地球多级循环及其资源、能源、灾害、环境效应

在综合分析前人资料和系统梳理笔者认识的基础上,以整体观和系统论的思想为指导,针对板块构造学说存在的核心科学问题,采用分尺度、分层块、分阶段的研究思路,探讨开放复杂地球系统的物质运动方式。将水平运动与垂直运动相结合,流体运动与固体运动相结合,地球内部过程与外部过程相结合,探索盆山和洋陆的成因及其关联机理,认为热动力是驱动盆山地壳物质循环和洋陆壳幔物质循环的关键因素。开放地球系统存在与盆山、洋陆物质循环有关的水循环、火山物质循环、大气循环、碳循环、生物地球化学循环、洋流循环,由此产生资源、能源、灾害、环境效应。地球内部热能经过长期的积累之后,以超级干旱-火山-冰冻-地震-洪水-海平面上升组成的全球性巨灾链形式释放,具有时空结构和关联机理的巨灾连发导致生物分批死亡,集群绝灭。地质历史上还有无数规模较小、结构相似、机理相同的热灾害链,不同程度地影响地球生态环境和全球变化。热灾害链贯穿地球整个演化过程。根据下地壳流动规律和热灾害链时空结构对中国大陆强震进行了预测。强调取热减灾减排不仅能够解决能源危机,而且可以降低灾害强度,推迟灾害发生时间。     

鲁甸、景谷、康定地震预测的原理、方法及其意义

继中长期预测了芦山地震之后,笔者中期预测了鲁甸、景谷和康定地震。例如,鲁甸地震的预测震级为7级左右或6.5级以上(实为里氏6.5级),地点为北纬26°~29°、东经101.5°~105°(实际震中北纬27.1°,东经103.3°),发震时间可能是2014年5月至2015年5月(实际为2014年8月3日)。本文总结了鲁甸、景谷、康定地震和陆内地震热流体物理综合预测的原理、方法和步骤;阐明了在开放复杂地球系统多级物质循环热构造背景下,大陆地壳非均匀流动("热河")过程中热能的源、汇、释过程与热灾害链及其地震之间的关系;提出了根据热灾害链时空结构和活动"热河"地震空区相结合进行长期和中期地震预测,与根据热流体直接和间接前兆异常开展立体监测和短临地震预测有机结合的新思路。根据当前热灾害链的演变规律和异动"热河"地震空区分布,进一步分析了西南和华北地震的发展形势,强调华北(特别是东北)的震情极为严峻,短临地震监测和预测已刻不容缓。     

环境·灾害与地学

环境与灾害已成为中国社会经济发展的重大制约因素 ,保护环境、减轻灾害需要全社会的努力和科学支撑。环境与灾害的形成主要受两大因素控制 :一是自然变异 ,二是人类社会活动。地球在不停地运动着、变化着 ,致使人类、地球、环境发生日新月异的变化 ,并导致自然灾害的发生。从表面看 ,地圈的运动和变化导致地质环境的变迁和地震及地质灾害的产生 ;水圈的运动和变化导致水环境的变化和水灾害的发生 ;气圈的运动和变化导致气候环境的变化和气象灾害的发生 ;地球表层系统和生物圈的运动和变化导致生态环境的变化和生物灾害的发生。然而 ,从深层次看 ,由于地球是一个开放的自组织系统 ,各个圈层自身运动变化的同时 ,彼此也在发生着物质和能量的交流 ,各个圈层的运动与变化受控于全球运动与全球变化 ,并受太阳及其它天体运动和变化的影响。由此看来 ,地球各个圈层的环境与灾害的产生都不是孤立的现象 ,而是彼此相关 ,形成环境灾害系统 ,并作为地球系统的一个分支 ,属于全球变化的一个组成部分。基于这一认识 ,环境与灾害应当是地学研究的新命题。     

基于知识图谱的城市洪涝灾害链推演及时空特性解析

城市洪涝灾害具有链式传播特性,解析城市洪涝灾害链的传递规律和时空演变特征对于阻断灾害链具有重要意义。本研究以郑州“7·20”特大暴雨洪涝灾害中地铁5号线被淹和京广快速路隧道被淹2个事件为案例,构建知识图谱揭示灾害链传递规律。通过复盘灾害链的演变过程,从中识别灾害链中的诱发点、引爆点、扩散点以及放大点,并着重分析致灾机理以及灾害链的时空特性,以灾害曲线形式直观展示不同灾害链的影响程度。郑州“7·20”洪涝灾害典型案例解析表明,两事件存在多个灾害链阻断时机,在救灾过程中应综合考虑灾前、灾中因素的影响,果断采取断链措施,并且要充分发挥应急措施的时效性,及时阻断引爆点和扩散点,降低洪涝灾害损失。该方法能够应用于链式灾害的复盘,指导分析具体事件的致灾机理和救灾切入点。     

地应变固体潮对微渗漏作用的动力贡献研究

目前国内外对构造应力作用下地球内部流体运动的规律与特征的研究已经很多 ,但面向地应变固体潮对地壳微裂缝系统的微渗漏作用影响的研究尚属空白。地球在太阳、月球的引力作用下 ,一方面在其表面的海洋、湖泊形成直观的潮汐现象 ;另一方面固体地球自身还形成肉眼无法看到的粘弹性形变 ,称为固体潮。固体潮不仅能引起重力变化、地面倾斜和地面伸缩等地球物理现象 ,而且还为地壳内微裂缝系统提供了永恒的、周期性的伸缩开合变化的动力 ,大大提高了流体在微裂缝系统中微渗漏的规模和距离 ,造成流体中物质元素的迁移和变化的地球化学现象。文中主要阐明了地壳裂缝系统和流体微渗漏作用的客观存在 ,探讨并总结了地应变固体潮对微裂缝系统的应力作用特点以及为流体微渗漏作用所作出的重要动力贡献 ,并将固体潮与地球化学有机联系在一起 ,从理论上说明流体携带包含深部矿藏 (体 )信息的特征元素或物质完全有可能通过微渗漏作用迁移至地表并形成该元素或物质的地球化学异常 ,为当前的地表土壤法、地气法、电提取法、电吸附、吸附丝等多种地球化学找矿方法提供可信的理论依据。     

华北热灾害链的结构、成因及强震趋势分析

华北地壳热活动强烈,重大自然灾害频发。华北自然灾害具有区域性、群发性、连发性、关联性特征,组成热灾害链。华北热灾害链的典型结构是跨年度干旱-异常路径台风-异常降雨-异常海冰-强震-异常降雨,受控于源于渤海和青藏高原的下地壳不均匀流动形成的 “热河”及其热能有规律地积累与释放,渤海放射状下地壳热流系统与地幔软流圈底辟作用有关。当前华北热灾害链已经有序演变到地震阶段,近5年内在韧性下地壳中6条“热河”的6个撞击区可能发生多个强震,流经辽东湾向北东方向流动的下地壳“热河”撞击区、临汾-太原-大同下地壳“热河”与流经渤海湾-通县-沙河下地壳“热河”的夹击区危险性最大,应当尽快系统监测与热流体有关的地震前兆异常,科学开展地震短临预测。查明华北韧性下地壳中“热河”的三维动态演变,系统梯级开发各条“热河”的热能资源,对于发展经济、减灾减排都具有十分重大的意义。     

地理物理学的回顾与展望

简要回顾了20世纪地球物理学的发展。指出20世纪是地球物理学发展的重要历史阶段，在此期间实施的一系列大型的全球性的研究计划深化了人类对地球本体的认识，提供了有关资源、能源、灾害和环境的形成、分布与发展的深层过程和空间信息，扩大了人类对地球整体研究的视野，激励了对空间和地球（包括大陆和海洋）以及生态环境之间耦合的研究，并在造福人类的过程中取得了辉煌的成就。展望了21世纪地球物理学的发展，认为21世纪的地球物理学必将担负起地球科学中一系列重大科学问题的先导角色。在深化对地球本体和日地空间及其相互作用的认识，量化地球内部各圈的耦合和深部物质状态及物质组成的错综组构，解决水、资源、环境（包括空间资源环境）等问题中做出贡献。     

地气的宏观效应与微观效应

根据地球内部气体 (地气 )的释放特征及对生态环境产生的影响 ,文中提出了地气的宏观效应及地气的微观效应的概念。地气的宏观效应主要是由地球内部大量气体的突然释放所引起 ,它具有突发性、宏观性及难于研究的特点。地气宏观效应有多种表现形式 ,如火山爆发、地震前后排气及一些大的自然灾害及自然现象等。地气的微观效应则是由地球内部气体持续微观释放所引起 ,它具有普遍性、微观性及可研究的特点。地气的微观排放及地气作用下物质的远距离迁移是地气微观效应的主要表现形式。研究地气的微观排放对于研究温室气体及气候变化有重要意义 ,而研究地气作用下物质的远距离迁移现象对于石油、金属矿的勘探以及在环境研究中都有重要的意义。本文阐述了地气宏观效应及地气微观效应的定义、特点、表现形式及其研究意义。     

矿山灾害链及其断链减灾模式分析

为了揭示矿山灾害系统的复杂性规律和运动本质,运用系统理论观点,从灾害链的角度对矿山灾害链定义、分类、特点及链式发育机理进行了研究。提出矿山灾害链组合断链减灾模型,即"初次断链+预防断链+灾后重建"组合断链模型,并在华恒公司矿井水害防治中得到运用,可以有效的解决矿井水害特别是矿井西部老空水问题。矿山灾害链式效应在矿山灾害中普遍存在,组合断链减灾模型为最佳减灾方案,而通过对断链程度和各断链过程对总断链的贡献率的计算实现断链最优化将成为今后研究的重点。      

地球物理学的回顾与展望

简要回顾了 2 0世纪地球物理学的发展。指出 2 0世纪是地球物理学发展的重要历史阶段 ,在此期间实施的一系列大型的全球性的研究计划深化了人类对地球本体的认识 ,提供了有关资源、能源、灾害和环境的形成、分布与发展的深层过程和空间信息 ,扩大了人类对地球整体研究的视野 ,激励了对空间和地球 (包括大陆和海洋 )以及生态环境之间耦合的研究 ,并在造福人类的过程中取得了辉煌的成就。展望了 2 1世纪地球物理学的发展 ,认为 2 1世纪的地球物理学必将担负起地球科学中一系列重大科学问题的先导角色。在深化对地球本体和日地空间及其相互作用的认识 ,量化地球内部各圈的耦合和深部物质状态及物质组成的错综组构 ,解决水、资源、环境 (包括空间资源环境 )等问题中做出贡献。     

地球系统动力学与取热减灾减排

在综合分析大量地质、地球物理资料的基础上,建立了以热能为驱动力的开放地球系统发生多级物质循环的地球系统动力学新模式,据此可以合理地解释洋陆系统及其相关的盆山体系的动力学机制,阐明地球系统资源灾害环境发展的内在关系。在地球系统动力学创新思想指导下,总结了活动地壳热构造系统的特征,初步研究了华北和西南热灾害链的结构和强震发展趋势,系统地分析了取热减灾减排的重要性、必要性和可行性,在此基础上阐明了系统开发干热岩的思路和方法及其可持续发展的途径。从而为即将到来的新地学革命和能源革命提供了一个新思路。     

地球系统动力学纲要

与地球系统科学和全球变化密切相关的地球系统动力学研究地球系统多层块耦合作用的结构、过程、机理和效应,是地球动力学、岩石圈动力学、大陆动力学、海洋动力学、大气动力学的高度综合。本文采用分尺度、分层块、分阶段的思路研究复杂的地球系统,将地球系统动力学按空间、时间和物质分为地球内部系统动力学、地球表层系统动力学、地球外部系统动力学,历史地球系统动力学、现代地球系统动力学、未来地球系统动力学,气体地球系统动力学、液体地球系统动力学、固体地球系统动力学,分析了地球系统的耦合特征、耦合类型和耦合方式,初步探讨地球内部系统与地球外部系统耦合作用的耦合边界、物质运动、动力来源和耦合机制。最终将地球系统相互作用的各层块作为一个有机的整体进行综合,认为地球内部放射性衰变生热和地球外部太阳辐射生热是驱动地球复杂开放系统层块耦合的主要动力源。     

地球构造及其演化历史研究中的几个关键问题

地球是经历４６亿年漫长地质演化、具有复杂的动态动力学系统的天体。地球物质组成和结构的非均一性，地球构造的多阶段、多类型、多成因、多级序性决定了地球构造的时空演化是非均变，多种构造体制共存，主次有别的复杂组合，并呈现多阶段的演化。文中对地球构造活动时期的确定分别从角度不整合、盆 山转换耦合关系、岩浆作用、变质作用和同位素年龄等不同角度进行了分析和讨论。     

川西北巴西金矿田流体成矿地球化学界面及核技术识别研究

流体成矿地球化学界面是成矿环境条件变化、流体性质演化、流体一环境作用的突变部位,这些部位往往是流体成矿定位的重要场所。在巴西金矿田,应用Ｘ射线荧光测量方法可以探测流体成矿过程中元素浅地表的地球化学异常及蚀变分带,识别汉体成矿定位地球化学界面在浅地表的位置及分布特征,地气测量方法可以查明深部的地球异常和断裂破碎带的位置及特征,确定深部地球化学界面的分布。     

试论地球运动与地质灾害及自然灾害系统

各种地质灾害与自然灾害不是孤立出现的,而是构成相互联系的灾害系统。灾害系统受控于地球的运动与天体活动。现在地球的运动已进入一个新的活跃时期,推测灾害有加剧的趋势,因此研究灾害系统的规律,制定灾害预测和防御措施是一项重要的工作。     

地球内部流体系统科学统一理论

从当前人类面临的重大而紧迫的全球性资源、环境、减灾问题的挑战出发，论述了地球内部流体研究在三大领域中的地位和作用。地球内部流体系统科学统一理论从科学系统观出发，在研究思路上坚持多门学科间大跨度交叉，立足于层次性、全球性和统一性的整体观，并以地球系统科学为理论基础，从而具有在更高层次上进行综合学科研究的特点和时空有序多层结构的研究领域。最后，阐述了从定性到定量的系统学、非线性科学的方法学和方法论。同时，地球内部流体与成矿作用，与环境、灾害及全球变化，地球内部流体的实验研究和动力学研究以及地球内部流体的探测，是统一理论研究的主题。     

谈固体地球动力学系统的自组织

地球在3.8 Ga前不断有小星体撞击,属于不稳定的开放系统,积累了大量物质和能量。太古宙以后开始形成了准圈层结构,转变为封闭的能量消散系统,并开始建立了系统整体凝聚力和活力之间高度平衡的自组织机制。固体地球系统的重力和化学亲和力产生地球系统物质向内运动的凝聚力。地球存储在地核中的热能和放射性物质的核能,是驱动和维持着固体地球内部物质向外运动的活力来源。地球的自组织指的就是自我调控系统凝聚力和活力之间平衡的调节能力。固体地球系统局部时空尺度的物质运动是各态遍历的,大尺度全局的物质运动规律是确定性的,是自组织机制发挥作用的结果。固体地球系统的自组织能力现在还保持在很高的水平。     

谈固体地球动力学系统的自组织

地球在3.8 Ga前不断有小星体撞击,属于不稳定的开放系统,积累了大量物质和能量。太古宙以后开始形成了准圈层结构,转变为封闭的能量消散系统,并开始建立了系统整体凝聚力和活力之间高度平衡的自组织机制。固体地球系统的重力和化学亲和力产生地球系统物质向内运动的凝聚力。地球存储在地核中的热能和放射性物质的核能,是驱动和维持着固体地球内部物质向外运动的活力来源。地球的自组织指的就是自我调控系统凝聚力和活力之间平衡的调节能力。固体地球系统局部时空尺度的物质运动是各态遍历的,大尺度全局的物质运动规律是确定性的,是自组织机制发挥作用的结果。固体地球系统的自组织能力现在还保持在很高的水平。     

隐伏矿地气地球化学勘查方法的影响因素及其作用方式

在介绍隐伏金属矿床地气勘查方法的基础上,探讨了上覆岩石、地层、土壤、地下水和近地表大气等地质体及采样方法对揭示隐伏金属矿床的地球化学异常特征的影响,认为地气异常是多成因的,主要来自隐伏矿床所行成的纳米级物质,同时受到隐伏矿床上覆岩石、地层、土壤、地下水和近地表大气等地质要素影响。其作用方式是幔源气对隐伏矿床上覆岩体与地层造岩及微量元素的迁移,土壤固相组分对气体中矿致异常纳米物质吸附与固定及土壤反应脱有机气体,土壤对大气或污染大气对土壤的物质扩散,而地气采集装置和方法对元素含量改变也有影响。     

南海灾害地质发育规律初探

论文将南海灾害地质按新构造、地貌和第四纪地质3个系列，及新构造灾害地质、重力灾害地质、侵蚀－堆积灾害地质、流体－塑性体灾害地质及结构不均性灾害地质5个类型进行了论述，系统探讨了活断层、滑坡、沙丘、浅层气、古河道等发育的区域地质规律。