建设中的“中国天眼”

地质专家在FAST现场查勘溶塌崩塌堆积体

2006年专家组初勘大窝凼

技术人员检查桩孔

9月15日，被誉为“中国天眼”的国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜（FAST）首席科学家、总工程师南仁东先生逝世，社会各界深切缅怀。就在一年前的今天，FAST在贵州省黔南州平塘县大窝凼落成启用。它是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，其研制和建设体现了我国自主创新能力，实现了我国相关装置由跟踪模仿到集成创新的跨越。半个月前，中国科学院公布了2017年度中国科学院杰出科技成就奖授奖建议名单（通用领域），FAST工程研究集体成功入围。作为建设在地质环境复杂地区的国家重点工程，其选址、勘察、设计、施工甚至投入使用，都离不开地质工作。为什么会选址在偏远的岩溶洼地？如何解决相关环境工程地质问题？……带着这些问题，记者近日采访了曾经参与过FAST规划选址、勘查设计和施工建设的中国科学院遥感与数字地球研究所研究员聂跃平、中国地质环境监测院总工程师殷跃平、贵州正业工程技术投资有限公司董事长沈志平等几位工程地质专家。

2016年12月16日，FAST入选由《自然》杂志评出的2016年度重大科学事件。而刚刚公布的2017年度中国科学院杰出科技成就奖授奖建议名单，认为研究集体按期建成具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜FAST，在未来10~20年将保持世界领先地位，为我国在科学前沿实现重大原创突破提供了前所未有的机遇。其研制和建设体现了我国自主创新能力，实现了我国相关装置由跟踪模仿到集成创新的跨越；拥有3项自主创新：利用贵州天然喀斯特巨型洼地作为望远镜台址，自主发明主动变形反射面，自主提出轻型索拖动馈源支撑系统和并联机器人；研发了高强度高精度大跨度索网结构，高性能动光缆，大尺度高精度实时测量系统等一系列关键核心技术，取得多项技术突破，推动了我国众多高科技领域的科技进步与产业升级，在国家重大需求方面具有重要应用价值，将促进西部经济的繁荣和社会进步。这些成绩和荣誉的背后，是中国科学家和科研工作者以及建设者的智慧结晶。这其中，地质元素和构成必不可少。

为什么选址在大窝凼天然喀斯特巨型洼地？

选址工作跟进十多年，最后根据野外考察、模拟计算和综合评价优选台址

FAST工程从初步的设想、选址、勘察、设计、施工至投入使用，历经20余年。1994年，中国科学院第一轮选址；2007年7月，国家发改委正式批复立项；2008年12月，FAST工程奠基；2011年3月，FAST正式开工建设；2016年9月25日，“中国天眼”正式落成,“天眼”开眼。

在这20多年里，有一位科学家从中青年开始就伴随FAST一直走到现在。他，就是FAST观测台址系统总工程师、中国科学院遥感与数字地球研究所研究员聂跃平博士。“利用贵州天然喀斯特巨型洼地作为望远镜台址，是整个系统工程3项自主创新之一！”在他的办公室，聂跃平自豪地告诉记者。

作为FAST选址的主要负责人，曾在贵州省地矿局科研所工作过的聂跃平对“中国天眼”落户贵州功不可没。

1994年夏天，中科院原北京天文台（2001年国家天文台成立）副台长南仁东和彭勃博士等到中国科学院遥感与数字地球研究所咨询在全国范围内寻找适合建造大射电望远镜洼地事宜，之后便委托聂跃平到贵州做一次针对性的野外调查。同年8月至9月，聂跃平到平塘、普定等地进行了1个多月的实地调查，为在荷兰召开的LT大会提交了《中国贵州选址调查报告》，并得到大会充分肯定。随后，便开始了漫长的FAST探寻之路。

1994年底，中国天文界以北京天文台为核心，组成LT（SKA）中国推进委员会，推荐聂跃平为台址评价组组长。根据选址要求，选择的洼地必须符合尽可能圆、既要交通方便又要相对隔离、台址稳定、没有无线电干扰等若干要求。

聂跃平告诉记者，贵州虽然洼地众多，分布面积广泛，但要找到符合上述条件的洼地也十分困难。因此，根据以往在贵州的工作经验和岩溶洼地的发育规律，他选择在苗岭分水岭两侧的黔南州和安顺地区，应用遥感技术手段进行先期普查，然后在地形图上逐一标注，建立了300多个能够进行各种指标查询的洼地数据库，并完成了《大型射电望远镜中国贵州选址研究报告》博士后出站论文。在此基础上，聂跃平和中国推进委员会主任南仁东、副主任彭勃、国际LT中国代表吴盛殷、荷兰天文专家理查德先后到平塘、普定对部分洼地进行考察和电波干扰情况测量。1995年10月，LT第三次国际会议在贵州省贵阳市召开，会议代表到平塘、普定对洼地进行实地考察，对中国贵州选址给予了高度评价。

1997年，LT（SKA）中国推进委员会提出了LT（SKA）中国工程概念先导单元，即由我国独立建造一面世界最大单口径球面望远镜的创新方案的初步设想。经过不懈的努力和扎实的研究工作，FSAT最终获得国家立项。

聂跃平介绍，FAST是一个大科学工程，对洼地的要求随着工程的不断优化而改变，对洼地的直径要求从开始的300米、350米、400米直到500米，因此选址工作一直跟进了十多年。最后根据野外考察、模拟计算和综合评价，优选出平塘大窝凼洼地作为FAST观测台址。FAST立项后，选址组围绕FAST对台址的严苛要求，应用遥感、GIS、虚拟技术等，对大窝凼进行了台址的工程稳定性、水文工程地质、岩溶地质灾害、周边环境、工程开挖量等一系列工程问题展开了工程性研究，并向国家天文台FAST项目指挥筹备组提交了相关报告，肯定了大窝凼可作为FAST观测台址的可行性。

“从1994年到现在，20多年过去了，我从中青年开始伴随FAST走到今天，经历了漫长的时间考验，也遇到种种困难。但是一想到能利用家乡的地利优势实现FAST工程，就感到无比欣慰!”对此，聂跃平感慨万千。

FAST观测台址遇到的环境工程地质问题如何解决？

创新勘察方法，地下河洪涝灾害、断裂破碎带、巨石混合体、松动岩体、球冠状边坡等问题被逐一破解

我国西南岩溶地区地质环境复杂，如何解决FAST观测台址遇到的环境工程地质问题？记者采访了中国地质环境监测院总工程师殷跃平，他也是这次杰出科技成就奖授奖建议名单中唯一一位中科院系统外的贡献者。“地表像是一口直径达500米的大锅，地下却是非常复杂的岩溶灾害体。”殷跃平开门见山地告诉记者。

FAST观测台址选定大窝凼场洼地后，地质问题成了FAST建设成败的关键。2006年4月，殷跃平初次受国家天文台邀请，参加了FAST观测台址建设可行性论证技术组的工作。因其丰富的岩溶工程地质经验，2008年8月，受国家天文台的聘请，兼任了观测台址建设的地质总工程师。

殷跃平告诉记者，FAST观测台址建设面临的第一个难题，就是地下河洪涝灾害。这里地处贵州高原到广西丘陵平原地区的斜坡地带，串珠状的峰丛峰林洼地非常发育。表面上看，它是一个完整的洼地，实际上大窝凼洼地底部（即锅底）50多米深发育有贵州最大的地下河——大小井岩溶地下暗河。

“当时中国地质调查局正在组织实施的西南地区岩溶地下河地质大调查项目提供了很好的基础资料，前期调查表明，这条地下暗河一直流到了广西境内。它通过漏斗和落水洞将大窝凼与地下河建立了水力联系，这意味着地下水动态变化非常大，在极端暴雨的情况下，地下河水将上涨数十米。同时，在建设期间，土石方工程也将会改变洼地产流和径流条件，从而导致洪涝灾害。”后来，针对这一问题，可行性方案提出了新型的螺旋形加放射状截排水措施，并沿洼地底部设立了1公里长的泄洪隧洞，从根本上消除了FAST场地的洪涝风险。

第二个问题就是断裂破碎带的地质工程问题。贵州的岩溶地下河往往与断裂带有关，技术人员现场工程地质勘察发现，长达十多公里的董当断裂带自北向南穿过，将大窝凼洼地切割成了东西两半。由此，东西二侧半球冠状的洼地工程地质条件将出现差异性，即随时间的推移，望远镜可能存在变形差异，而且断裂破碎带的软弱性也将带来地质工程问题，影响望远镜发射板的锚固安装质量。“望远镜有2400多个三角形反射块，像鱼鳞片一样。用锚杆与下面的地层固定，如果有断裂破碎带，注浆质量会下降。锚杆施工后，如果断裂带溶蚀严重的话，注浆时漏浆量会很大，导致抗拔力出现大的差异，影响工程质量。”于是技术人员专门在现场对断裂带进行了大量的锚杆拉拔实验，获得了注浆参数、锚固长度、设计锚固力等一系列参数。“比如注浆中加一些早强剂，防止它漏失，让它固定住，不会出现新的变形。”

第三个问题是洼地西南侧分布数百万立方米的大型溶塌崩塌堆积体，正好位于望远镜圈梁附近，开挖扰动后将带来滑坡问题。“这些堆积体在大小井地下河系演化过程中，由岩溶动力侵蚀形成，具有一定的稳定性。但是，被切脚临空后，稳定性将会降低。我们通过抗剪试验和室内模拟，发现这种溶塌崩塌堆积体和传统的滑坡堆积体是不一样的。我把它称为‘巨石混合堆积体’，它与下伏基岩界面形成了点摩擦，有一定的嵌固性，抗剪强度要高，可以按照代换补强的思路，采用小口径组合桩群加注浆的措施对前缘进行加固，这样就构成了一个由巨石混合体和桩群构成的棱体，形成了拱圈效应，对巨石混合体起到了支挡作用，确保了望远镜的安全。”殷跃平展开当时的设计剖面图，向记者解释道。

第四个问题就是古地下河的卸荷松动岩体稳定问题。殷跃平介绍，在大窝凼洼地3点钟到5点钟一带，出露有一古地下河通道，洞口岩体破碎，形成了大范围的松动岩体。如果在FAST观测台址建设和运行过程中，不对这些松动岩体进行加固的话，将会形成崩塌滚石灾害直接摧毁望远镜。因此，技术人员在对这些松动岩体进行系统防护的同时，还重点对12处稳定性很差的危岩体进行了清除或整体加固，避免了崩塌滚石灾害的发生。

第五个问题就是开挖边坡的稳定性评价和加固问题。FAST观测台址并不是严格的球型洼地，施工建设过程中需要切凸补凹，形成均匀性很差的球冠状边坡。而这种边坡具有越向底部，应力越集中的特点，采用传统的平面分析方法就不行了，因此，他们提出了基于仓储理论等的三维评价方法，并取得了很好的效果。

FAST观测台址的工程地质勘察评价，也探索出了一套新方法。在此之前，我国对平缓场地和山地的勘察方法较为成熟，并形成了国家标准，但对大型、特大型岩溶洼地的工程地质勘察经验很少，相应的规范标准更是空白。为此，FAST观测台址的建设形成和改进了很多勘察方法，为今后实施同类工程积累了经验。

殷跃平还追忆了与南仁东教授一起在FAST观测台址建设现场工作的日子。他说：“南教授不仅亲自组织深入论证地质解决方案，而且多次与我们到洼地陡坡查看危岩滑坡等。他可谓惜时如命，白天与我们一起进行野外查勘、解决问题，晚上匆匆忙忙吃完饭，又伏案熬夜。南教授告诉我，他担任国际天文台主席等学术职务，每天晚上要处理数百封电子邮件。他是仰望星空的前沿科学家，亦是惟精惟一的卓越工程师。”

如何解决开挖建设过程中遇到的岩土工程技术难题？

4个阶段岩土工程设计不断优化，自主创新多种技术，工程设计获得多项国家专利

在FAST之前，世界上最大单口径射电望远镜是美国Arecibo望远镜。如今，FAST台址开挖系统岩土治理规模是Arecibo的5倍，总体建设规模是Arecibo的近3倍。FAST台址岩土工程复杂程度远高于Arecibo，是世界上利用大型岩溶洼地建设的最大工程。如此复杂而庞大的工程，其岩土工程设计至关重要。FAST工程以全新的设计思路，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。其中，贵州正业工程技术投资有限公司是FAST工程台址开挖系统的核心技术团队。

FAST工程台址开挖系统现场设计工程师、贵州正业工程技术投资有限公司第一勘测设计院岩溶地基研究所所长吴斌告诉记者，由该公司完成的FAST工程台址开挖岩土工程设计被中国勘察设计协会评为2015年全国优秀工程勘察设计奖工程勘察一等奖。该设计还获得了国家知识产权局发明专利受理及授权4项、实用新型专利授权7项。技术成果应用于FAST工程，系统解决了大型岩溶洼地，薄壳岩溶岩体精细开挖建设过程中，遇到的各种复杂岩土工程技术难题，为项目的安全运行奠定了可靠的基础。

据了解，FAST台址洼地内地形起伏大、坡度陡，大型岩堆、溶蚀峰林、大型溶沟、溶槽、溶蚀裂隙密布，各种岩溶不良现象发育集中，工程地质及水文地质条件极为复杂。台址开挖系统设计按照动态设计原则分为方案设计、优化设计、施工图设计及现场设计4个阶段，历时3年半。通过4个阶段岩土工程设计的不断优化，实现了最初方案开挖投资1.85亿元，优化到最终开挖投资0.97亿元的最佳开挖效果。设计中，技术人员使用了BIM技术，开挖中心选择技术，下拉索促动器基础坐标解析技术，岩土工程信息平面表达技术，馈源塔及圈梁支撑柱位置优化技术，排水、防冲刷技术，螺旋检修道路优选技术，大型构建拼装场地及安装工程临时施工场地建造技术，岩堆、危岩、边坡综合治理技术以及生态保护技术。这些技术的运用，达到了国际领先水平。其中，国家发明专利“一种岩溶洼地排水系统”技术，在历经4个水文年的考验后，证明其排水性能良好，台址区未发生任何水患问题；而开挖中心选择技术则实现了台址开挖量最小，地质灾害治理费用最低等综合优化目标。

贵州正业工程技术投资有限公司董事长沈志平向记者介绍，他们自主创新过程中形成的大量关键技术已经汇总并将出版专著。专著全面系统地反映了FAST工程台址开挖系统建设所遇到的各种技术问题的研究成果，是迄今为止国内外大型岩溶洼地综合利用岩土工程方面集学术研究与工程应用为一体的第一本专著。

正是有了地质人前期复杂而周密的工作，才保证了FAST系统工程的成功选址以及安全建设和运行。FAST运行1年来，正在为我国暗物质本质、宇宙进化、太空生命起源和寻找地外文明等研究提供着重要支撑，贵州正业工程技术投资有限公司也在不断对工程进行回访记录，未来他们还将关注FAST地区环境信息综合监测。相信有了地质人的“保驾护航”，FAST将会更加安全而有效地运行，为人类探索外太空提供更多的线索。

12月13日至14日，城市地质调查工作研讨会在上海召开。会议贯彻落实全国科技创新大会、全国国土资源系统科技创新大会和中国地质调查科技创新大会精神，交流城市地质调查工作成果和经验，研讨城市地质调查工作思路和技术方法，推进新时期城市地质调查工作。会议由中国地质调查局、上海市规划和国土资源管理局共同主办，中国地质调查局南京地调中心和上海市地调院承办。中国地质调查局党组副书记、副局长王研，国土资源部地质环境司巡视员陈小宁出席会议并讲话。国土资源部规划司副司长钟德超出席会议。中国地质调查局总工程师严光生主持会议。

王研在讲话时指出，1999年国土资源大调查实施以来，在国土资源部领导下，中国地质调查局部署开展了一系列城市地质调查工作，完成了全国地级以上城市环境地质调查和浅层地温能调查评价，开展了三维城市地质调查试点、城市群综合地质调查，在服务城市土地利用规划、地下水和地热资源利用、地质灾害防治、生态环境保护等方面发挥了重要作用。党的十八大提出实施新型城镇化国家战略，对城市地质调查工作提出了更高要求。优化城市群结构和空间布局、拓展城市地下发展空间、建设绿色低碳城市、提高城市安全保障水平、推进矿业城市转型，都迫切需要加强城市地质调查工作。

王研强调，要遵循中央提出的“五大发展理念”，按照推进新型城镇化战略的总体要求，紧密结合当前城市规划、建设和管理的迫切需求，不断创新工作理念、工作机制和技术方法，不断提升城市地质工作的服务能力和水平。要重点推进五项工作：一是加快构建央地联动、部门协作的工作机制；二是大力推进城市地下空间探测与安全利用研究；三是加强城市地质基础理论研究和新技术应用；四是提高城市群地质资料信息化和公共服务水平；五是推广上海城市地质服务城市规划管理经验。

会议邀请了来自南京大学、上海市地调院、天津市地热勘查开发设计院，中国地质调查局水环部、南京地调中心、发展研究中心、地质力学所、岩溶所等单位的专家就国际城市地质调查与地下空间利用、上海轨道交通地面沉降调查与监测、浅层地温能调查与开发利用、3D建模技术在城市地质中的应用、城市活动断裂调查与监测、城市地面塌陷调查与监测、城镇化与城市地质科技创新、我国城市地下空间开发的地质工作需求等方面作了专题报告。湖北省地质环境监测总站、甘肃省地质环境监测院、中国地质调查局南京地调中心、黑龙江省地调院等单位交流了武汉、兰州、丹阳、哈尔滨等城市地质调查与成果服务的做法。北京市地勘局、上海市地调院介绍了北京和上海在城市地下空间开发地质适宜性调查评价方面的经验。室内研讨结束后，会议代表参观了上海城市规划展示馆和上海地面沉降监测展示馆。

上海市规划和国土资源管理局副局长岑福康、赵乔贵出席会议。来自国土资源部有关司局，中国地质调查局有关部室、直属单位，各省（区、市）国土资源厅、地调院、地质环境监测总站的120余名代表参加了会议。

研讨会现场

 与会人员参观上海城市规划展示馆

与会人员参观上海地面沉降监测展示馆

赵信文，男，38岁，硕士，专业技术九级，专业方向：环境地质

解决资源环境问题或基础地质问题情况：

系统梳理了粤港澳大湾区地下水、优质耕地、地热、地质遗迹等资源和软土地面沉降、岩溶塌陷等环境地质问题，初步查明大湾区资源环境禀赋条件，基本解决大湾区规划发展地质资源供给和地质安全保障。基本查明了不同重金属及硒元素在水土植物中迁移转化富集机理，为特色农产品种植提供重要技术支撑。

实现转化应用和有效服务情况：

负责广州城市地质调查示范，编制了《支撑服务广州市规划建设与绿色发展资源环境图集及建议》，有效服务了广州国土空间规划与海面城市建设，初步构建了珠江三角洲地区城市地质调查技术标准体系，推动了广东省城市地质工作全面启动，创新了“中央引领，地方跟进”的城市地质调查合作新模式，带动了地方投入4.6亿。

促进科学理论创新和技术方法进步情况：

建立了手动压片-便携式XRF土壤重金属元素野外快速检测方法，本方法能够迅速采集到调查点、区的地球化学数据，实现现场快速追踪异常，有效地寻找“热点”地带，更快、更经济地实现野外现场监测。创新引领，与广州市规划设计院合作开发“地质随身行”手机APP，实现共建共享、跨界融合，有效拓展了地质成果应用领域。

促进人才成长和团队建设情况：

在主持项目过程中，注重人才培养和团队建设，培养二级项目负责人1人，子项目负责人4人，晋升高级工程师5人，研究生10余人，本人借调水环部锻炼；初步形成环境地质调查研究团队，发表文章10篇，申请专利2项，科技能力显著提高；初步建成珠江口重点地区环境地质监测基地，为大湾区地质环境监测研究提供了重要基础。

编者按：在服务资源、环境及生态等复杂问题的解决过程中，地质科学本身也将向前发展，形成新的学科或体系。近年来，国际上形成了两种不同的发展思路，一种是以美国等为代表的将复杂性问题置于环境或生态系统中加以研究，研究对象涵盖生态系统的生命和非生命成分；另一种是以俄罗斯为代表的将环境或生态问题置于地质范畴内探讨，突出生命组分影响下的地质客体变化等。本报今天刊俄罗斯学者V. T. 特罗费莫夫阐述生态地质学理论及其应用的文章，以飨读者。需要指出的是，尽管该文发表在多年前，但仍对思考生态文明建设下的地质工作具有重要借鉴意义。

地质学拟解决四类问题：一是为人类提供矿产资源；二是为人类的工程活动作地质论证；三是为人类的教育、文化和美学需求提供地质知识；四是为生态系统的稳定运行作地质论证。前三类问题已被地质学家接受，并已取得了满足人类社会发展需求的成果。第四类问题的意义和开创性，在20~25年前已被地质学家察觉。解决第四类问题的发展过程，引发了地质学一个新分支的形成，称之为“生态地质学”。

生态地质学及其对象和主题

　　图1 岩石圈生态作用的分类

生态地质学是地质学的新分支，致力于岩石圈上层(包括地下水和气体)的勘查，并将它看作是生态系统的主要非生物组元之一，在生态系统的组织层级（从生物群落直到生态圈）中属高层级组元。用地质学家更为熟悉的术语来说，可把生态地质学的内涵定义为地质科学的一个分支，研究的是岩石圈的生态功能，这些功能的形成规律，以及在自然及人为动因影响下这些功能发生空间和时间变化的规律，它们与生物体、首先是人类的生存和活动息息相关。

必须指出的是，术语“生态地质学”（ecological geology）不同于“地质生态学”（geoecology）。两者存在原则性区别。无论从哪种意义上说，“地质生态学”都是一门复合性科学，研究的是地球的所有非生物壳层（圈层），也研究生物体。“地质生态学”包容“生态地质学”，后者仅触及岩石圈一个组成部分，在相同层级上的还有“生态地理学”和“生态土壤学”等，它们也是地质生态学的组成部分。

另一方面，“生态地质学”的概念内涵由“岩石圈生态功能（属性）”的概念确定。这个概念于1994年提出，是地质学中一个原理新颖的概念。它的内涵详细解释如下：

生态地质学的研究对象是地质科学的常规客体：从理论上说，是岩石圈及其所有组成部分；特定地说，是岩石圈的近地表部分，主要是受人为影响的地带。它可被描述为一个多组元的动态系统，包括对生物（biota）的存在和发展产生影响的岩石、地下水和气体。

生态地质学研究的是：“岩石圈—生物”系统，“受到人为影响的岩石圈—生物区”系统或“岩石圈—工程建设—生物区”系统；生物子系统与非生物子系统之间的直接和间接联系；最终是，“死”物质对“活”物质的影响，或广义地说，是岩石圈与生物之间的相互作用。这样的系统构成，意味着通过考虑岩石圈的人为改变，也把人为影响源纳入了系统之中。

根据其内涵，所有发生过转换的系统都是生态地质系统。这两种系统之间的主要区别，在于其中存在的是有生命组分还是非生命组分。生物区存在并活动于岩石圈中，或者就在岩石圈表面。据此便可形成“生态地质系统”的定义。生态地质系统是岩石圈的特定部分，是在其内和其上容纳着所有生物区的环境的地质组元。生态地质系统由三个子系统组成：岩石圈（无生命的）、生物区（有生命的）和天然及人为影响源。

生态地质学的研究主题是有关岩石圈生态功能（属性）的知识（数据系统）。因此，要考虑“岩石圈—生物区”系统中的功能关系，或“岩石工艺系统—生物区”之间的功能关系。

岩石圈的生态功能

岩石圈的生态功能多种多样，决定和反映着岩石圈（包括产于其中的地下水、油、气、地球物理场和地质作用）对生物区，主要是对人类的重要价值。人类的独特性在于人类活动对环境的影响比所有其他生物的影响都大。研究岩石圈不能采用生物生态学、生态地理学和生态土壤学研究框架内的那类途径。

岩石圈生态功能的科学理念，意味着对岩石圈的作用要有多方面的考虑，将之视为一个存在着有机生命（各体生物、植物群、动物群和人类）的环境。从生态观点看，岩石圈主要是给生物体提供资源和能量，并通过它的资源及其地质动力学、地球化学和地球物理功能来实现（图1）。这里不考虑人与自然相互作用功能中的社会-经济、道德和审美方面，因为它们超出了专业地质知识的范畴，事实上它们构成了一个社会生态学的关切。

在天然及被人为改变的岩石圈与有群体结构的生物物种生物区之间，有着多种多样的关系，可把它们归结成4种功能：一是岩石圈的资源生态功能，它对生物体生存和活动所需的矿物质、有机质、有机-矿物质资源有重要意义；二是岩石圈的地球动力学生态功能，它通过自然和人为的过程和现象，决定着岩石圈对生物区状态和人类生活条件的影响；三是岩石圈的地球化学生态功能，它反映着岩石圈的自然和人为地球化学场（不均一性）对整个生物体（包括人类在内）状况的影响；四是岩石圈的地球物理生态功能，它反映着岩石圈的自然和人为地球物理场（不均一性）对生物体（包括人类在内）状况的影响。

每种功能的内涵、它们的评价标准、信息获取方法和表述方法另有专文论述。

岩石圈的生态属性

岩石圈的生态功能靠具体的生态属性来实现。就“岩石圈的生态属性”这一术语而言，指的是岩石圈的特征属性，即具有特定生态重要性的属性。它取决于其物质成分、地球动力学、地球化学和地球物理学的特性，且与生物体存活的供养、生物体生存和进化条件有机关联。

有关岩石圈生态属性的问题，是一个新问题。这里力图在岩石圈的资源及其地球动力学、地球化学和地球物理的生态功能框架内，给这些属性命名（表1）。它可能不是完整的清单，但堪作举例材料。

　　表1 岩石圈的生态功能与属性

生态地质情势及其状态

用术语“生态地质情势（环境）”来表达岩石圈具体生态属性（功能）的组合，反映作为栖息地的一定岩石圈体积内生物体生存条件的现状或古状态。在一个地块或一个区域范围内，生态地质情势（situation）或许会或许不会因地而变。而且，生态地质情势也会随时间而变，在这种情况下，该情势会随时间从一种状态（state）变换成另一种状态。由于人为工艺因素和灾变性自然过程的发展，这种变换可能进行得很快，从历史观点看，有时就在瞬间。

必须强调的是，生态地质环境（conditions）或许既取决于所有生态功能同时起作用，也会仅取决于一种生态功能，比如地球动力学功能，它会在瞬间对生物区产生较强烈的影响。在后一种情况下，这种生态地质情势应该说成是“依靠岩石圈地球动力学特征形成的特色生态地质环境”。当地球化学功能在生态地质状况形成中扮演最重要角色的情况下，就说它是依靠岩石圈块段的地球化学特色形成的特色生态地质环境。

“生态地球动力学环境”、“生态地球化学环境”和“生态地球物理环境”等术语，在地质文献中也常常使用。这些术语是对上段文字特指含义的省略表达。另外，当只分析一种生态功能对生物群或人类的影响时，使用这些术语也是对的。

正如已经指出的那样，生态地质环境的变化或许是足够快的。人们必须把所研究对象（生态地质系统）的阶段特色称为生态地质情势（环境）的状态（state），地质学家则往往将它称为岩石圈的生态状态。可以把“生态地质情势（环境）的状态”的实质定义为某种暂时状态，并根据当时岩石圈的一种生态属性特征，或者几种生态属性（功能）的组合把这种状态估计出来。这些生态属性决定着生物体生存的有利度（水平）和或然率。

生态地质情势的状态要根据岩石圈某些属性的暂时状态评估出来，也要描述出这些属性对活体生物产生影响的特征。根据这种定义，当对岩石圈的生态状态做评价时，就不得不一方面评价岩石圈对活体生物的资源和能源影响，另一方面评价有关活体生物响应这些影响时的特定相互作用信息。在所有的生态系统组织层级上，此类评价准则对生物体都是适用的。

如上所述，生态地质环境的状态可以取决于岩石圈的一种属性（功能）或几种属性（功能）的组合。在地球物理功能强烈影响生物群的特殊情况下，可以说：“生态地质环境的状态取决于地球物理功能（属性）”。地质学家常常用术语“岩石圈的生态地球物理状态”来代替上面的表述。而“岩石圈的生态资源状态”、“岩石圈的生态地球化学状态”之类的术语，常被作为同义语使用。

生态地质学的基本科学问题和实践问题

生态地质学有5项主要任务：（1）研究岩石圈的生态功能，它们的形成规律，及其在自然和人为作用影响下发展的动力学；（2）从岩石圈生态功能变化的观点出发，针对人为成因的影响，开发评价岩石圈近地表部分稳定性的理论和方法；（3）针对岩石圈近地表地层环境与属性的控制问题，精心研制理论和方法，以保护和改善它们的生态功能；（4）研制工业废弃物利用和选择其最佳（就地质环境而论）埋置地区和层位的理论、方法和途径，以使对区域生态属性的负面影响最小化；（5）针对国土、目标客体和大型建筑的工程保护问题，精心研制进行地质论证的理论和方法，以免发生削弱其生态功能的自然和人为地质作用。

总的来说，生态地质学的应用性问题可以通过下述途径形成：（1）论证生态系统正常运转前提下岩石圈资源的合理利用；（2）确定岩石圈近地表部的人为污染对生物群的影响；（3）针对一些生态系统或整体生态系统生物群的管理，为制定和调整解决方案进行地质论证。

这种一般性生态-地质课题清单，通过参考早先开列的岩石圈生态功能，还可以更详细地提出来。

生态地质学的逻辑结构

根据生态地质学是地质学的一个科学分支，而不是一门独立学科，它的逻辑结构应该包括地质科学逻辑结构中用于解决生态问题的既定要素，以及“它自己的逻辑基础”。两者的同化不是机械式的，要遵循相当明确的关系，即生态学方法途径的逻辑。“它自己的逻辑基础”是一种逻辑支点，也能够在其它科学的理论、思想和定律中使用。

　　图2 生态地质学逻辑结构的全域示意图

　　A-生态地质学逻辑结构的逻辑基础；B-被生态地质学利用的地质学科的逻辑结构（B1-工程地质学；B2-冰川学；B3-水文地质学；B4-地球化学；B5-地球物理学；B6-矿山地质学；B7-新构造学；B8-地震大地构造学；B9-地貌学；B10-地史学与古生物学；B11-火成岩石学与沉积岩石学；B12-矿物学)；C-生态地质学逻辑结构全域的轮廓线）

对此问题的处理如图2所示。该图说明了生态地质学逻辑结构的镶嵌特性，就致力于解决生态问题的地质科学，以及这些地质科学对生态地质学逻辑结构的贡献，给出了概念图。不难看出，工程地质学、水文地质学、冰川学、地球化学、地球物理学和矿山地质学提供着主要的信息量，以及可用于生态地质学的大部分研究方法。在我们看来，其它地质学科及其逻辑结构可用的较少。以上结论基于一个事实，有关岩石圈生态功能的知识才是生态地质学的基础。

基于对岩石圈生态功能的上述认识，可以对生态地质学逻辑结构的最重要要素划分出以下几个方面：（1）原理-岩石圈近地表部的结构、空间关系、属性和生态功能，是其地质特征的历史发展及其与自然环境和人为作用圈相互作用的结果；（2）原理-岩石圈的动力学状况（运动速率和特性）和生态功能的组元与变化，皆归因于它们的自然属性，归因于它们与环境（包括人为的工艺成因环境）相互作用的模式和强度；（3）生物体与环境相互作用的一致性定律；（4）社会发展特征与环境状况间的一致性定律（基本生态定律）。

正是这些原理和定律形成了生态学的支点，把其它地质学科的基础整合起来，构成了生态地质学自身的那部分逻辑基础。

生态地质学的科学分支及其在地质理论知识体系中的位置

在生态地质学的结构中，有几个旨在分析所确定的岩石生态功能的科学分支。它们是资源生态科学、生态地球动力学、生态地球化学和生态地球物理学（图3）。

资源生态科学是生态地质学的科学分支，涉及与维持生物区存续有关的全部问题，按资源利用的观点，其中首要的是通过提供岩石圈的矿产资源和地质空间资源维持人类社会存续，在科学技术活跃发展的新时代满足人类的需求。研究的焦点不是矿产资源的勘查和储量计算，而是评价其目前消费水平与合理使用的一致性。实质上，岩石圈矿产资源消费的管理问题，应该通过关注高层级生态系统的保护和正常运行来解决。地质空间资源也要用生态学的观点来评价。很明显，一些地质科学的方法，主要是矿山地质学、水文地质学的方法(对矿产资源)，工程地质学和冰川学的方法(对地质空间资源)，应该适用于这些研究和调查。另外，这些研究应该由社会来定向，就是说应该与社会经济学紧密关联，在实践中，生态地质学家应该与经济学家、社会学家及管理机构和设计院所的代表接触。生态地质学这一分支的主要课题是：考虑目前文明发展需要的矿产资源评价，对矿产资源消费的管理建议进行地质论证。

生态地球动力学是一个大领域，包括所有涉及自然和人为地质过程对生物区影响的课题，以及评估生物群栖息地可能灾变和舒适度的课题。后一点仅关切人类社会。这些研究一直采用工程地质学、冰川学、水文地质学和构造地质学的方法来执行，与项目规划者和设计者联系。在该分支框架内执行的主要任务有：针对在工艺活动影响下的地球动力学参数变更，开发评价岩石圈近表部稳定性的方法；为保护生物区和人类社会免受影响其生存及舒适度的（天然和人为）不利和灾变地质过程的危害，对相应工程保护项目进行生态地质论证。

生态地球化学是生态地质学的科学分支，研究天然和人为成因地球化学场对生物区的影响。在生物区内有岩石地球化学、气体地球化学和水地球化学异常。调查课题是：岩石圈的物质（矿物）成分，活动态化合物的迁移问题，元素的非正常浓度及其对生物区的影响性质问题。地球化学、矿物学、岩石学和水文地质学的方法被用来解决这些问题，生物区环境的生物医学评估资料具广泛的适用性。实际上，这类研究意味着生态地质学家要与医学专业人员和卫生服务机构建立密切联系，因为这些异常要用医学-卫生的观点来评价。

生态地球物理学也是生态地质学的科学分支，研究重力、磁、电磁、热和放射性等天然和人为地球物理场对生物区的影响。这些场与背景值的偏差及其对生物区的影响，要借助地球物理学、大地构造学、地震构造学的方法和生物医学的学科资料来研究。与生态地球化学一样，这些问题的解决必须与医疗-卫生服务机构密切联系。要在该分支框架内完成的总体任务有：天然和人为源地球物理场的分析，研制评价其医学-卫生危险的方法和准则（对生物区的影响强度，评价岩石圈对工艺性污染的稳定性）。

图3示出了生态地质在理论地质知识中的位置。在地质学的结构中包括前5个科学分支已得到承认，无需再予证明。但是，对于后两个分支，即“关于岩石圈生态功能的科学”和“关于地球的工程地质环境的科学”，其纳入地质学的合理性尚存争辩。主要争辩依据是，在科学技术活跃发展的新时代，对于涉及地球和岩石圈问题，需要强调生态理论研究的作用。目前，人为工艺因素对岩石圈外壳的影响程度，已经提高了生态地质学说在地质学中的地位，已经使这个学说可以划分为地学中的独立科学分支，已经把上面所述的后两个分支提升到了与前5个分支相同的水平。

　　图3 生态地质学的科学分支及其在地质科学体系中的位置

生态地质学的实用性分支

图4说明，可以在生态地质学的构成中列出几个实用性子分支。它们是城市、矿床和复垦影响区的生态地质学，以及线状工程、热电站和核电站等影响带的生态地质学。值得特别强调的是，各类经济活动不仅在项目建设中，而且在其运营和维护时期，都应该提供对岩石圈和生物区生态影响的评估。因此，应调查的面积要比官方土地使用许可的范围更宽更广，只要在其内确定了或造成了工程客体对岩石圈生态属性的影响。

各种经济活动在对岩石圈影响的强度、深度和性质上是各不相同的。这涉及到岩石圈的矿产资源，地质作用的活跃程度，以及自然和人为成因的地球化学和地球物理致病区的发展。

　　图4 供人类社会正常发展和运作的生态地质学的实用分支学科

很明显，大的城市群、采矿工程（矿山、露天矿场等）、集中在数个盆地和油气田带中的油气产业，都会对岩石圈及其生态功能产生重大的影响。对城市群而言，这种影响取决于特定的高密度城市人口；居住区，交通-通讯，大型工业、燃料和能源企业及联合企业的自营交通，均规模巨大；还取决于城市地下的支撑工程。因此，会观测到以下现象：土壤、岩石圈近地表部和水圈被活性有毒化合物强烈污染；由于热、重、电磁和地震声波等地球物理场变化，发育起致病的地球物理异常；车辆废气导致大片土地的高度重金属污染；地下水动力学和水化学机制改变；地下水储量耗竭。矿场附近岩石圈的生态性变化与下述后果关联：矿产资源枯竭，重力场变化，产生异常的地层压力，地下水动力学参数彻底转变，出现密集的人为污染区，地质环境资源减少。对线性工程而言，不利的生态后果与负面的地质作用活跃有关，与线性的人为污染晕和诱发的异常地球物理场有关。

在不同种类经济活动影响下发生的岩石圈生态环境特性改变的清单还可能扩展，但上述这些已足以支撑得出结论。每种经济活动都与岩石圈生态属性改变的特定复杂性关联，因此要对它们进行分析，就需要运用地质科学的各类理论和方法。城市群影响着岩石圈的所有生态功能，所以要动用地质科学的整套方法，特别要涵盖图2所示的所有学科的方法。对线性建筑而言，要运用的地质科学和方法清单将取决于研究需要，首先是岩石圈地球动力学、地球化学和地球物理学功能的研究。在矿床开采方面，研究重点要集中到岩石圈资源功能的所有方面，地球物理和地球化学异常，以及一组地质作用。 

从当年的“羊八井”到今天的雄安新区，地热——这一安全高效的清洁能源，一直在为人们改变能源资源结构和改善环境作出重要贡献。

地热资源因其独特的优势受到了社会的广泛关注，就连不久前召开的2017中国国际矿业大会也首次开设了“非常规能源与新能源论坛”。论坛上，众多专家结合具体工作，就地热产业的发展尤其是京津冀地区（包括雄安新区）地热资源可持续开发利用的现状进行了研讨与交流。有专家表示，地热相关产业的发展目前迎来了黄金时期，其发展前景不可限量。

据了解，今年初，国家发改委、国土资源部、国家能源局共同编制发布了《地热能开发利用“十三五”规划》。该规划明确，“十三五”时期，全国新增地热能供暖（制冷）面积11亿平方米；新增地热发电装机容量500兆瓦。到2020年，地热供暖（制冷）面积累计达到16亿平方米，地热发电装机容量约530兆瓦。2020年，地热能年利用量7000万吨标准煤，地热能供暖年利用量4000万吨标准煤。京津冀地区地热能年利用量达到约2000万吨标准煤。

北京：城市发展需要地热“两能”

“在北京，住宅能耗占总能耗的1/3，住宅能耗对PM2.5的贡献是1/5。所以，北京解决雾霾问题的根本之道是调整能源结构，提高可再生能源在一次能源中的比重。”北京市地质矿产勘查开发局副局长、中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心主任卫万顺表示。

卫万顺介绍说，浅层地温能和中深层水热型地热（简称“地热两能”）是典型高效的可再生能源，对于解决北京的城市可持续发展问题意义重大。据介绍，浅层地温能主要指蕴藏在地表以下一定深度范围内（通常为200米）的岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能，主要通过地源热泵技术加以利用，为建筑物解决供暖、制冷和提供生活热水；中深层水热型地热资源一般是指在地表以下几百米或至4000米左右内开采的大于25摄氏度的地热资源，按地热水的温度可分为低、中、高三类，北京主要是以中、低温地热资源为主，主要用于供暖、洗浴、医疗等。

据了解，以目前地质勘查的情况来看，地热“两能”的资源潜力十分可观。就北京市来说，浅层地温能资源潜力可实现供暖面积约7.2亿平方米，但目前的开发利用仅有4000万平方米；中深层地热资源潜力可实现供暖面积约3亿平方米，但目前开发利用仅为200万平方米。从京津冀地区来看，浅层地温能资源潜力供暖面积约29亿平方米，目前利用仅为8500万平方米，中深层地热利用仅为7100万平方米。从全国范围内来说，浅层地温能资源潜力供暖面积可达320亿平方米，目前利用仅为4.3亿平方米，中深层地热也只有1.02亿平方米。

“目前我们正在实施和完成了一批有重要影响的地热资源调查评价与研究项目，地温能项目总数31个，经费总额约1亿元。”卫万顺表示，近年来，在北京市地勘局、中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心的主持下，北京市初步形成了包括资源评价、技术研究、产品开发、工程施工等各个环节配套完整的技术工作体系，在多个方面也取得了创新与突破。

一是理论创新。开展了浅层地温能战略研究，引起了北京市政府和国土资源部的高度重视，首次开展了浅层地温能资源地质勘查工作，成立了中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心；创立了浅层地温能地质学理论体系和浅层地温能勘查评价体系。

二是工程创新。提出了“多源复合、适度调峰、集约优化”的设计理念和因地制宜、多能并举的发展模式，实施了一系列国内有重大影响的热泵系统，取得了明显的社会效益和经济效益。

三是技术创新。加大力度建设浅层地温能重点实验室，提高理论研究与指导实践水平；开展了竖直换热器不同形式及参数的对比研究；实施的多个项目及相关成果获得了国家专利和国土资源部、北京市科学技术奖。

四是标准创新。参与起草了国家标准《地源热泵系统工程技术规范》、部行业标准《浅层地热能勘查评价规范》；2015年主持起草并完成了两项地方标准《北京市地埋管地源热泵系统工程技术规范》、《再生水热泵系统技术工作规范》；主持起草了省级浅层地温能调查评价工作的技术要求。

五是政策创新。首次将地热、浅层地温能、再生水热能的三能规划合一，起草了《北京市浅层地温能、地热以及再生水热能综合利用规划》；参与起草了2013年12月北京市6个委办局联合发布的《关于北京市进一步促进地热能开发及热泵系统利用的实施意见》等相关政策。

天津：加强对使用清洁能源的引导

天津地热勘查开发设计院（简称“天津地热院”）院长林黎详细介绍了天津市地热资源可持续开发利用的对策与建议。

据了解，天津地热资源的勘查始于上世纪70年代，先后在王兰庄、山岭子等8个地热田开展了地热资源勘查工作，相关成果为天津市社会发展及大气污染防治和美丽天津的建设奠定了坚实的基础，同时也为我国地热资源勘查开发利用提出了重要的依据，为我国地热资源勘查评价规范的编制提供了重要的数据支撑和科学依据。

目前，天津地热院正在开展“滨海新区深部地热资源调查评价”和“天津市宝坻区京津中关村科技新城地热资源保障性调查”等项目。

“天津是首批‘中国温泉之都’之一，同时具有11个‘中国温泉之乡’和22个‘中国温泉之城’及多个开发利用示范单位。天津地热人正在为把天津市建设成为具有多层次、多方面示范效应的地热开发利用示范基地和温泉文化展示基地而努力。”林黎介绍说，截至2016年底，天津市地热供暖小区及公建项目共485个，供暖面积达到 2774万平方米（占全市集中供暖面积的 6.7%）；地热开发创造直接经济效益8.3亿元/年，创造间接经济效益4.6亿元/年，带动直接和间接从业人数约 5500 多人；地热利用相当于每年节约标准煤 59.02 万吨，减少二氧化碳排放量 140.8万吨。

林黎表示，尽管天津市地热资源开发利用取得了举世瞩目的成果，但也存在着勘查精度有待提高、采灌不平衡、利用技术和工艺水平需要不断提高、精细化管理水平需要提升等问题和不足。针对下一步工作，林黎也提出了建议。

在保护方面，要加强热储回灌——特别是砂岩热储研究，同时通过单井整合、批新带老、补建回灌井等方式，努力实现采灌平衡，加强地表水回灌技术的推广应用。

在利用方面，积极推广应用地热梯级利用技术，坚持地热资源开发利用方案审查制度，不断提高资源利用率；以中心城区和滨海新区核心区为重点，通过建立能源站等集中开发利用模式，实现多能源科学合理配置。

在管理方面，制定完善《天津市地热资源管理实施办法》，编制《天津市中低温地热资源节约集约利用评价规程》，建设“天津市地热资源预警预报信息平台”；同时，加强管控力度，坚决打击黑井，杜绝非法开采现象发生；对水位埋深和降幅较大地区减少投放矿权数量；强化区级政府矿管部门管理力度，增加回灌督查频率；建立预警预报系统，结合地热井井身结构、不同热储层水位临界值进行预警预报。

在政策引导方面，要多方面筹措资金，支持地热资源的勘查、集约节约利用和资源保护等工作；继续执行回灌部分减免70%资源税的优惠政策；利用地表水进行回灌的，可按照增加回灌量的50%申请增加年度开采指标；落实“利用地热能供暖制冷的项目运行电价参照居民用电价格执行”的政策。

雄安：以雄县模式带动雄安模式

据记者了解，2009年，雄县人民政府与中国石油化工集团旗下的新星石油有限责任公司签订了《地热开发合作协议》。自此开始，雄县就走上了一条独有的清洁发展之路。目前，雄县供暖已经基本实现了二氧化碳、二氧化硫、粉尘“零排放”，每年可替代标煤12万吨，成为中国首个“无烟城”。雄县地热发展的模式——“雄县模式”也已经得到国家能源局、各级政府及社会各界的广泛认可。

有专家表示，地处华北平原的河北雄县以地热供暖上规模、资源开发利用取热不取水、尾水百分百回灌而著称。时至今日，雄县的地热开发利用模式不仅是国内的标志性工程，在国际社会也享有盛誉。在中央决定成立雄安新区，且将雄县、容城、安新划归雄安新区之后，雄县模式一定会有更大的发展空间。可以预见，随着雄安新区建设步伐的加快，一种全新的地热利用的雄安模式也将逐渐浮出水面。

据中国地质调查局水文地质环境地质研究所副总工程师王贵玲透露，目前中国地质调查局已经完成了全国336个地级以上城市的浅层地温能调查工作。调查结果显示，全国地热开发利用条件最好的地区在川西，而东部地区开发利用条件最好的地区是华北平原的京津冀地区，具体来说就是雄安新区。资源量方面，我国地热年可采资源量能达到25亿~26亿标准煤，可谓十分丰富。

“雄安新区位于京津冀腹地，习近平总书记说这个地方是蓝绿交织、清新明亮、水城共融。我们要最大程度地把清洁能源和可再生能源规划到雄安新区的建设中，创新能源结构模式，这样才能更好地实现生态环境、生态城市的建设。”王贵玲表示。