論地質(zhì)安全研究的框架體系*

彭建兵 徐能雄 張永雙 夏開文 薛翊國 張 彬 楊國香 陳 劍 王飛永 臧明東 梅 鋼 穆文平 王祚鵬 李 星 張 欣

(①中國地質(zhì)大學(xué)(北京)， 地質(zhì)安全研究院， 北京 100083， 中國) (②長(zhǎng)安大學(xué)， 黃河科學(xué)研究院， 西安 710054， 中國)

0 引 言

地質(zhì)安全是指人居環(huán)境與工程活動(dòng)免受各種地質(zhì)作用威脅的狀態(tài)。它主要包括國土空間地質(zhì)安全、重大工程地質(zhì)安全、城市建設(shè)地質(zhì)安全、生態(tài)文明地質(zhì)安全和資源開發(fā)地質(zhì)安全。地質(zhì)安全科學(xué)以圈層互饋、動(dòng)力耦合、過程協(xié)同和人地互饋為理論核心，以重大工程建設(shè)、資源能源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和人居環(huán)境安全為關(guān)鍵應(yīng)用，構(gòu)建地質(zhì)安全系統(tǒng)科學(xué)理論框架關(guān)乎國家重大戰(zhàn)略的安全實(shí)施與生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重大的理論與指導(dǎo)意義(圖 1)。

圖 1 地質(zhì)安全研究?jī)?nèi)涵Fig. 1 Connotation of geosafety research

圖 2 地質(zhì)安全研究的國家重大需求Fig. 2 Nation’s significant demands of geosafety research

(1)國家重大需求亟需筑牢地質(zhì)安全保障。我國正在實(shí)施“一帶一路”倡議，新時(shí)代西部大開發(fā)新格局、京津冀協(xié)同發(fā)展、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展、黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展、粵港澳大灣區(qū)建設(shè)等重大國家戰(zhàn)略。國家在十四五規(guī)劃中進(jìn)一步提出“推進(jìn)既促消費(fèi)惠民生又調(diào)結(jié)構(gòu)增后勁的新型基礎(chǔ)設(shè)施、新型城鎮(zhèn)化、交通水利等重大工程建設(shè)”。在這些戰(zhàn)略及規(guī)劃的指引下，一大批如雅魯藏布江下游水電開發(fā)、南水北調(diào)等大型工程相繼規(guī)劃立項(xiàng)或開工建設(shè)。這些大規(guī)模的工程活動(dòng)正在強(qiáng)烈地?cái)_動(dòng)自然環(huán)境，由此帶來的生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞已成為制約社會(huì)發(fā)展的瓶頸問題(王思敬， 2013)。為此，黨的十九大報(bào)告把生態(tài)環(huán)境提到了前所未有的歷史新高度，開啟了生態(tài)文明建設(shè)的新時(shí)代(黃潤(rùn)秋， 2022)。與此同時(shí)，不管是生態(tài)環(huán)境保護(hù)與美麗中國建設(shè)，還是重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與國家資源能源安全，均無一例外地需要地質(zhì)安全保障(圖 2)。然而，影響各類地質(zhì)安全的多圈層相互作用機(jī)理、人類活動(dòng)與生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的互饋機(jī)制、深部地質(zhì)工程環(huán)境災(zāi)害效應(yīng)等關(guān)鍵科學(xué)問題尚未得到很好解決，現(xiàn)有的研究成果難以支撐重大工程建設(shè)、資源能源開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)與生態(tài)文明建設(shè)等國家重大需求。國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要指出我國將陸續(xù)實(shí)施一批重大工程，打造安全可靠的現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系，這需要系統(tǒng)而深入的地質(zhì)安全理論提供強(qiáng)有力支撐(張永雙等， 2022)。因此，亟需加強(qiáng)地質(zhì)安全領(lǐng)域的理論方法體系構(gòu)建，切實(shí)保障美麗中國建設(shè)。

(2)人類宜居環(huán)境亟需推動(dòng)地質(zhì)安全發(fā)展。地球是太陽系中唯一適合人類宜居的星球，而系外宜居行星探測(cè)還有著漫長(zhǎng)的路要走，因此維持和提升地球宜居環(huán)境仍然是目前和未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保障生命延續(xù)最重要的也是最現(xiàn)實(shí)的途徑。地球宜居歷史就是一部核幔圈-巖石圈-水圈-生物圈-大氣圈相互作用的交響曲，其中的一系列重大地質(zhì)事件是地球和生命演化歷史最為關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，比如大氧化事件、超大陸聚散、超級(jí)火山、雪球事件、生物大滅絕、大洋缺氧事件等； 具體在第四紀(jì)人類史進(jìn)展過程中，內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用和人類活動(dòng)導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重威脅著人類的生命財(cái)產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境安全(姚檀棟， 2019； 陳發(fā)虎等， 2022)，比如黃河多次改道、大型地震活動(dòng)、崩滑流災(zāi)害等等。人類環(huán)境的宜居性體現(xiàn)在空間開發(fā)安全、工程建設(shè)安全、城市建設(shè)安全、生態(tài)保護(hù)安全與資源開發(fā)安全等方面，其根基在于地質(zhì)安全(圖 3)； 因而，人類宜居環(huán)境亟需推動(dòng)地質(zhì)安全發(fā)展，從而保障和提升居住環(huán)境質(zhì)量。

圖 3 地球宜居歷史與人類宜居環(huán)境需求Fig. 3 Earth livable history and human liable environment demand

(3)學(xué)科交叉融合亟需構(gòu)建地質(zhì)安全體系。地球系統(tǒng)科學(xué)是把地球看成一個(gè)由地核、地幔、巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈和人類社會(huì)等組成部分構(gòu)成的統(tǒng)一系統(tǒng)，是一門重點(diǎn)研究地球各組成部分之間相互作用的科學(xué)。當(dāng)前地球系統(tǒng)科學(xué)研究是國際重大科技前沿，它把地球看成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)，從多時(shí)空尺度的角度來研究地球系統(tǒng)的整體行為，使得人類能更好地認(rèn)識(shí)賴以生存的自然環(huán)境，從而更有效地防范和控制突發(fā)的自然災(zāi)害對(duì)人類所造成的損害。地質(zhì)安全研究以地球系統(tǒng)科學(xué)為核心指導(dǎo)，聚焦國際科技前沿，解決制約我國國土空間安全、重大工程建設(shè)、資源能源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、人居環(huán)境安全等相關(guān)的地質(zhì)安全核心基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)難題(圖 1)。全面識(shí)別災(zāi)害隱患是中國防災(zāi)減災(zāi)最重要的工作內(nèi)容之一(許強(qiáng)， 2020)，地質(zhì)安全研究涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，包括了地質(zhì)資源與地質(zhì)工程、土木工程、測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)、環(huán)境科學(xué)與工程及安全科學(xué)與工程等，學(xué)科交叉融合亟需構(gòu)建地質(zhì)安全體系，從而推進(jìn)地質(zhì)安全技術(shù)變革，為重大地質(zhì)災(zāi)害防控與生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)提供強(qiáng)有力的技術(shù)手段，豐富地球系統(tǒng)科學(xué)內(nèi)涵(圖 4)。因此，聚焦國際科技前沿的引領(lǐng)方向，從地球系統(tǒng)科學(xué)角度促使多學(xué)科交叉融合，構(gòu)建地質(zhì)安全科學(xué)體系，具有重要的學(xué)科前瞻性。

1 國家戰(zhàn)略發(fā)展面臨的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

地質(zhì)安全是保障重大工程建設(shè)，減輕特重大災(zāi)害，保證資源能源安全，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，維系社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要前提。地質(zhì)安全研究涉及多個(gè)方面多個(gè)領(lǐng)域，包括地質(zhì)災(zāi)害防治、重大工程建設(shè)、資源能源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和人居環(huán)境改善等； 然而這些方面均面臨著重大地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1.1 國土空間開發(fā)利用面臨國土空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

圖 4 地質(zhì)安全研究的多學(xué)科交叉驅(qū)動(dòng)Fig. 4 Multi-discipline integration drive of geosafety research

國土空間開發(fā)利用所面臨的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)主要來自于區(qū)域性的地質(zhì)災(zāi)害。地質(zhì)災(zāi)害是一種在地球內(nèi)動(dòng)力、外動(dòng)力或人為地質(zhì)作用下，地球發(fā)生異常能量釋放、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、巖土體變形位移以及環(huán)境異常變化等，危害人類生命財(cái)產(chǎn)或破壞人類生存環(huán)境的現(xiàn)象與過程。依據(jù)發(fā)育的層次與類型，影響國土空間開發(fā)利用的地質(zhì)災(zāi)害可以分為深部災(zāi)害(地震、火山爆發(fā)和地?zé)岷Φ?、淺部災(zāi)害(崩滑流、地裂縫(Peng et al.，2016， 2018a，2018b， 2020； Wang et al.，2022)、地面沉降、地面塌陷等)、表部災(zāi)害(水土流失，土體沙漠化、鹽堿化、沼澤化等)和水體災(zāi)害(水體入侵，水底滑塌，水岸侵蝕、淤積、后退等)； 特別是多因素耦合形成的地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)成因機(jī)理不明、災(zāi)害規(guī)模增大、演化過程復(fù)雜、災(zāi)害的復(fù)合和鏈生特性明顯(崔鵬， 2020)。區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重威脅著國土空間地質(zhì)安全，包括區(qū)域地殼穩(wěn)定性、區(qū)域地震安全性及區(qū)域水土安全性(彭建兵等， 2006； Cui et al.，2021)，這使得國土空間開發(fā)利用面臨重大地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)(圖 5)。

圖 5 地質(zhì)災(zāi)害結(jié)構(gòu)與國土空間安全挑戰(zhàn)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))Fig. 5 Geological hazard structure and national land space security challenge(Image from the internet)

地質(zhì)災(zāi)害給國土空間開發(fā)利用帶來的挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是， 特定地質(zhì)災(zāi)害的動(dòng)力衍生過程與機(jī)制有待進(jìn)一步細(xì)化與量化，地殼穩(wěn)定性與地震安全性有待系統(tǒng)研究，從而為災(zāi)害防治提供更為可靠的理論基礎(chǔ)； 二是， 區(qū)域?yàn)?zāi)害的鏈生過程及銜環(huán)機(jī)制需要著重考慮，這有助于區(qū)域?yàn)?zāi)害整體防控的關(guān)鍵措施選擇，從而達(dá)到斷鏈防災(zāi)的目的； 三是， 區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害結(jié)構(gòu)與國土空間地質(zhì)安全的相關(guān)關(guān)系及內(nèi)在聯(lián)系有待突破，從而在地質(zhì)災(zāi)害與國土空間地質(zhì)安全之間搭建有效橋梁，研究國土空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)演化規(guī)律； 四是， 國土空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃與監(jiān)測(cè)預(yù)警體系亟需建立，從而為國土空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)識(shí)別與預(yù)測(cè)評(píng)估提供技術(shù)保障。

1.2 重大工程建設(shè)與運(yùn)營面臨重大工程地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

圖 6 重大工程建設(shè)與地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))Fig. 6 Major project construction and geosafety risk(Image from the internet)

重大工程地質(zhì)安全是指重大工程在工程規(guī)劃、建設(shè)與運(yùn)營階段不受地質(zhì)動(dòng)力作用或地質(zhì)環(huán)境變異發(fā)生損害威脅的狀態(tài)。重大工程地質(zhì)安全涉及：區(qū)域安全性、地震安全性、場(chǎng)地安全性、邊坡安全性、地基安全性、滲透安全性等方面(圖 6)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，一大批國家重大工程開始實(shí)施，例如治理改造工程中的黃土高原平山造城、橋隧工程中的港珠澳大橋建設(shè)(彭建兵等， 2020； 許強(qiáng)等， 2020)、水利水電工程中的雅下與三峽水電站建設(shè)(唐輝明等， 2018)以及京津冀協(xié)同發(fā)展城市群建設(shè)等(圖 6)。自然環(huán)境會(huì)對(duì)重大工程的建設(shè)與運(yùn)營形成制約，同樣這些重大工程建設(shè)活動(dòng)必然也會(huì)對(duì)自然環(huán)境產(chǎn)生影響(彭建兵等， 2001)，改變其中的關(guān)鍵地質(zhì)要素，因此工程建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境相互作用引發(fā)的地質(zhì)安全問題涉及地質(zhì)體、巖土體、災(zāi)害體和結(jié)構(gòu)體，四者相互作用，兩兩互饋； 這給工程防災(zāi)減災(zāi)及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展帶來了風(fēng)險(xiǎn)。

重大工程建設(shè)面臨的地質(zhì)安全挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是， 自然環(huán)境中的地質(zhì)體與災(zāi)害體對(duì)承災(zāi)體(工程體)影響的多尺度表達(dá)，重大工程的選址、處理、建設(shè)與運(yùn)營各個(gè)階段面臨著來自于地質(zhì)體和災(zāi)害體多個(gè)尺度因素的影響，需要進(jìn)行周全的綜合考慮，這其中包含了區(qū)域穩(wěn)定性與動(dòng)力特征、研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與巖性組成、地質(zhì)災(zāi)害分布與演化規(guī)律、地基巖土層序與力學(xué)特性等等，即區(qū)域穩(wěn)定動(dòng)力變化下重大工程地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生機(jī)理； 二是， 承災(zāi)體(工程體)建設(shè)與運(yùn)營階段如何反饋?zhàn)饔糜诘刭|(zhì)體與災(zāi)害體之上，重大工程建設(shè)與運(yùn)營會(huì)使得自然環(huán)境因素產(chǎn)生改變，從而致使地質(zhì)體形成不穩(wěn)定體、災(zāi)害體演變?yōu)槲ｋU(xiǎn)體，這都會(huì)嚴(yán)重影響重大工程地質(zhì)安全； 三是， 如何開展重大工程地質(zhì)安全的隱患識(shí)別、工程災(zāi)變感知及監(jiān)測(cè)防治的全壽命周期多位一體化技術(shù)開發(fā)，這將切實(shí)保障重大工程地質(zhì)安全。

1.3 城市建設(shè)與發(fā)展面臨城市地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，超大城市群及城市地下空間開發(fā)已經(jīng)成為中國城鎮(zhèn)化的新常態(tài)，成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要載體(王成善等， 2019； 朱合華等， 2019； 陳湘生等， 2022)。以單個(gè)城市為中心的城鎮(zhèn)化正在向城市群為依托的城鎮(zhèn)化轉(zhuǎn)變，以中心城市引領(lǐng)城市群發(fā)展、城市群帶動(dòng)區(qū)域發(fā)展的新模式，有助于促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，從而提升區(qū)域發(fā)展優(yōu)勢(shì)(黃言等， 2019)。目前正在建設(shè)或已成規(guī)模的超大城市群有京津冀城市群、成渝城市群、長(zhǎng)江中游城市群、長(zhǎng)江三角洲城市群、珠江三角洲城市群和粵港澳大灣區(qū)城市群(圖 7)。超大城市群建設(shè)需要更加高效的區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)和國土空間資源配置，這些工程活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的改造使這些區(qū)域難以避免地面臨著嚴(yán)峻的城市地質(zhì)環(huán)境問題與地質(zhì)災(zāi)害防治問題(吳月等， 2021)，威脅城市地質(zhì)安全中的地面安全性和地下安全性，給城市建設(shè)與發(fā)展帶來了重大地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)。

城市建設(shè)與發(fā)展面臨的城市地質(zhì)安全挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是， 如何建立精細(xì)透明化的城市地質(zhì)信息模型，探究超大城市群與區(qū)域地質(zhì)環(huán)境之間的互饋關(guān)系，這種互饋關(guān)系研究涉及城市群建設(shè)、運(yùn)行與保障的各個(gè)階段，兩者在每個(gè)階段的互饋機(jī)制既有區(qū)別又有聯(lián)系； 二是， 多因素耦合下城市地面災(zāi)害機(jī)理與地面建筑地質(zhì)安全，多動(dòng)力協(xié)同下城市地下災(zāi)害機(jī)理與地下空間地質(zhì)安全； 三是， 城市群建設(shè)運(yùn)行過程中如何構(gòu)建城市地下地質(zhì)缺陷與工程病害探測(cè)與防控預(yù)警體系，這將切實(shí)保障城市地質(zhì)安全與城市群的建設(shè)與發(fā)展。

圖 7 城市建設(shè)發(fā)展與城市地質(zhì)問題(圖片來自網(wǎng)絡(luò))Fig. 7 Urban construction development and urban geological problems(Image from the internet)

圖 8 生態(tài)系統(tǒng)組成要素與典型生態(tài)問題(圖片來自網(wǎng)絡(luò))Fig. 8 Ecosystem component elements and typical ecological problems(Image from the internet)

1.4 生態(tài)保護(hù)面臨生態(tài)地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

受人類活動(dòng)和氣候變化的影響，自然環(huán)境內(nèi)部出現(xiàn)了一系列生態(tài)問題，比如水土流失、水土污染、土地鹽漬化與荒漠化、森林和草地資源減少、濕地縮減、三角洲萎縮、生物多樣性減少、水污染疾病傳播等等(于貴瑞等， 2021)； 另外地質(zhì)災(zāi)害也會(huì)對(duì)局部生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞，生態(tài)地質(zhì)安全引起了越來越多國家的重視(圖 8)。近幾年我國也陸續(xù)出臺(tái)了一系列有關(guān)生態(tài)保護(hù)的政策方針，這其中流域生態(tài)保護(hù)是重點(diǎn)研究對(duì)象，如黃河流域生態(tài)保護(hù)與長(zhǎng)江流域生態(tài)保護(hù)等(蘭恒星等， 2021)； 流域生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生的巨大變化，致使流域生態(tài)面臨著較大的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)(王艷芬等， 2021)。除此之外，山地、高原、平原、湖泊、濕地、海洋、城市以及荒漠區(qū)的生態(tài)保護(hù)與生態(tài)修復(fù)等方面也受到了越來越多專家學(xué)者的關(guān)注，比如秦嶺山地、青藏高原、黃土高原、黃河三角洲、羅布泊荒漠區(qū)等(彭建兵等， 2019)，生態(tài)效應(yīng)與生態(tài)調(diào)控研究為地球宜居性的構(gòu)建提供科學(xué)支撐(朱日祥等， 2021)。人類活動(dòng)與地質(zhì)營力對(duì)生態(tài)地質(zhì)安全產(chǎn)生了較大影響，包括水土安全性、植被安全性及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，給生態(tài)地質(zhì)安全帶來了重大地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)。

生態(tài)保護(hù)面臨生態(tài)地質(zhì)安全挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是，如何揭示生態(tài)系統(tǒng)中的氣-生-土-水-巖要素的相互關(guān)系及其與地質(zhì)環(huán)境變化的內(nèi)在機(jī)制，構(gòu)建準(zhǔn)確合理的生態(tài)環(huán)境演化與區(qū)域分析系統(tǒng)模型； 二是，如何探究生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)與災(zāi)害環(huán)境系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)平衡機(jī)制與模式、互饋關(guān)系與遞進(jìn)演化過程； 三是，如何構(gòu)建生態(tài)地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、生態(tài)修復(fù)與調(diào)控保護(hù)技術(shù)體系，從而保障生態(tài)地質(zhì)安全的健康與可持續(xù)發(fā)展。

1.5 資源開發(fā)利用面臨資源開發(fā)地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

巖土體中的煤、石油、天然氣、地下水等資源是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈與動(dòng)力。我國是資源儲(chǔ)量大國，同時(shí)也是資源需求量大國； 隨著地球淺部礦物資源逐漸枯竭，深部資源與新能源開采迫切需要更大的技術(shù)突破與地質(zhì)安全保障。然而，由于深部巖體典型的“三高”(高地應(yīng)力，高地溫，高流體壓力)賦存環(huán)境的本真屬性及資源開發(fā)“強(qiáng)擾動(dòng)”“強(qiáng)時(shí)效”的附加屬性，深部巖土體極易發(fā)生軟巖大變形、巖爆、高壓、熱害、瓦斯爆炸、突水突泥、塌方等災(zāi)害(李術(shù)才等， 2018； 馮夏庭等， 2019； 謝和平等， 2021)，同時(shí)資源的不合理開采也會(huì)導(dǎo)致地裂縫、地貌沉降和地面塌陷等次生地質(zhì)災(zāi)害以及生態(tài)破壞的發(fā)生(彭蘇萍等， 2020)(圖 9)，這種開采誘發(fā)的災(zāi)害效應(yīng)給深部資源開發(fā)帶來了嚴(yán)重的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅著資源開發(fā)地質(zhì)安全，包括采動(dòng)地質(zhì)安全、儲(chǔ)存地質(zhì)安全和開發(fā)環(huán)境地質(zhì)安全。

資源能源開發(fā)利用面臨資源開發(fā)地質(zhì)安全挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是，如何構(gòu)建資源開發(fā)過程中環(huán)境效應(yīng)評(píng)估與反饋機(jī)制，闡明深部開采與深部?jī)?chǔ)存下地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理與地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系； 二是，如何從多尺度多場(chǎng)耦合角度分析資源開發(fā)與區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的間的互饋?zhàn)饔茫瑓^(qū)域地質(zhì)環(huán)境影響資源開發(fā)的各個(gè)階段，同樣資源開發(fā)也會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境變化，甚至演變成地質(zhì)災(zāi)害，其環(huán)境災(zāi)害效應(yīng)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)； 三是，如何構(gòu)建資源開發(fā)過程中地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)的深部災(zāi)害感知、監(jiān)測(cè)預(yù)警和調(diào)控減災(zāi)的技術(shù)體系，從而保障資源能源開采地質(zhì)安全與高效產(chǎn)出。

圖 9 資源開發(fā)引發(fā)的地質(zhì)安全問題(部分圖片來自網(wǎng)絡(luò))Fig. 9 Geosafety problems caused by resource development(Image from the Internet)

上述分別分析了目前我國在國土空間、重大工程、城市建設(shè)、生態(tài)保護(hù)與資源開發(fā)方面面臨的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，這五個(gè)方面歸根到底都是人居地質(zhì)安全的研究范疇。隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，構(gòu)建地質(zhì)安全理論和人地協(xié)調(diào)理論體系是保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是當(dāng)代和諧社會(huì)和美麗中國建設(shè)的必然要求。

2 地質(zhì)安全研究架構(gòu)體系

地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)是研究的驅(qū)動(dòng)力，主要科學(xué)問題是應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)的重要環(huán)節(jié)，理論方法則是解決問題的關(guān)鍵突破口，研究方向是通過突破口的有效途徑。針對(duì)國土空間、重大工程、城市建設(shè)、生態(tài)保護(hù)與資源開發(fā)方面面臨的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，下面分別詳述各方面的主要科學(xué)問題、研究思維及研究方向。

2.1 國土空間地質(zhì)安全

從整個(gè)地球尺寸上來講，構(gòu)造動(dòng)力因素分為以下幾個(gè)層次：深部核幔運(yùn)動(dòng)、中部殼幔運(yùn)動(dòng)和淺部殼內(nèi)運(yùn)動(dòng)。外地核與固態(tài)的下地幔旋轉(zhuǎn)速度不同與瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸不一致(地球自由核章動(dòng)FCN)，致使固幔與液核之間產(chǎn)生相互作用(崔小明等， 2018)，核-幔差異旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地幔對(duì)流、地幔羽和地幔柱等深度構(gòu)造活動(dòng)； 中部的殼幔運(yùn)動(dòng)是軟流圈地幔、巖石圈地幔和地殼三者的物質(zhì)與能量的交換過程，主要的動(dòng)力過程有拆沉作用、底侵作用、熔融作用和地幔隆升，從而導(dǎo)致陸殼的增厚與減??； 淺部的殼內(nèi)運(yùn)動(dòng)主要有地殼的流展與擠壓、基地?cái)鄩K差異運(yùn)動(dòng)、斷裂構(gòu)造活動(dòng)(包含地震活動(dòng)(Xia et al.，2004， 2005))等，這些均可直接影響表部區(qū)域穩(wěn)定性，這三個(gè)層次動(dòng)力過程相互影響與制約，有著密不可分的關(guān)系(侯增謙等， 2021； 姚鑫等， 2021)。對(duì)于地表動(dòng)力因素而言，可以分為：重力作用、水力作用、生物作用、大氣作用，化學(xué)作用及人類活動(dòng)； 其中重力作用可造成崩滑流地質(zhì)災(zāi)害(Peng et al.，2015， 2018a， 2018b， 2019)，水力作用主要體現(xiàn)在侵蝕、搬運(yùn)和沉積過程，生物作用主要分為動(dòng)植物和微生物，化學(xué)作用有溶解、水化、水解、碳酸化和氧化作用等，人類活動(dòng)則主要表現(xiàn)有空間創(chuàng)造和空間改造行為。對(duì)于氣候動(dòng)力因素而言，指的是由于氣候分區(qū)不同而造成的溫度、風(fēng)力與降雨等的空間分布差異，需要著重關(guān)注的是氣候變化和跨區(qū)聯(lián)動(dòng)引發(fā)的極端現(xiàn)象，大氣運(yùn)動(dòng)及氣候變化對(duì)于防災(zāi)、減災(zāi)有著重要的影響(安芷生等， 2015； 郭正堂， 2017)。這三個(gè)方面(構(gòu)造、地表、氣候)既可單方面又可耦合威脅國土空間地質(zhì)安全，并且多以區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的形式表現(xiàn)出來，三者耦合作用如何制約國土空間地質(zhì)安全是該方面的主要科學(xué)問題。

針對(duì)這一科學(xué)問題可采用地球系統(tǒng)科學(xué)理論進(jìn)行有效探索，運(yùn)用“一長(zhǎng)八多”思維體系可對(duì)該問題進(jìn)行很好的分析：長(zhǎng)時(shí)序、多圈層、多尺度、多因素、多過程、多動(dòng)力、多營力、多水源與多作用場(chǎng)。研究方向可分為： ①區(qū)域地殼穩(wěn)定性與地震安全性； ②區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律與成因機(jī)理； ③國土空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)演化與區(qū)劃； ④國土空間地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)識(shí)別與預(yù)測(cè)評(píng)估(圖 10)。

圖 10 國土空間地質(zhì)安全的關(guān)鍵問題、指導(dǎo)理論與研究?jī)?nèi)容Fig. 10 Key issues， guiding theories and research contents of national land space geosafety

2.2 重大工程地質(zhì)安全

目前我國的重大工程建設(shè)涉及到了多個(gè)地貌單元，比如青藏高原系列鐵路和雅下水電建設(shè)、黃土高原的平山造城工程、長(zhǎng)江流域區(qū)的三峽水利水電工程(殷躍平等， 2022)、華北平原的京津冀超大城市群、粵港澳地區(qū)的港珠澳大橋等等； 另外還有一些重大的線路工程、深地工程、深海工程及極地工程等。這些重大工程建設(shè)所在的地質(zhì)環(huán)境彼此之間差異很大，如高原上的重大工程必然面臨高地震烈度、高地應(yīng)力、高位能、高寒和高環(huán)境梯度等地質(zhì)環(huán)境因素(祁生文等， 2011；Zhang et al.，2022)，因此不同的地貌單元有著不同的地質(zhì)環(huán)境，不同的地質(zhì)環(huán)境對(duì)重大工程建設(shè)的影響有著較大的區(qū)別； 反而言之，不同工程類別與形式對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響也是不同的，它也會(huì)反作用于地質(zhì)環(huán)境，因而地質(zhì)環(huán)境與人類工程活動(dòng)兩者之間存在互饋?zhàn)饔藐P(guān)系，兩者互饋?zhàn)饔萌绾斡绊懼卮蠊こ痰刭|(zhì)安全是該方面的主要科學(xué)問題。

針對(duì)這一科學(xué)問題可采用四體互饋理論進(jìn)行有效探索，四體互饋指的是地質(zhì)體、巖土體、災(zāi)害體和結(jié)構(gòu)體(承災(zāi)體或工程體)間的相互作用。研究方向分為： ①區(qū)域穩(wěn)定動(dòng)力變化下重大工程地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)； ②地質(zhì)體-巖土體-結(jié)構(gòu)體相互作用規(guī)律及其災(zāi)害效應(yīng)； ③重大工程災(zāi)變機(jī)理與風(fēng)險(xiǎn)感知； ④重大工程地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)識(shí)別、監(jiān)測(cè)預(yù)警與防控(圖 11)。

圖 11 重大工程地質(zhì)安全的關(guān)鍵問題、指導(dǎo)理論與研究?jī)?nèi)容Fig. 11 Key issues， guiding theories and research contents of major project geosafety

2.3 城市建設(shè)地質(zhì)安全

城市群建設(shè)過程存在諸多種人類對(duì)自然環(huán)境的改造行為，如侵占、置換、開挖、堆載、充填等，這些行為對(duì)自然環(huán)境的影響可稱之為人類營力。城市建設(shè)是人類營力最為常見也是強(qiáng)度較大的一種，城市建設(shè)過程中的應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)等多場(chǎng)演變及耦合作用過程處于動(dòng)態(tài)變化中，會(huì)誘發(fā)地裂縫、地面沉降與地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，災(zāi)害所引發(fā)的工程地質(zhì)問題具有多維性、復(fù)雜性、系統(tǒng)性等特點(diǎn)，給城市建設(shè)與運(yùn)營及城市地質(zhì)安全帶來了嚴(yán)重威脅(彭建兵等， 2012， 2017； 何國輝等， 2020； 喬建偉等， 2020)。另外，城市建設(shè)所在的區(qū)域地質(zhì)動(dòng)力因素也會(huì)嚴(yán)重影響城市地質(zhì)安全，如區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)、斷裂活動(dòng)等； 因此城市建設(shè)多營力與地質(zhì)動(dòng)力的疊加作用在研究城市地質(zhì)安全、降低城市地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)中有著重要的意義，兩者之間的疊加作用如何危及城市地質(zhì)安全是該方面的主要科學(xué)問題。

針對(duì)這一科學(xué)問題可采用協(xié)同耦合理論進(jìn)行探索，協(xié)同耦合指的是城市建設(shè)營力與地質(zhì)動(dòng)力耦合、城市建設(shè)與自然環(huán)境協(xié)同。研究方向可分為： ①城市建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境互饋?zhàn)饔玫臑?zāi)害效應(yīng)與動(dòng)態(tài)平衡； ②多因素耦合下城市地面災(zāi)害機(jī)理與地面建筑地質(zhì)安全； ③多動(dòng)力協(xié)同下城市地下災(zāi)害機(jī)理與地下空間地質(zhì)安全； ④城市地質(zhì)安全隱患精準(zhǔn)探測(cè)、預(yù)測(cè)預(yù)警與韌性減災(zāi)(圖 12)。

圖 12 城市地質(zhì)安全的關(guān)鍵問題、指導(dǎo)理論與研究?jī)?nèi)容Fig. 12 Key issues， guiding theories and research contents of urban geosafety

2.4 生態(tài)保護(hù)地質(zhì)安全

生態(tài)地質(zhì)安全屬于生態(tài)地質(zhì)學(xué)研究范疇，生態(tài)地質(zhì)學(xué)以地質(zhì)學(xué)的理論方法為主線，以生態(tài)學(xué)的思想觀點(diǎn)為指導(dǎo)，在地球系統(tǒng)科學(xué)整體框架下研究巖石、土壤、水、生物群落及其在現(xiàn)代地質(zhì)作用下(包括自然和人為因素)產(chǎn)生的生態(tài)地質(zhì)問題與效應(yīng)(張森琦等， 2007)。生態(tài)地質(zhì)研究框架的組成要素包括氣(氣體)、生(生物，包括人類)、水(水體)、土(土體)和巖(巖石)，涉及的圈層有大氣圈、生物圈、水圈、土壤圈和巖石圈。生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)是以山、巖、土、林分別構(gòu)成骨、肉、皮、毛等有機(jī)體，而水則充當(dāng)了類似于人體的血液； 水藏于山中，滋養(yǎng)或者破壞山、巖、土、林，五者之間的相互作用與制約則形成了生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的內(nèi)生關(guān)系(彭建兵等， 2022)。這些要素之間相互聯(lián)系、相互影響，這些圈層之間相互作用、密不可分(傅伯杰等， 2021)； 巖-土-氣-水-生等多圈層的相互作用與協(xié)同演化如何損害生態(tài)地質(zhì)安全是該方面的主要科學(xué)問題。

圖 13 生態(tài)地質(zhì)安全的關(guān)鍵問題、指導(dǎo)理論與研究?jī)?nèi)容Fig. 13 Key issues， guiding theories and research contents of ecological geosafety

針對(duì)這一科學(xué)問題可采用地球關(guān)鍵帶理論進(jìn)行有效探索，地球淺層巖石-土壤-大氣-水-生物(包括人類活動(dòng))相互作用，為生命系統(tǒng)提供支撐資源的地球表層系統(tǒng)。研究方向可分為： ①生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)構(gòu)成、演化與區(qū)域系統(tǒng)模型； ②水-土-氣-生-人互饋?zhàn)饔眉捌渖鷳B(tài)損害效應(yīng)； ③生態(tài)地質(zhì)安全動(dòng)態(tài)平衡與調(diào)控保護(hù)技術(shù)； ④生態(tài)地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)識(shí)別、預(yù)測(cè)預(yù)警與綜合評(píng)估(圖 13)。

2.5 資源開發(fā)地質(zhì)安全

資源能源是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈與動(dòng)力，包括了傳統(tǒng)常規(guī)的煤炭、石油、天然氣，新能源中的太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、核能、海洋能、氫能等，以及頁巖氣、天然氣水合物、煤層氣等非常規(guī)油氣能源。這些資源能源的開采會(huì)帶來一些環(huán)境災(zāi)害效應(yīng)，比如溫室氣體排放、高放廢物輻射、水土污染、空氣污染、次生地質(zhì)災(zāi)害(地面沉降，地面塌陷、地裂縫等)以及生態(tài)破壞等； 這些都給資源的長(zhǎng)效利用與資源開發(fā)地質(zhì)安全帶來嚴(yán)重影響。資源能源開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境的互饋?zhàn)饔孟乱l(fā)的環(huán)境災(zāi)害效應(yīng)如何威脅資源開發(fā)地質(zhì)安全是該方面主要科學(xué)問題。

針對(duì)這一科學(xué)問題可采用多相介質(zhì)的多場(chǎng)耦合理論進(jìn)行有效探索，多相介質(zhì)指的是固相、液相和氣相； 多場(chǎng)包括應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)等(施斌， 2013)。研究方向可分多個(gè)方面： ①資源能源開采與區(qū)域地質(zhì)環(huán)境互饋機(jī)制及環(huán)境災(zāi)害效應(yīng)； ②深部開采下地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理與地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)； ③深部?jī)?chǔ)層多場(chǎng)多相耦合災(zāi)害機(jī)制與地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)； ④深部地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)感知、預(yù)測(cè)預(yù)警與調(diào)控減災(zāi)(圖 14)。

圖 14 資源開發(fā)地質(zhì)安全的關(guān)鍵問題、指導(dǎo)理論與研究?jī)?nèi)容Fig. 14 Key issues， guiding theories and research contents of resource development geosafety

圖 15 人地協(xié)調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 15 Man-land coordination system architecture

綜上所述，國土空間地質(zhì)安全、重大工程地質(zhì)安全、城市建設(shè)地質(zhì)安全、生態(tài)地質(zhì)安全與資源開發(fā)地質(zhì)安全所需要解決的主要科學(xué)問題與可能突破的研究方向都是在研究人與自然之間的協(xié)調(diào)問題與途徑。人地協(xié)調(diào)包含了兩個(gè)系統(tǒng)：自然系統(tǒng)和人為系統(tǒng)(彭建兵等， 2020)； 人地協(xié)調(diào)直接影響人居環(huán)境，地質(zhì)安全理論是兩個(gè)系統(tǒng)的重要咬合點(diǎn)； 構(gòu)建人類與自然的宜居地球共生系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)與提升地球宜居性的有效嘗試(圖 15)。

3 結(jié)論及展望

地質(zhì)安全是保障國土空間安全、護(hù)航重大工程建設(shè)，提升城市發(fā)展質(zhì)量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境平衡，保證能源資源供應(yīng)，維系社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要前提。保障地質(zhì)安全-營造長(zhǎng)久宜居環(huán)境、控制災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)-減輕人居安全隱患、保護(hù)地質(zhì)環(huán)境-建立生態(tài)安全體系、開發(fā)地下空間-創(chuàng)建新型宜居場(chǎng)所、把握人地和諧-延長(zhǎng)地球宜居壽命，這些科學(xué)命題值得我們深入探索和研究。具體來講，有以下6個(gè)方面的展望。

3.1 解析區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害空間層次與結(jié)構(gòu)，構(gòu)建國土空間地質(zhì)安全關(guān)聯(lián)保障體系

國土空間地質(zhì)安全與區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特性有著緊密的關(guān)聯(lián)，包括地質(zhì)災(zāi)害的分布規(guī)律、活動(dòng)強(qiáng)度、發(fā)育階段、空間組合結(jié)構(gòu)等?；趯?duì)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征與成因機(jī)制的認(rèn)識(shí)，亟需開展地質(zhì)災(zāi)害空間層次與結(jié)構(gòu)整體分析，解析不同災(zāi)種間的鏈生關(guān)系，深化區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害與國土空間地質(zhì)安全的關(guān)聯(lián)機(jī)制，確保區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

3.2 揭示地質(zhì)體-巖土體-災(zāi)害體-工程體四體互饋機(jī)制，建立重大工程地質(zhì)安全協(xié)調(diào)管控模式

重大工程建設(shè)是人類影響和改造自然的重要方面，重大工程地質(zhì)安全研究的關(guān)鍵在于分析四體之間相互作用過程與機(jī)制，即地質(zhì)體-巖土體-災(zāi)害體-工程體如何互相影響與制約?；趨^(qū)域穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)，亟需開展重大工程建設(shè)的地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)研究，揭示重大工程建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境的互饋機(jī)制，護(hù)航重大工程的安全修建與運(yùn)營。

3.3 明晰城市建設(shè)營力與地質(zhì)動(dòng)力相互作用過程，提出城市建設(shè)與地質(zhì)安全協(xié)同工作范式

城市建設(shè)是改善人居環(huán)境的重要途徑，同樣也是人類施加在自然環(huán)境上的一種人類營力，人類營力與地質(zhì)動(dòng)力的共同作用嚴(yán)重影響著城市建設(shè)地質(zhì)安全。基于城市多源透明地質(zhì)信息融合系統(tǒng)，亟需開展城市建設(shè)營力與地質(zhì)動(dòng)力疊加作用研究，闡明城市建設(shè)營力與自然動(dòng)力環(huán)境耦合過程與協(xié)同機(jī)制，切實(shí)保障城市人居安全。

3.4 揭示生態(tài)環(huán)境與地質(zhì)環(huán)境失衡規(guī)律，形成生態(tài)保護(hù)與地質(zhì)安全和諧平衡理論

地球關(guān)鍵帶內(nèi)的巖石-土壤-大氣-水-生物及人類活動(dòng)是表層生態(tài)系統(tǒng)的本地要素，它們的組成與相互作用決定了生態(tài)系統(tǒng)的功能狀態(tài)?；谏鷳B(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)構(gòu)成與多要素多圈層綜合生態(tài)模型，亟需開展關(guān)鍵帶生態(tài)本底要素及其結(jié)構(gòu)探查，破解生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)、地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)與災(zāi)害環(huán)境系統(tǒng)間的協(xié)同演化與平衡機(jī)制，保護(hù)生態(tài)環(huán)境健康運(yùn)行。

3.5 明確多相多場(chǎng)作用下地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害效應(yīng)，探索資源能源開采與地質(zhì)安全防控自適調(diào)控機(jī)制

資源能源開發(fā)利用過程是多相介質(zhì)的多場(chǎng)動(dòng)態(tài)耦合作用過程，從傳統(tǒng)資源開發(fā)到新能源開發(fā)利用，從地下能儲(chǔ)與高放廢物處置到碳封存，這其中作用過程隱匿、機(jī)理復(fù)雜?；谫Y源能源開采下災(zāi)害效應(yīng)分析，亟需開展資源利用導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害演變與成災(zāi)過程研究，闡釋資源能源開發(fā)利用下多相介質(zhì)的多場(chǎng)耦合機(jī)制，保證能源資源持續(xù)供應(yīng)。

3.6 構(gòu)建地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)綜合防控技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)人地協(xié)調(diào)并提升地球宜居性

地質(zhì)安全設(shè)涉及國土空間、重大工程、城市建設(shè)、生態(tài)文明和資源開發(fā)等方面，地質(zhì)安全理論是技術(shù)開發(fā)的基礎(chǔ)，而技術(shù)體系的構(gòu)建是理論的應(yīng)用與落腳點(diǎn)。面對(duì)重大的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，亟需構(gòu)建多位一體的地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)早期識(shí)別、監(jiān)測(cè)預(yù)警與防治調(diào)控綜合技術(shù)體系，這是實(shí)現(xiàn)人地協(xié)調(diào)并提升地球宜居性的有效途徑。