北大环境地质学讲义01绪论.docx

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1、第一章绪 论第一节环境地质学的研究对象、内容与分科一、环境地质学的研究对象与任务随着地球环境的日益恶化和自然灾害的频繁发生，人们已经意识到所有的 环境问题都与地质环境密切相关。一方面，大地构造循环、岩石循环、地球化学 循环、水循环对大陆与海洋的分布和全球性气候变化起着决定性作用，控制着地 貌、岩石、矿物、土壤、水体的空间分布；另一方面，人类的生存离不开地质环境， 人类活动又在改变着地质环境。人类与地质环境之间存在着相互作用、相互制 约的密切关系。环境地质学是地质科学中一门新兴的分支学科，也是环境科学的重要组成 部分。它是应用地质科学、环境科学以及其他相关学科的理论与方法，研究地质 环境的基本特

2、性、功能和演变规律及其与人类活动之间相互作用、相互制约的关 系的一门学科。其研究对象是人类社会与地质环境组成的复杂系统。环境地质学的任务是在分析地质环境组成要素的特征和变化规律的基础 上，研究人类活动与地质环境的相互关系，揭示环境地质问题的发生、发展和演 化趋势，全面评价地质环境质量，提出地质环境合理开发、利用和保护的对策与 方法，为实现人类社会、经济的可持续发展提供科学依据。二、环境地质学的研究内容环境地质学属应用地质学，研究内容十分广泛，一切与人类有关的地质环境 问题都属于环境地质学的研究范畴。但迄今对其所应研究的内容尚无统一认 识。概括起来，其主要内容应包括下列几个方面。1 .全球变化的

3、研究全球变化研究是环境地质学研究的基础性研究工作，海洋一大气一陆地相 互作用与水循环研究、元素迁移的环境地球化学研究、过去事件和作用过程的高 分辨率研究、陆地生态系统对全球变化的响应、地表过程及其环境效应、晚更新 世以来地质环境演化与未来生存环境变化趋势预测、人类活动对全球变化的影 响等问题的研究已受到国际地学界的普遍重视。2 .区域环境地质问题的研究区域地质环境调查、评价和预测，是环境地质学研究最基本的内容之一，也 是环境地质工作服务于国土整治和环境保护的基本手段，主要包括区域地质环 境背景值调查、地质环境质量现状综合评价、不同比例尺的环境地质填图、各种 环境地质问题的调查与研究。在此基础上

4、，对区域地质环境的演化趋势进行预 测，为国民经济规划服务。3 .资源开发环境地质问题的研究主要研究人类与资源、地质环境之间的相互作用和相互制约的关系，研究各 种资源（矿产资源、水土资源、生物资源、风景资源等）的分布格局及其与地质环 境的关系，研究资源的可开采性和可利用性以及资源开发利用对生态系统物质 循环和能量循环的影响，研究资源开发的综合调控机制和优化技术，保证地质环 境向良性循环方向发展。4 .地质灾害研究与防治研究在内、外动力地质作用下所产生的各种地质灾害，研究其发生机制、时 空分布规律与生成关系，开展地质灾害风险评估，建立区域或重点地区地质灾害 监测预警系统，制定科学、经济、合理的地质

5、灾害防治规划与措施，制定减灾、防 灾、灾后恢复与重建方案等。5 .城市环境地质研究由于城市建设速度快、人口增长迅速，人类活动集中，对城市环境的影响作 用较强，常形成特殊的环境地质问题，如“三废”污染、水资源枯竭、地基沉陷、水 资源开发引起的地面沉降和海水入侵等。因此，必须研究城市环境污染与破坏 的原因、机制和防治措施，建立城市地质环境监测系统，开展城市地质环境质量 综合评价和变化趋势预测，编制城市环境地质图系，提出城市环境地质问题的防 治对策，为城市规划和建设提供依据。6 .重大工程建设的环境地质研究目前，人类大规模工程建设活动对地质环境的影响越来越显著。对人口聚 集、经济建设活跃地区的环境影

6、响更为严重。因此，必须研究人类各种工程活动 （建筑工程、采矿工程、水利工程等）与地质环境的相互关系，重点研究人类工程 活动对地质环境的反作用，以及由此而诱发的各种地质灾害，开展地质环境容量 评价、地质灾害风险评价和移民工程地质环境质量损益评价等。7 .医学环境地质研究探索地质环境对人体健康的影响，特别要研究可能使人类某些疾病的发病 率和死亡率增高的地质因素。同时，要研究各种污染物质直接或间接影响人体 健康或危及人类生命的机制及防治措施。目前环境地球化学研究已不限于地方性疾病，开始涉及人体必需元素或有 害元素对生命作用的多方面研究。因此，环境地球化学、环境水文地球化学将在 与生命科学的结合中不断

7、丰富和发展。8 .生态环境地质研究生态环境地质研究是国土资源规划与管理的基础，研究的内容具有综合性， 包括地质环境的状态性质、生态地质环境对人类生存的制约作用、地质环境变化 对生态系统平衡的影响和作用、人类活动对生态系统的影响、地质环境与生态系 统之间的关联性规律等。9 .现代科学技术在环境地质学中的应用研究环境地质学是一门高度综合性的交叉性新兴学科，涉及内容广、研究领域 多，地质环境监测数据量大。计算机及网络通信、卫星遥感(RS)、全球定位系统(GPS)、地理信息系统 (GIS)、虚拟现实(VR)、海量数据存储等高新技术的发展，为地质灾害监测数据 的自动化传输、管理、分析和可视化提供了极大的

8、方便。利用这些先进科学技 术，国际上已建立了全球环境观测系统、地震灾害监测网、全球陆地观测系统等 监测网络。基于地理信息系统，建立环境地质信息数据库、研究各类环境地质信 息处理技术、模拟分析各种环境地质灾害的演化过程也是环境地质学研究的关 键课题之一。非线性科学理论与方法在研究地震、滑坡、崩塌等环境地质问题的渐变性与 突变性以及人类工程活动与灾害过程”自组织临界”特性的关系等方面的应用 也越来越受到重视。研究开发或引入先进的工艺技术处理城市垃圾、治理地下水和土壤污染、开 展矿山环境综合整治等更体现了环境地质学的应用学科性质。三、环境地质学的分支学科目前，环境地质学还没有形成系统的学科体系，但作

9、为一门综合性的科学， 正向许多新的分支学科发展。根据研究对象、内容的差异，以及学科的特点，可将环境地质学分为理论环 境地质学、综合环境地质学、部门环境地质学、灾害地质学、社会环境地质学、环 境地质技术方法等。如果把环境地质学作为一门应用地质学，则按地质学基础 性学科的分支，环境地质学可分为：环境水文地质学、环境工程地质学、环境地球 化学、环境地貌学和环境矿产资源学等。目前，比较成熟的分支学科主要有：环境水文地质学；环境工程地质学； 环境地球化学；灾害地质学；城市环境地质学；矿山环境地质学；农业 环境地质学等。其中环境水文地质学的迅速发展，又进一步分化，向更低一级的分支学科发展，如区域环境水文地

10、质学、污染水文地质学、医学水文地质学等。随着地质学各个分支学科向环境科学的交叉渗透，环境地质学的学科体系 正在不断充实和完善。许多重大环境地质问题，如区域稳定性评价、滑坡、泥石 流、诱发地震、地面沉降、海水入侵、岩溶塌陷、固体废物处理等，都已形成新的专 门学科。1997年1月，中国科学院与国家环境保护总局联合成立了地质环境系 统研究中心，将其理论研究定位于“环境动力学”，重点开展现代地质环境的形 成机制和系统各要素相互制约、相互作用的规律研究。从环境污染治理、保护环 境和可持续发展的角度来研究矿物资源的开发利用则形成了 “环境矿物学”。第二节环境地质学的研究方法及与其他学科的关系一、环境地质学

11、的研究方法环境地质学是在地质科学、社会科学、环境科学和现代科学技术基础上发展起来的一门新兴的交叉学科，研究内容既包括由水大气、生物圈、岩石圈相互交汇的自然地球系统，又包括人类活动与自然系统的相互作用及其发展、演变 过程。环境地质学研究所遵循的原则与上述学科密切相关，概括起来体现在研 究对象的区域性、研究思路的系统性、研究方法的综合性与多样性、研究成果的 实用性等方面。环境地质学的研究方法必须与上述特点和环境地质学的研究内 容相适应。1 .自然历史分析法自然历史分析法是传统地质学的基本研究方法，它也适用于环境地质研究。 环境地质学所研究的对象，即人类一地质环境体系是在自然地质历史过程中形 成的，

12、而且随着所处条件的变化，还在不断地发展演化着。通过已有环境地质问 题的形成条件、机制和环境地质作用的研究，类比预测未来可能产生的变化和问 题，是人类能动调控人类一地质环境体系和保护改善地质环境的前提条件。因 此，“由己知推未知”的自然历史分析法是环境地质研究必须遵循的基本研究思 路。2 .地球化学法通过对化学物质在环境中的迁移转化规律的研究以及对矿物组成和结构特 征的研究，探索地质环境的变化。如水土流失现象与风化过程相关，而风化速率 又同组成岩石的矿物性质和外部水热条件有关，通过对矿物成分和物理化学性 质的测定和研究，可以评价风化作用的进程。又如克山病、氟中毒等疾病的地区 分布与某些环境地质因

13、素相关，研究这种特定区域地质环境中化学元素的丰度 及其在各个生态环境中的运动规律，有利于揭示人体健康与地质环境间的内在 联系。3 .系统分析方法环境地质学的研究对象是具有复杂圈层结构、层次分明的人一地环境系统， 涉及自然地球系统和人类社会经济活动等诸多方面因素。在确定各种环境要素 之间的关系，综合分析影响地质环境质量的地球动力和人类活动之间的相互作 用的基础上，必须应用现代数学原理和计算方法，包括灰色系统分析方法、线性 或非线性系统分析方法、耗散结构论、非线性动力学等理论，系统揭示环境污染、 土地荒漠化、地震与火山活动、崩塌与滑坡等环境地质问题的发生过程、机制和 规律；重点剖析大气圈、水圈、岩

14、石圈和生物圈的相互作用以及人类活动对全球 环境和生态系统的影响，建立表达人一地环境系统相互作用的动态模型，为生态 破坏、环境污染和地质灾害等环境地质问题的预防和治理提供有效的优化方案。4 .环境地质制图方法环境地质问题具有空间性、动态性和综合性。分析、研究环境地质问题，全 面、系统地调查收集资料并绘制专题图件是最基本的方法，包括对自然的、社会 的环境要素的调查、描述、取样和监测，掌握地质环境的特征，分析环境地质问题 的发生机制、分布规律，进行环境地质图件的编制等。环境地质图不仅能表示某一时刻的环境状态，还能揭示随时间流逝而发生 的环境演化趋势。因此在环境地质图中，除了应用各种颜色和线条等制图语

15、言 外，还要有数字和数字符号。这些数字和数字符号同一定的环境数学模式相关 联，借助计算机技术和虚拟现实技术，建立地质环境要素数据库和图形库，可根 据更新的数据随时编制动态的环境地质图，可实现环境地质问题的虚拟现实表 zj O5 .模型模拟与预测方法模型模拟是在环境地质调查、资料收集和分析测试基础上进行的研究方法。 模型方法是对环境系统的结构、功能和演化特征进行模拟和仿真，主要有结构模 型、评价模型、仿真模型和预测模型等。环境地质研究还需从时间、空间和强度上对环境地质问题的演化作出预测， 减轻或避免因环境地质问题而引发的灾难和损失。预测方法主要立足于以下三 个方面：以监测为主要手段的预测预报研究

16、；基于成因机理的预测预报研 究； 数学模型模拟预测研究。预测模型大体上可分为统计预测模型、数值模 拟预测模型和系统预测模型。目前，基于非线性动力学理论的突变论、混沌、分 形和耗散结构论等建立起来的灾害预报模型已得到广泛的应用。6 .环境地质评价方法环境地质评价的目的是通过揭示环境地质问题的发生和发展规律，评价其 危险性及其对人类造成的破坏损失，分析人类社会在现有经济技术条件下防灾 减灾的能力，运用经济学原理评价灾害防治和污染治理的经济投入及其环境效 益、经济效益和社会效益。评价方法主要有模糊聚类法、模糊综合判别及系统分 析法等。评价内容包括强度评价、危险性评价、破坏损失评价、社会经济易损性 评

17、价和防治工程评价等。开展环境地质评价，必须建立一套符合区域环境特征的综合评价指标体系， 构建科学、合理的评价模型，在环境地质评价的基础上，开展环境地质区划研究。7 .现代科学技术方法现代及未来环境地质学研究，更普遍采用的方法和技术手段是观测和探测 技术、测试与分析技术、模型与实验技术和资料信息的计算与处理技术。卫星遥 感（RS）、全球数字地震台网、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、甚长基 线干涉测量技术（VLBI）、环境同位素技术以及物理、化学、生物的分析测试方法 等高新技术和手段为环境地质学从宏观到微观、从定性到定量、从浅部到深部、 从地球到宇宙空间的全方位多层次的研究提供了广

18、阔的前景。目前，人文、社会和经济科学的有关理论与方法也被应用于环境地质研究 中，使环境地质研究的思想方法、理论方法和技术手段在实践中不断得以提高和 丰富。总之，环境地质学研究应以系统分析法为主线，以信息方法贯穿始终，通过 重点区域实地考察、综合观测、模拟实验、剖析典型地质事件和生态环境事件等 途径，直接获取环境变化的大量信息，并利用计算机进行信息加工处理，揭示地 球表层系统与人类社会系统的演化规律和控制因素，阐明地表各圈层相互作用 的机制，预测地球表层未来变化的趋势。二、环境地质学与其他学科的关系地质科学以研究岩石圈作为主要对象，环境地质科学不仅研究岩石圈，而且 还要研究岩石圈与大气圈、水圈、

19、生物圈和“智慧圈”的相互关系。地质环境既 受自然环境（主要包括大气环境、水环境与生态环境）的制约与影响，又与人类 活动密切相关。所以，环境地质学既要研究地质环境与自然环境的相互关系，还 要研究地质环境与人类或人类社会，即与社会经济系统之间的相互影响与相互 作用。由此可见，环境地质学包括自然科学与社会科学的许多领域，涉及的范围 非常广泛，而且错综复杂，因此，必须应用现代科学的新理论、新方法，如系统论、 信息论、控制论，以及相应产生的系统科学、信息科学和现代应用数学等，建立新 的理论体系。环境地质学作为地质科学中的一门新兴学科，是地质科学与环境科学两者 互相渗透重新组合而形成的一门边缘学科。地质科

20、学中的地层学、岩石学、地质 构造学、第四纪地质学、水文地质学及工程地质学等的基本理论，仍然是环境地 质学的基本理论。但要解决环境问题，地质科学的基本理论还必须与环境科学 的基本理论，特别是环境质量的基本理论和有关监测系统的基本理论，相互融合 起来，形成新的理论基础。这就涉及环境科学中有关环境管理学、环境控制学、 环境监测学、环境工程学以及环境经济学等学科的基本理论，这也是目前建立环 境地质学新理论体系中的一个薄弱环节。由于环境地质学研究内容的高度复杂性，特别是许多有关因素的可变性与 非确定性，所以既要应用复杂巨系统的理论进行系统分析，纳入系统工程的轨 道，还要应用和引进国外正在发展中的非线性动

21、力学以及耗散结构学等现代复 杂理论，来创建新的理论体系，同时还需要配合诸如数值模拟、物理模拟等新方 法和遥感、同位素等技术，建立遥控监测系统、数据库系统、专家决策系统等，开 展环境发展趋势的预测预报。总之，环境地质学是正在迅速发展中的一门新学 科，需要在认真总结实际经验与吸取最新理论的基础上，创立环境地质学的理论 体系，逐渐形成一门完整的、系统的、独立的新学科。第三节环境地质学的发展简史环境地质学成为一门独立的科学，虽然还只有20多年的历史，但是它的孕 育过程却是源远流长，由来已久。人类在漫长的发展过程中，主要是通过生产和 消费活动而逐渐扩大和加深自己对环境的认识，明确自己与环境的关系，并以日

22、 益丰富的知识充实环境地质学的内容，使它日趋完善地成长起来。一、环境地质学的孕育阶段人类是自然环境的产物，同时又是自然环境的改造者。随着时代的进步，人 类开发、索取、改造自然的活动不断增长，产生的环境地质问题也就越来越多，对 人类的生命财产和生存环境带来了灾害，甚至破坏了自身的生存环境。在开发地质环境和与地质环境恶化的现象作斗争的过程中，人们不断积累 知识、总结经验，逐渐提高了对地质环境的认识，萌生了合理开发环境和保护环 境的思想。中国古代大禹治水，开凿南北大运河，引浊放淤、排沟筑岸、建造台田 等，都是合理开发利用地质资源和保护地质环境的典型范例。公元前3世纪荀 子在天论一文中提出：“从天而颂

23、之，与制天命而用之”，即人可以征服、利用 自然界，阐述了 “制天命”的观点。欧美部分国家在产业革命后，社会经济得到了很大发展，环境问题也随之大 量涌现，引起了科学家的重视与警惕，开始了对环境和环境地质问题的研究与探 索。19世纪末，法国人文地理学家布拉什在其所著人地学原理中指出，人是 一个积极的因素，自然环境提供了可能性的范围，而人类在创造自身的居住地 时，又反过来按照他们的需要、愿望和能力来利用这种可能性。美国学者马什在 1864年出版的人和自然一书中，论述了人类活动对森林、水体、土壤的影响， 并呼吁开展自然保护运动。英国利物浦大学著名人文地理学家罗士培(P. M. Roxby)教授(193

24、9)则引用了 “协调”一词，“协调”既意味着自然环境对人类活 动的限制，也意味着人类社会对环境的合理利用与保护。恩格斯在自然辩证 法中也阐述了合理开发和保护自然环境的基本思想及两者的辩证关系，告诫 人们必须节制开发活动，协调好人与自然环境的关系。二、环境地质学的创立与发展阶段随着环境问题日渐增多和突出，进一步引起了国际社会的重视。1972年联 合国召开了第一次人类环境会议，发表了斯德哥尔摩人类环境宣言，大大促 进了环境调查研究工作的进程和环境科学的形成与发展。20世纪70年代以 来，中国的环境问题日益突出，中国的学者们也非常重视环境问题，先后编著出 版了环境科学、环境科学基础知识、环境学概论等

25、一系列著作。地质环境是自然环境的主要组成部分之一，环境地质学是环境科学的组成 部分，随着环境科学的发展，环境地质学亦得到了同步的发展。HackettT E (1962)最早提出“环境地质学”一词，并很快被广泛接受，出现了专门性文献。MoserPH在1969年指出：“环境地质是应用地质学、水文地质学、工程地质学、 地球物理学和其他相关科学的原理，来研究一个地区资源如何为人类最大利益 而得到发展”。1972年英国沃德和美国杜博斯发表的只有一个地球一书，从 地球的未来前途出发结合人类社会、经济、政治等方面讨论了环境问题，呼吁人 们明智地管理地球。进入20世纪80年代，环境地质学在西方国家已初步形成

26、为一 门比较系统的学科，如美国KellerE A、Coates D R、Lund grenLW Taak R W、MontgomeryCW等人都曾著过环境地质学，其中KellerEA和Montgomery CW的环境地质学已分别出版了第5版和第7版。国外这些版本的环境地 质学，内容广泛，既有属于普通地质学的内容，又有飓风、洪水等自然灾害学范 畴的内容。随着国内大量环境地质问题的出现，地质环境开发和保护方面要求的提高， 以及国际环境保护交流工作的加强，中国环境地质学也开始创立并得到发展。 20世纪8090年代，环境地质学的理论与方法在中国进入了深入研究、讨论阶 段。刘培桐、关伯仁于1980年提出

27、：“环境地学是环境科学的一个分支，以人一 地系统为对象，研究其发展、组成和结构、调节和控制、改造和利用的学科”。刘 东生、万国江等于1980年提出：“环境地质学是研究人类活动和地质环境相互作 用的学科，是地质学的一个分支，也是环境地学的组成部分”，“研究内容包括自 然和人为引起的环境地质问题”。张宗祜于1988年提出：“环境地质学应当是 研究人类技术经济活动与地质环境相互影响的学科”。“环境地质工作中，要考 虑自然一技术系统的空间范围的界限，考虑决定工程与地质环境相互作用的可 能范围”。陈梦熊于1995年提出：“环境地质科学是地质科学与环境科学两者 互相渗透重新组合形成的一门新的边缘学科”。李

28、鄂荣等（1991）,徐增亮等（1992）分别以KellerEA的环境地质学（第三 版）（1976）为蓝本编译出版了环境地质学；李铁锋等（1996）编著出版了环 境地学概论，潘懋等（1997）编著出版了环境地质学。近几年，戴塔根等 （1999）、朱大奎等（2000）、吴志亮等（2001）相继编著出版了环境地质学教材。 这些教材从不同侧面广泛探讨了环境地质学的基本概念、学科特点、理论体系、 研究内容和对象等内容，使环境地质学逐渐发展成为一门比较完整的独立学科。 但上述教材各有特色，并具有行业特点，如戴塔根等的环境地质学教材主要适用 于地矿工程专业的学生，朱大奎等的教材更适合地理专业的学生，潘懋等编

29、著的 教材侧重于地质类专业的学生。目前，中国在环境地质研究方面已开展了大量工作，取得了许多重要的成 果。中国地质学会于1987年3月正式成立了环境地质专业委员会，并召开了全 国第一届环境地质学术交流会议，着重对区域环境地质、城市环境地质、地震地 质灾害、环境水文地质、环境地质制图以及新技术、新方法在环境地质调查研究 中的运用等进行了交流、讨论。自20世纪80年代中期开始，中国专门性或与环 境地质有关的调查研究工作得到了广泛的开展，取得了大量成果，如晚更新世以 来地质环境演化趋势的基础性研究、区域性环境地质图系编制和论证、沿海经济 发达地区及城市环境地质调查研究、水资源开发引起的环境地质问题研究、农业 环境地质调查研究、重大或专项工程地质调查研究和地方病调查研究等。在人才培养方面，许多高等院校的相关专业纷纷调整专业方向，注重培养环 境地质理论研究和工程实践的人才，传统的水文地质、工程地质工作多数已被环 境地质工作所代替，具有中国特色的环境地质学理论体系已基本形成。环境地 质学在中国地球科学人才培养中占有重要的地位。