地学篇 绿叶是上苍赐给地球的礼物
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发布时间：2022-04-23 09:21
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时间：2023-10-17 18:57
地学是人类开启地球科学之门的金钥匙。地球是一颗有生命的行星，它像一颗巨大的“梨状体”。华北平原的成因得天独厚，水的冲洪积作用形成了华北平原第四系地层结构、地貌单元和水环境特征。“上苍”一词体现了人类对大自然的敬畏。华北平原地下水是水文地质科学家多年来一直关注的重大课题。
绿叶是上苍赐给地球的礼物
天地玄黄，宇宙洪荒，日月盈昃，星宿列张，经纬格物，滴漏更响，阴阳参合，推演五行。从古代人们就对自然界充满了探求的*。十六世纪时哥白尼创造的“日心说”*了古人“天圆地方”的局限观念，揭示了宇宙和地球的一般规律。人类认知地球是推动历史前进的原动力。
我们人类生存在地球上，地球是天体中的一颗有生命的行星。它绕着太阳自转和公转。自转一周为一日，公转一周是一年，以地球绕太阳公转的运动周期为基础而制定的历法就是公历（阳历）历法。日出日落、昼夜更替，春夏秋冬，一年四季，冷暖分明。月球是地球的卫星，它绕着地球旋转。月圆月缺，盈虚苍穹。月球绕地球一周为一个月，而以月亮的运动规律为依据设置的历法就是阴历历法。地球是运动的，运动过程体现的是时间，时间是客观的。
地球是一个巨大的“梨状体”，它的北极略为凸出，南极略平。
如果把地球用刀切开来看，地球内部可分为三层，中心是地核，中间层是地幔，上层是地壳。
地球上的一片绿叶
◎地球是一个巨大的梨状体示意图
地球上的一片绿叶
◎地球结构示意图
地壳蕴藏着矿产资源，因此是地质科学研究探索的主要对象。
关于地壳的结构即地质构造，我们从科学家编制的《中国年代地层表》可以了解很多知识。即使不是专门从事地质专业的人们，细心地读一读这张表格，也会开明眼界、开阔思路，明了人类自己的生存环境，至少可以知道“深奥”的道理有出处，科学的知识不是凭空臆想出来的。或许你会联想到前些年*文件里出现的字眼儿“断层”、“滑坡”，这些名词不都是地质学家的专业术语吗？假设能将这个附录现代汉语词典，与《我国历代纪元表》、《元素周期表》排列在一起，则这三张表由表及里、自上而下、从古至今、循序渐进、从宏观到微观揭示了地球史、社会史及物质变化的一般规律。所以说学点儿地学常识，对于树立正确的唯物史观是会有帮助的。
中国年代地层表
地壳是地球固体圈层的最外层。地球的外部圈层又分为生物圈、水圈和大气圈三个连续不断的、由不同状态和不同物质构成的圈层。这三个圈是活跃的、相互作用的、甚至具有因果的关联。所谓水圈，是指地壳表层、表面和围绕大气层中存在的各种形态的水，包括液态、气态和固态的水。地球表面70%的面积为海水所覆盖，陆地上还有许多河流、湖泊、冰川以及地下水，这些水是包裹在地球表面的连续水层。海洋和*上的水，蒸发蒸腾成为水汽进入大气圈，随着空气的运动，在适宜的条件下，又形成雨、雪、冰雹降落到地面，或形成冰川、河流、湖泊，或渗入地下形成地下水。冰川融化流动补给河流，河流或流入海洋、或入渗地下、或蒸发、或被吸纳。水与生物圈关系密切，是生命新陈代谢的源泉。这就是水在自然界的循环。
地球上的一片绿叶
◎自然界中的水循环示意图
地球上陆地高低不平，可分为山地、高原、盆地、丘陵和平原。大的平原一般是最新地质时代地面沉降伴随着河流堆积的结果。华北平原是一个大型中、新生代的沉积盆地，基底下部由太古宇和古元古界经过褶皱变质形成的复杂变质岩组成，前者为海相碳酸盐岩，后者为陆相碎屑岩。区内上奥陶统至下石炭统普遍缺失。华北平原震旦纪时是准平原，寒武纪、奥陶纪时是稳定的陆缘海，中奥陶世后整体上升，直到中石炭世再度下陷沉积。在此期间构造运动以升降运动为主，岩浆活动比较微弱。晚三叠世的印支运动后，该区进入*边缘活动带发展阶段，燕山运动使其盖层遭受强烈的褶皱和断裂变动，并伴随有大规模的中酸性为主的火山喷发和花岗岩浆侵入，使原有构造格局发生了根本的变化，形成了以系列北北东和北东向排列的隆起和坳陷相间的次级构造和深大断裂，成为目前该区隆起坳陷构造格局的雏形。燕山运动晚期以来，华北平原继承性活动且以强烈升降运动为主，接受了巨厚的中、新生代的沉积。第四纪时本区新构造运动仍然很活跃，并伴有火山活动和地震活动。在东部沿海地区曾发生多次海侵活动。第四纪以来，曾多次出现冷暖交替的气候变化。太行山东麓及燕山南麓有过多次冰川活动，致使第四纪沉积物具有明显的冰川、冰水活动特征，这对于华北平原地下水含水层的划分和咸水体的形成有直接影响。新生代地层在平原中部广泛分布，一般厚度为1000～3500米，最厚处可达5000米。总而言之，华北平原的形成是不同地质历史时期的古气候、古地理沉积及新构造运动的结果。水的冲洪积作用形成了华北平原第四系地层结构、地貌单元及水环境特征。滦河、海河、黄河三大水系是塑造华北平原的巨掌。华北平原得天独厚，她如镶嵌在地球上的一片肥硕丰腴的绿叶，是上苍赐给地球的礼物。上苍不是东方神话传说中的“玉皇大帝”,也不是西方宗教里标榜的“上帝”，而是人类对大自然的敬畏。
在自然界中，大气降水、冰雪融水以及地表河流、湖泊、水库的水，通过土壤砂砾、岩石裂隙或溶洞暗河渗透到地下形成地下水。地下水和地表水都是地球水圈的组成部分，参与自然界的水循环。人们把地下水作为日常生活用水、农业灌溉用水和工业用水的重要水源，因此地下水参与自然界的水循环过程，越来越受到人为因素的影响。地下水也是地质环境的活跃因子，水质、水量和流动变化都直接影响着地质环境的状况。地球是一个庞大的热库，有着源源不绝的热流。地下水是地热能源的传导介质和载体，不论是开采高温地热能源，还是开发利用浅层地温差获取能效，地下水的功能效用都是不可替代的。
地下水也有危害的一面，如地下水因素引发的工程崩塌、矿井涌水、土壤盐碱化等事故和灾害。地下水受到污染连锁引发环境的破坏更是人类面临的新课题。掌握地下水的分布和运动规律，调查研究，科学论证，兴利避害，是地质学科的重要门类——水文地质学、环境地质学的研究对象。
地下水来自地表水的渗透。地下水储存在地下砂砾石的孔隙中称为孔隙水。储存在碳酸岩的溶洞间的称为岩溶水。储存在基岩断裂空间的水称为裂隙水。地层岩性和结构*地下水的积聚分布、储量及运移，形成了透水层、不透水层、半透水层。按埋藏情况可分为土壤水、浅层地下水、深层地下水。土壤水是分布在地表附近土壤中的地下水，它以气态水、吸着水、薄膜水、毛细管水等状态存在。土壤水直接影响着植物的生长。土壤水也被称为包气带水。
地球上的一片绿叶
◎华北平原地热资源丰富，地热资源潜能巨大，开发利用前景广阔。地下水是传输地热能的唯一介质，热水中溶解、携带的化学物质对设施及土地环境的腐蚀、污染严重。
浅层地下水是地下水在重力作用下向下渗透遇到不透水层阻隔，形成的第一层饱和的含水层，这个层间的水称为浅层地下水。浅层地下水由于埋藏浅，可以直接接受降水、地表水等源头水的补充，循环交替强烈，地下水位升降快。弄清浅层地下水的埋藏深度是人们开发利用浅层地下水资源最要紧的实际问题之一。
深层地下水又称承压水。顾名思义，深层地下水是埋藏在浅层地下水的地层下两个不透水层之间的含水层间的水。依次向下可分为第Ⅰ含水层组、第Ⅱ含水层组、第Ⅲ含水层组……深层水由于埋藏深，并由隔水层或弱透水层覆压，不能直接接受降水、地表水等的补给，地下水循环缓慢。深层地下水补给速率相对迟缓，储量有限，年龄长，有的是古代沉积物中封闭保存的埋藏水。
地下水是有年龄的。运用同位素方法可以估测地下水的年龄。掌握地下水的年龄，弄清地下水的更新补给能力，是确定地下水可持续开采量的重要科学依据。它也表明了地下水资源是可再生的，但不是取之不尽、用之不竭的。
地下水的数量是指一个地下水系统或一个行政区内地下水的天然资源量、可采资源量、开采资源量。地下水的天然资源量是地下水系统中参与现代水循环和交替，可以恢复更新的重力地下水。可采资源量是在一定的经济技术条件下可以持续开采利用的，并在开采过程中不发生环境地质负效应的地下水水量；对于深层地下水它也可表述为地下水可利用量。地下水的开采量则是指已经开采的数量。一般以年为周期统计核算资源量的数值。
地下水的化学组分标明了水的品质。地下水的化学组分与其生成、运移、储存环境密切相关。水的品质决定了它的功能效益。一些含有有益元素的地下水价值更高，如饮用矿泉水、医疗矿泉水，也有含有有害物质和不易利用的劣质水。
地下水在不断地运动，向下渗透、侧向流动、突破隔水层的越流。突出地表为泉水，有自流泉，也有人工开凿的水井。
地下水库是人工调蓄的创造。它是利用地下含水层的渗透功能、储水功能和给水功能，将地表水源人工导流增补地下水资源。与地面水库相比较，地下水库水质安全，没有蒸发损失，不占土地资源，工程造价几乎等于零。近些年来，水文地质科学家应对“南水北调”工程评价了华北平原沿线地下水空间的调蓄潜力，编制了地下水库的选择方案。
地球上的一片绿叶
◎图为修建在北京牛栏山潮白河拦截水库弃水的节制闸。弃水被拦截导渗入开采水源地，人工增加了地下水的补给能力，使水厂的供水能力得到持续保障。由于弃水经过了地层岩土的吸附过滤自然净化，水质的安全也是有保障的。
华北平原地下水开采利用程度最高，地下水对社会经济贡献最大，同时引发的地质环境问题也最重。华北平原地下水的开发利用和保护是水文地质工作关注的重心。要问什么是水文地质，这个学科名字是从前苏联翻译沿袭来的，它还有个小插曲儿。新中国组织的第一个地质学家考察团访问前苏联全苏水文地质工程地质研究所，翻译为这饶舌费口的一长串名字着急，我们的一位老地质学家发问：你说的就是地下水吧。地下水三字通俗，大家都恍然大悟了。由于当时的形势是一边倒，学苏联，我们在行政、教学、科研、生产中都照搬了前苏联的模式。随着时代的变迁，学科的研究内容深度和广度都在发展，人们开始用更为明确的概念—地下水与环境替代外来语。我国的水文地质事业开创是从新中国成立之后开始的。在华北平原从20世纪50年代至70年代，以查明水文地质条件为主，先后开展了1∶20万全区区域水文地质普查，进行了地质分区1∶5万、1∶10万农用供水水文地质勘查，包括“河北平原（重点黑龙港地区）地下水资源评价及合理开发利用勘查”，首次对华北平原第四系作了统一划分，建立了地层层序，划分出全淡水区，对浅层和深层地下水资源进行了初步评价。1975年以来，陆续编制五年系列的地下水动态监测报告，积累了相应地下水基础数据。从20世纪70年代中期至80年代中期，以地下水资源评价为主，针对经过20多年地下水不断开采、地下水位不断下降和局部出现地下水位降落漏斗问题，先后开展了“黄淮海平原水文地质综合评价”等科研项目，初步确立了区域水文地质参数系列，较系统地进行了浅层地下淡水资源评价，探讨了咸水成因和分布规律，提出了合理开发利用方案。从20世纪80年代中期至21世纪之初，开展了“六五”国家重点科技攻关项目第“38”项“华北地区水资源评价和开发利用研究”，基本阐明了区域地下水资源的时空分布规律。“七五”国家重点科技攻关项目第“57”项“华北地区地下水资源评价”提出了地矿和水利专业部门认可的地下水资源量。进入21世纪展开的新一轮国土资源大调查，把气候发展变化和强烈人类活动影响地下水资源与地质环境变化列入华北平原地下水研究的重要内容。水文地质科学家在前人工作的基础上，采用新技术、新方法、新理论着重研究了华北平原地下水系统合理划分；新近—第四系含水岩组构建；地下水补给、径流、排泄条件变化及水循环演化机制；区域水文地质参数系列重建；识别地下水合理开采的环境约束条件；创建华北平原地下水动态数字模拟与评价平台。
山前—滨海湾水文地质剖面图对水文地质科学家用来说，就像外科医生的手术刀，在华北平原中部大地剖开了一道缝。它是华北平原从山前到滨海的典型剖面，对华北平原水文地质的研究具有重要意义。剖面西起河北省石家庄市，东至山东省滨州市，包括山前冲洪积扇平原、中部古河道带平原和滨海冲积海积平原三段。该剖面是多层水文地质结构、砂层和粘土层相间展布。根据第四系含水层组的划分原则，共划分四个含水层组。
地球上的一片绿叶
地球上的一片绿叶
◎山前至滨海水文地质剖面示意图
第Ⅰ含水层组底界埋深为10～50m，是地下水积极循环交替层，在山前平原冲洪积扇和扇间、扇前地带具有不同的水文地质特征。在冲洪积扇地区，含水层粒度大，垂向连续性强，具有较强的入渗和补给条件；在山前冲洪积扇扇间及前缘地带，含水层粒度变细，层薄层状多层含水层结构；在扇前洼地地带，含水层多由粉砂组成，厚度多小于10m，单位涌水量小于5m3/(h·m)。该层对地下水开发利用意义不大，但对生态环境的研究和保护起到重要作用。
第Ⅱ含水层组底界埋深一般为120～210m，属于微承压、半承压地下水，与第Ⅰ含水层之间缺乏稳定的隔水层，二者之间具有较好的水力联系，地下水循环交替能力较强。自西向东发育2～3套中细砂-中粗砂-砂砾石韵律层，含水层透水性与导水性均比第Ⅰ含水层组强。该层是农业用水主要地下水开采层。
第Ⅲ含水层组底界埋深一般为250～310m，山前平原含水层由3～4套中细砂-中粗砂-砾石韵律组成，在大型扇体内部与上覆第Ⅱ含水层之间无连续分布的隔水层，二者有一定的水力联系，其他地段一般有单层厚度5～10m的粘土或砂质粘土分布，水力联系弱；中部平原由3～4套细砂-中砂韵律构成，与第Ⅱ含水层组相比，粒度粗，分选好，单层厚度大，导水性较强，单井涌水量为5～15m3/(h·m)；在滨海平原，含水层以粉砂、细砂为主，富水性、导水性和补给条件较中部平原更差，单井涌水量一般5～10m3/(h·m)。该层是目前承压地下水主要开采层。
第Ⅳ含水层组底界为第四系基底，该层地下水水力性质为承压水。山前冲洪积扇区由冲积、洪积、湖积等作用形成的3～4套中细砂-中粗砂韵律构成，由于含水层组之间及其与第Ⅲ含水层组之间，具有较厚的粘土相隔，在山麓前缘地带，一般以厚层粘土与第四纪地层呈不整合接触，形成阻水边界，故垂向与侧向补给条件差，单位涌水量10～20m3/(h·m)；中部平原与滨海平原地区，含水层以中细砂、细砂为主，系由厚层与含水层组之间为厚层粘土与粉质粘土，又远离补给区，侧向径流微弱，单井单位涌水量以5～10m3/(h·m)及2.5～5m3/(h·m)为主。第Ⅰ含水层组主要是咸水体，且自西向东逐渐加厚，在无棣县附近，由于下部淡水开采，水质受咸水影响，咸水体已进入第Ⅳ含水层。
地下水作为古地质、古水文地质的组成部分，地质、水文环境的变化决定了地下水的循环演化。河北平原自西向东依次分布有山前隆起、冀中坳陷、沧县凸起、黄骅坳陷，基底形态对含水层及其地下水天然赋存与流动起着控制作用。深层承下水的现代补给以活塞流的方式从西部山前向东部沿海平原运动。华北平原地下水包括这样两个特征不同的子系统：天然条件下，深层承压水的补给为山前倾斜平原，主要补给来源是出露区降水入渗，其次是山区基岩裂隙水的侧向补给，中部平原上游是地下水径流区，中部平原下游及沿海平原是主要排泄区。华北平原浅层地下水的补给来源主要是降水入渗、山前侧向径流、河水入渗、渠道入渗、灌溉回归。在过去的几十年间，由于大量开发深层地下淡水资源生成大面积的水位降落漏斗区，形成以漏斗为中心的局部水流系统。地下水流动方向流向漏斗中心区域，天然流场被干扰，导致地下水流动模式也随之发生变化，这种变化对原生态环境是具有破坏性的。浅层地下水系统具有可恢复性，一旦降水向偏丰发展，尚有恢复的可能。比较浅层地下水的更新能力更强些。保证地下水的采补平衡，一定要对地下水的形成、补给、循环机制和规律有所认识，克服盲目性，不再犯“漏斗性”的错误。
地球上的一片绿叶
◎华北平原天然状态浅层地下水流场图
地球上的一片绿叶
◎太行山东麓的河流出山口景观。水力的冲刷、溶蚀作用把大山开肠破肚，切割的体无完肤，而水土流失则形成了下游广袤的冲积洪积平原。
地球上的一片绿叶
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◎中部平原土壤肥沃，是我国北方粮棉主产区。
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◎滨海平原土地盐碱化严重。
地球上的一片绿叶
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◎农业地质是地学实践拓展服务的新领域，它把水文地质学、地球化学和土壤学、农业种植紧密结合在一起，把对土壤耕作层的研究深度扩展到包气带的厚度，并从地球环境演化的理念来制定农业区划。
地球上的一片绿叶
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◎水文地质试验场是应用科学仪器实地监测地下水包括包气带水、浅层地下水、深层地下水在自然条件下及人工干预的各种状态下，试验、验证地下水运移规律的实验地质学。它以水文地质理论为基础，涉及气象、农业等多门类，可应用到多种技术，选择对区域有代表性的地块对地下水动态包括降雨入渗、侧向补给、含水层间越层补给、地下水排泄、潜水蒸发消耗等项目的均衡试验，是站在地质科学前沿认识地下水与环境的系统工程。
