第十八讲地质科学前沿简介

第十八讲地质科学前沿简介一、20世纪地质科学发展的历史回顾1830年，英国地质学家莱伊尔发表了《地质学原理》一书，使地质科学成为一支独立的学科。地质科学是研究地球、地壳构成的岩石圈及其演化规律的科学。具体来讲，是研究地球、地壳岩石圈的成分、结构、[构造与历史，各类岩石及矿床形成的规律，岩石圈的空间分布和时间顺序；研究古地理环境的更替和生物在地球上的进化史。地球本身是一个庞大而复杂的自然综合体，具有独特的多级结构性、多壳层性、非均质性，时间跨度大，螺旋上升又具有不可逆的特点。从这一点来看，地质科学是一门具有明显理论探索性的自然科学。本次访谈主要以地质科学发展的时间为主线，涉及近代地质科学的研究进程及发展方向。1840年鸦片战争发生以后，虽然地质科学已从西方传入我国，但却没有得到很好的发展，这其中的原因有很多，例如帝国主义的侵略，满清政府的腐败统治和军阀混战等历史原因。因此在这一时期，地质科学和其它科学一样在我国没有得到应有的发展。具体来讲地质科学最早是在1892年在我国出现的，当时江南有一学堂设置了地质矿物学科课程，从此在我国有了地质科学的教育。从国家机构设置来讲是在1913年，北洋政府农商部设立了我国第一个地质调查研究所，由丁文江教授出任第一任所长。1916年，我国开始进行有组织的地质调查。直到1949年解放，由于内乱外患，我国真正从事地质科学研究的工作者还只有290多人。这一时期涌现了许多著名的地质学者，如章鸿钊、丁文江、李四光、翁文灏等，他们从事研究的领域有岩石、地层、大地构造、古生物、矿藏学等，奠定了我国地质科学发展的基础，并且从此开始培养了一批又一批的地质学家。1949年解放后到文化大革命以前，由于我国经济建设和社会发展对矿藏资源和水资源的需要，促进了全国范围的地质调查工作，使我国地质科学获得了有史以来空前规模的发展。20世纪70年代文化大革命结束以后，由于改革开放的实施，通过国际学术交流，我国地质科学界发生了很大的改变，迎来了我国地质科学发展的新时期，这一时期可以说是我国地质科学发展的转折点。简言之，20世纪地质科学发展的重大进展主要包括以下几点：1、在地球及其各个圈层（岩石圈、生物圈、水圈、大气圈）的起源、结构、演化和运动规律等方面，经过几个世纪的努力取得了基础理论上突破性的进展，并取得了很大的社会经济效益。20世纪一些重大事件的发生，标志着地质科学取得了重大的进展。例如1905年，地质界揭示了大气电离层的存在，为无线电通讯提供了发展的前提条件；石油地质科学领域在20世纪也取得了很多成就，使化石能源成为世界经济发展的血液；另外固体地球科学的发展推动了矿产资源的巨大发展。矿产资源包括金属矿产和非金属矿产，金属矿产大家都很熟悉，如金、银、铅、锌以及贵金属等；非金属矿产包括许多建筑材料、宝石等，这些都是固体矿产资源。因此固体地球科学的进展推动了固体矿产工业的巨大发展。2、20世纪大气科学中短期和长期天气预报的发展。现在天气预报已经是家喻户晓，并且对人类工农业和社会生活的发展具有深远的影响。3、遥感技术、卫星技术、地理信息系统等高科技的发展。这些技术现在已经应用于许多科技领域、军事、林业、农业等，并且已有产业化的趋势。4、海洋科学在20世纪的发展促进了新兴海洋产业在新世纪的崛起。特别值得指出的是20世纪60年代后期，板块构造理论的提出。板块构造理论是地球科学理论发展上的创新，引起了地球科学理论思维的重大变革，为认识地球岩石圈的演化历史、结构构造和演化规律奠定了坚实的基础。板块理论的提出是地球科学发展过程中的根本性的变化。就我国地质科学的发展而言，在基础地质研究方面，这一时期已经完成了全国范围的二十万分之一的地质填图、一百万分之一和三百万分之一的各种专业图件的编制，包括各种矿产分布图、地质构造图等，为以后各种产业的发展奠定了地质学基础。毛泽东主席曾经指出“地质部是地下情况的侦查部，地质工作搞不好，一马挡路，万马不能前行”。这充分说明了地质科学是工农业发展的基础。除了上面一些地质图件的编制，这一时期地质学界还出版了《地层学》和《古生物学》两个系列的专著，这也是我国地质科学取得的重大成就。在地质构造方面，李四光地质力学理论的提出，促进我国东部石油的开发；另外黄汲清的多旋回综合构造理论的提出，也是地质科学上一个很重要的基础地质理论；这一时期，我国在应用地质学方面的发展也很迅速，如石油地质学、煤地质学和矿藏地质学等。这些学科不仅在自身的发展上取得了很大的成就，还促进了其它相邻学科的发展，如沉积学、古地理学、区域成矿学、水文地质、工程地质等。2001年11月30号，我国成立了中国地质调查局，这可以说是我国地质工作上的一件大事，该机构将统筹规划我国未来地质工作的发展。最新的统计资料说明了我国在矿产资源调查方面取得的巨大成就：截止到2000年，全国已发现的矿产资源有171种，其中已探明储量的有157种；已发现的矿床、矿点有20多万处，其中已进行详细工作的有2万多处。因此我国是世界上矿产资源丰富、矿产资源种类齐全的少数几个国家之一。在矿产开采方面，矿石开采量超过40亿吨，矿业总产值超过4000亿元，其中全国煤炭、钢铁、水泥三大主力矿产品产量居世界第一位；十种有色金属、石油化工矿产品产量位于世界前列；其它一些矿产资源已探明储量居世界第一位，如稀土元素，钨矿等，但由于用量的问题没有全部开采，仍储存在地下。第十八讲地质科学前沿简介二、未来地质学的发展趋势和研究热点在我国，20世纪中叶的规划要求是基本实现现代化，把我国建设成富强、民主、文明的社会主义现代化强国。这就要求我们在地球科学中的资源环境和自然灾害两个方面，投入大量的工作，为实现现代化这个宏伟的目标打下坚实的基础，提供科学和技术支持。我国地质科学的研究现状是这样的：目前我国的社会经济发展过程中还存在着许多问题，面临着资源和能源的储量不足的问题。资源主要包括矿产资源和水资源，能源是指煤炭、石油、天然气等；还有就是自然灾害发生很频繁，环境恶化十分严重。随着社会的进一步发展，这两方面的矛盾还会更加突出。我国国民经济的约17%是直接来自与能源、矿产资源相关的产业，同国民经济发展关系非常密切的石油、天然气，铜、铬、锰、银、金、铂等，农业需要的磷矿、钾盐矿等，后备储量严重不足，是我国的短缺矿种。另外我国耕地面积很少，水资源非常短缺，人均耕地面积不到世界平均水平的1/3，一半以上的城市缺水。旱涝、地震、风暴、滑坡、泥石流等自然灾害发生频繁，我国是世界上自然灾害最为严重的少数几个国家之一，其中旱涝和地震尤为突出；环境恶化也十分严重，全国1/2以上的河流受到污染，酸雨面积占我国国土面积的20%，垃圾占地面积达75万亩，由于种种环境污染造成的经济损失每年达2000亿元。由于经济发展和社会进步，面临这么多的问题需要解决，这些问题中有许多是和地质科学相关的，需要地质科学来帮助解决。因此地质科学在21世纪应该在资源、能源、生态、环境、自然灾害等等重大问题方面，寻求一些解决问题的方法，做出应有的努力。关于地质科学在21世纪的发展趋势，我国科学院地学部的许多学者经过多年的讨论，已达成共识，他们认为地质科学未来的发展必须是多学科的综合交叉发展。大家知道在科学技术中，属于基础性的学科主要有六大类：数学、物理、化学、天文学、地理和生物学。其中地学涉及的问题很广，包括地球上的各个圈层，而地球又是宇宙中的星体，因此地质科学的发展又和宇宙的发展有着密切的联系。按照现在科学技术的发展水平，单一学科要想解决和地质学相关的问题非常困难，由此地质科学的发展要形成一个多学科的综合研究，这是地质科学今后发展的总趋势。因此地质科学今后在自然资源、自然灾害、环境生态等方面要研究许多问题，如大陆水圈的演化规律，其相关的水资源的合理利用；在矿产方面，主要的研究方向是重要的成矿带及新型的矿产资源的开发和利用，主要包括一些矿产资源的成矿机理、成矿背景、勘测技术、技术理论等；土地类型、土壤质量的演变、土地资源的可持续利用；气候变化和气候动力学，这里主要涉及大气动力学的问题；环境污染；陆地生态系统和海洋生态系统；地球表层各个圈层的相互作用；产业布局城市化的问题；重大的气象灾害和大陆地震等等。归纳来讲，地质科学的前沿领域主要包括：1、地球系统科学。目前国际上已将地球系统科学作为一门学科提出，地球系统科学不只是一个单一的地球科学问题，而是许多学科融合在一起的发展。关于这方面的问题已有一系列的出版物（中译本）出现。2、大陆动力学。地球深部的结构和运动过程、板块构造运动是大陆动力学的主要研究方向。3、海洋动力学。4、青藏高原的形成和演化。这是一个国际合作的项目，许多国家的学者都在研究这方面的问题。世界上正在隆起的高原，青藏高原是最为突出的一个。而且青藏高原运动变化的影响范围很广，如对气候变化的影响。5、地球生物演化。特别是早期的古人类研究、晚期的古环境演变、生命起源问题的研究，包括鸟类的起源、人类的起源。6、日地系统整体变化过程。地球上灾变的发生不仅和地球的运动有关，而且和地球外部空间太阳系的运动息息相关。7、地球深部结构和过程。岩石圈的构造及其动力学机制方面的研究属于地球深部的研究，这方面的研究需要地球物理和地球深钻学科的支持。我国在安徽地区已开始了入地5000米的深钻工程，对地球深部结构和过程的研究具有重要的意义。8、在地质科学基础理论方面，地质科学中非线性科学和复杂性科学的研究将成为新的研究热点。9、重视高新技术发展的重要性。随着科学技术的进步，要求地质科学研究的方法技术也要随之变化。例如遥感技术、卫星技术、全球定位系统、地理信息系统、地质层析成像技术、计算机技术在矿业、环境领域已经得到广泛的应用；地震、地磁及其探测技术已穿过地壳，深入到地球的各个圈层；钻探技术现在已经可以深入地下10km，并且可以采到这个深度的样品；电子显微镜、质谱仪可以作微观原子结构的研究。因此地球科学的研究，在宏观上可以到宇宙星体，微观上可以到原子结构，同位素，可以说科学技术的进步推进了地球科学的发展。另外信息科学的发展也对地质科学有很大的影响，信息科学的发展为我们在较短的时间内实现地质工作的信息化提供了保障，以信息化来代替地质工作的现代化。我国国土辽阔，地大物博，是一个地学发展的大国，但仅是大国还不行，今后要向地学强国发展。地球科学的发展具有局域性，现在我国在地学方面的发展有的已经处于世界领先水平，因此我们要有信心在地质科学发展中实行新的突破。地质科学的发展与人类社会可持续发展的关系归纳起来有这样几个大的方面：资源问题、能源问题和环境问题，我们现在普遍提到的就是这三个大问题。资源问题是很广泛的，包括水资源、矿产资源等。从今后可持续发展的角度来看，还有一个问题很重要，即人类本身的活动，如城市建设、矿山开发等已经影响到地球系统中自然过程的发展，并且产生了很大的影响，因此21世纪，如何协调人类与自然之间的关系已经成为地球科学领域研究的一个很重要的方面；系统地观测、研究地球，为人类社会的生存发展和生活质量的提高提供技术支持，是21世纪地质科学发展的主要目标。因为地球科学研究既有全球性，又有地域性，因此要使本国社会得到可持续发展，同时要考虑其与全球发展的关系，也要解决一些全球性的问题才能更好地解决本国的问题。现在许多地质问题涉及到非常大的空间尺度，这就要求国际地学界实现广泛地合作。近50年来，全球性的科学计划迅速兴起，如国际地球物理年计划、国际岩石圈计划、国际减灾十年计划、世界气候研究计划、国际地圈生物圈计划、大洋钻探计划等等全球性国际合作。因此解决本国某个区域的地质问题，解决某地的资源、环境和灾害的问题，必然牵连到全球，因为其发展规律是全球性的。另一个方面，地球科学对于维护国家利益，国家安全也有重要的意义。目前能源和全球环境问题已经成为国际政治和外交斗争的焦点，因此地球科学的发展是国家综合国力的重要标志，也是维护国家主权和权益的必要措施。例如海洋深部的锰矿资源，现在各个国家都在划分势力范围，如果我们国家这步走慢，就会丧失一大部分海底资源；另外还有水下的一种可变成可燃性气体冰冻状