭，奥陶纪鹦鹉螺的绝灭，泥盆纪笔石的绝灭，二叠纪四射珊瑚的绝灭，侏罗纪菊石的绝灭，以及白垩纪恐龙的绝灭等。白顺良教授认为，造成地球上生物群更替或绝灭的原因是：陨石撞击地球表面一次，能量相当于1000个广岛投下的原子弹，对地壳造成巨大的震动，使得大裂谷、大断裂发生复活，使得有毒矿物如Ni和Ir等从地壳深部上升到地表并大量堆积，造成了对生物的杀伤作用。陨石撞击是一瞬间完成的，但Ni和Ir的毒害则长期存在，能影响到数百年、数千年。
（2）地震与火山爆发的突变过程：地震与火山爆发，应力和能量的集中过程可能需要很长时间，但爆发则是一瞬间的事，或几秒钟的事。地震和火山爆发虽然都有前兆，但爆发则是突然的，它们的发生都具有突变特征。
（3）地貌的突变过程：地貌的塑造过程，不论是侵蚀地貌还是堆积地貌过程都有一个突变过程，尤其是山崩、滑波、泥石流。河流的冲刷、河流阶地与洪积扇的堆积等都是突变的过程。地貌过程，当然也有不少属渐变过程，常规的侵蚀和堆积过程，既缓慢，也是微弱的。
（4）社会过程发生突变的例子，也是很多的。产业革命也可认为是突变。“信息革命是社会进化的突变形式之一。”