地质环境系统的结构

作者&投稿:袁具 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
地质环境的地质环境的组成~

也称地壳,是地球表面的固体部分。最大厚度为65公里以上,最小厚度为5~8公里,平均厚度30公里左右。人们能直接观察和接触到的只是地壳外层很浅的一部分。最深的矿井仅深入地下3公里左右,最深的钻井也不过 8公里。可是有的地表物质可能来自地下几十公里乃至几百公里。现在地表的火成岩,就是地球内部的物质通过火山活动和造山运动形成的。地壳表面为基岩或浮土。基岩是露在地表或位于浮土之下的坚硬岩石,浮土是包括土壤和岩石碎屑组成的松散覆盖层。浮土的厚度一般只有几十米,有的地方达几公里。浮土有的是由基岩风化就地生成,有的是异地风化产物经搬运沉积而成的。浮土在生物的、化学的和物理的作用下,经过一系列的变化,形成能使植物扎根生长的土壤。岩石分为火成岩、沉积岩和变质岩三大类。火成岩是由岩浆或熔融状的成岩物质经过冷却和结晶生成的。火成岩类岩石包括超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩。基性岩中的玄武岩、酸性岩中的花岗岩是地壳表面分布最广的岩石。沉积岩是由地表上的岩石、矿物和生物残体经过风化、剥蚀、搬运、沉积,最后经过成岩作用而形成的。砂岩、砾岩、页岩、碳酸岩等是常见的沉积岩类岩石。变质岩是由原先存在的岩石经热力、压力和化学性质活泼的溶液的作用,在固体状态下发生变质而形成的。变质岩常见的有片岩、片麻岩、板岩、大理岩等。通过对各种岩石的化学成分的分析,在岩石圈外层16公里厚的岩带中,据估计氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁等 8种元素占这个岩带重量的98%以上。岩石圈内物质的分布是不均匀的,因而不同的地球化学环境产生不同的生态系统。在不同地区不同的岩石中蕴藏着不同的矿产。现代板块学说将地壳结构分为六大板块,即太平洋板块、欧亚板块、印度洋板块、非洲板块、美洲板块和南极洲板块。地球内部的应力作用使板块发生运动,从而使地质环境发生一系列变化。如板块的相互挤压造成巨大的山脉,两个板块的同时下沉造成海底深渊。地质构造运动引起岩层的断裂、褶皱、隆起和凹陷,而形成高山和峡谷。构造运动和侵蚀作用的结果形成了地貌的基本格局。构造运动还造成火山喷发和地震等自然灾害。 以岩石(以及浮土)为基础,包括水、大气在内的地质环境是一个有机系统,各个组成部分之间存在着能量流动和物质交换的密切联系。这种联系表现在:①大气和水成因于岩石圈:现代大气是经过原始大气、还原大气和氧化大气三个演化阶段形成的。地球形成初期的原始大气已逃逸殆尽。后来地球由于内部放射性元素的衰变和所谓的引力致热而处于熔融状态,因而从地球内部逸出气体。由于地球引力,这些逸出的气体渐渐积蓄在地球周围形成以二氧化碳、一氧化碳、甲烷和氨为主要成分的还原大气。在地球的熔化-冷却的演化过程中,地球内部的水分以蒸汽的形式逸出,冷凝成水,逐渐形成水圈。太阳辐射使水缓慢地分解,绿色植物出现后进行光合作用,渐渐产生了氧气,原来的还原大气逐步演化成现代的以氮、氧为主的氧化大气。②水和大气对岩石圈的作用:水和大气直接参与地球表面外形细部的塑造和地表物质再分配的地质作用,对地球环境的演化有重大的影响。岩石的风化和剥蚀,风化产物的搬运和沉积,都同水流和风力有密切关系。不同类型的岩石处在水、气、热差异很大的环境中,形成了不同的地貌格局和不同的地球化学环境,从而又出现了不同的生态系统。今天人们看到的山地和丘陵是经过风化、剥蚀的地貌;河谷和平原是经过水流切割、沉积物的堆积而形成的地貌;沙漠是干旱和风蚀的结果;花岗岩广泛分布的地区则是低山、丘陵的地貌。碳酸盐广泛分布的地区形成奇峰怪石的岩溶地貌。坚硬耐风化的石英岩、砂岩分布的地区常常出现崇山峻岭。在湿润的热带和亚热带,风化淋蚀作用强烈,岩石被风化后,可溶性盐类大量流失,往往形成缺钙而富铁铝的红壤,在半干旱半湿润的温带则形成富钙缺铁的黄土。

地质环境: 自然环境的一种,指由岩石圈、水圈和大气圈组成的环境系统。在长期的地质历史演化的过程中,岩石圈和水圈之间、岩石圈和大气圈之间、大气圈和水圈之间进行物质迁移和能量转换,组成了一个相对平衡的开放系统。人类和其他生物依赖地质环境生存发展,同时,人类和其他生物又不断改变着地质环境。

地质环境系统内部物质能量的分布格局、组织形式以及组成要素(部分)之间相互作用、相互联系的方式与秩序称为地质环境系统的结构。地质环境系统是时间与空间的统一体,具四维的性质。为了便于分析,有时又将地质环境系统的时空结构人为地划分为空间结构和时间结构。

(1)地质环境系统的空间结构

地质环境系统按其组成可以划分为地质背景(或地质体)子系统和和人工子系统。有关它们的实体形态、组构方面的空间特征,包括组分在空间的排列和配置,都是地质环境系统空间结构的组成部分。例如,在地质背景子系统中,其基本骨架由岩石组成,岩石组成地层,地层有产状、层序;地层以单斜、褶皱的形态展布;而岩浆岩则以岩基、岩株、岩墙等形态产出;在断裂发育的地段,两盘的错动位移破坏了原地层的连续性,可呈现不同时代地层对接或叠置的关系等。这些在地质学中被称为结构或构造的地质形态,均属于地质环境系统空间结构的范畴。由于这类空间结构是在漫长的地质历史时期形成的,除非突发性的地质作用,一般在中小时间尺度上变化十分缓慢,肉眼很难识别,似乎是固化的,所以,可以把岩土体的这类内在结构形象地称为硬结构。除硬结构外,地质背景子系统内部还有水、气等流体以及能量的传递,并以物理场的方式展布,如地下水渗流场、水化学场、应力场、温度场等。这些物理场反映了该子系统内部流体物质、能量的分布格局以及从源到汇的物能交换情况,所以,也是地质背景子系统空间结构的组成部分。与硬结构相比,这些物理场对外界作用反应更敏感,易发生结构性调整,显得较“软”,所以,可将物理场形象地称为软结构。

对空间结构的软硬分类也同样适用于人工子系统的结构分析中,例如人工建造的用于地质资源开发利用的各种构筑物在空间上的分布格局,包括地面上的和地下的分布格局都可称为人工子系统的硬结构;指挥、控制人工构筑物运转发挥作用的计划、流程、法规等可视为人工子系统的软结构。

(2)地质环境系统的时间结构

时间结构是指系统组成要素(部分)的状态、相互关系在时间流程中的关联方式和变化规律。如物质运动过程出现的某些振荡周期,生命系统中存在的生物钟,都是物质系统的时间结构。在环境地质学中,地质环境系统各组分状态的变化、变幅以及多种周期成分叠加而成的频率都是对系统时间结构的描述。时间结构既存在于软结构中,如各种物理场的动态变化,也存在于硬结构中,如地层沉积韵律的变化、岩土体变形的时间过程的表达。

(3)地质环境系统空间结构与时间结构的关系

於崇文院士在《地质系统的复杂性》一书中明确指出:“地质作用是地球物质的运动,它既不能脱离时间,又不能超越空间。地质作用的时间演化具有一定的规律性,即‘时间结构’;地质作用的空间展布也有一定的规律性,即‘空间结构’。地质作用和时-空结构三位一体,相互耦合,不可分割……反映了地质事件的发生与运行机制及其时-空定位。地质作用与时-空结构是一切地质现象的根本原因。”“在认知科学上,一切观测活动最终回归于空间位置,并呈现为系统的结构性质。关于时间的任何一种观测最后都归结为某种空间模式的识别。”

由上述有关时-空结构关系的论述中,可以得出以下几点认识:

1)地质环境的结构分析在环境地质学中有着举足轻重的地位,它是认识地质环境系统的必要手段,探索地质环境系统演化规律的线索,更是解决和防范地质环境问题的基础。

对于熟悉水文地质和工程地质的读者来说,理解地质环境系统的结构分析并不困难。在水文地质工作中,查明研究区的水文地质条件即查明地下水的分布埋藏特征及补给、径流、排泄规律,是一项基础性的工作,也是寻找地下水、评价地下水资源、实施水资源科学管理、防范治理地下水害所必需的工作环节,这项工作完成的质量好坏,往往决定着整个工作的成败。同样,在工程地质实践中,查明工作区的地层、构造、地形、地貌、岩土体物理力学特性及其分布,地壳稳定性以及岩土与水的关系等所谓的工程地质条件,是工程场地选择、建筑物设计的重要依据。上述列举的查明地质背景的工作,其实就是从某一专业的角度对地质环境系统所进行的结构分析。

2)结构变化是地质环境系统演化的内在根据,也是系统功能改变的根本原因。在人为活动明显的地区,结构的变化既可能首先表现为硬结构方面,如人工挖掘岩土体,也可最先表现在对软结构的冲击,如强烈抽排地下水引起渗流场的明显改观。无论人为最先改变哪一种结构,其最终都会波及另一种结构。挖掘岩土不仅仅改变着地形,还可能干扰地下水天然的补排关系和径流方向,使施工区的水文地质条件变化;强烈抽排地下水,可破坏地下水与介质之间的天然力学平衡,导致地层的压密变形。

应该指出,由于物质特性的差异,不同物质的运动过程和响应特征也会有较大区别。在常用的时间标尺下,一般软结构的变化更易被察觉,所以研究地质环境系统演化时,尤其要注意软结构的变化。

3)地质环境系统由地质背景子系统与人工子系统耦合而成,两者有着紧密的时-空关联。出现在地质背景子系统的各种地质现象及过程,在许多情况下是难以严格区分哪些是人为地质作用所为,哪些是纯自然地质作用所致。换句话说,这些现象和过程是两种地质作用的综合结果。所以,在研究地质环境系统演化时,重要的是收集地质背景结构性改变的证据,分析软结构和硬结构的变化特点和规律,再根据分析的结果,反推这些变化产生的自然原因和人为原因,从而对系统未来的时-空结构做出推断。



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