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贵州是我国名副其实的“喀斯特省”和世界最大的喀斯特地域,也是世界发育最复杂、类型最齐全、集中分布面积最大的东亚喀斯特区域中心。喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室针对我国西南岩溶区“固、液、气”三态物质循环和能量交换特点,提出岩溶环境地质学和岩溶工程地质学两大研究方向,拟立足贵州,在以下几方面奠定自己的学术地位,并为我国西南岩溶地区社会经济发展作出应有贡献。
1、岩溶环境地质学
岩溶环境地质学是基于我国西南岩溶地区独特的地质环境条件,以岩溶环境地球化学、岩溶水循环与浅表层岩溶作用的研究为核心,探讨岩溶地质环境形成机理及其演化过程的学科,是岩溶地质学与环境地质学的交叉学科。该研究方向下设“岩溶环境地球化学”和“岩溶地下水系统及环境演化”两个子方向。
(1)岩溶环境地球化学:面对我国西南岩溶区日益严重的生态环境退化、石漠化和岩溶地下水污染等问题,针对我国西南岩溶区独特的地质环境特征与社会经济活动状况,将环境科学与地球化学融为一体,将现今的岩溶环境现象与漫长的岩溶地质历史演化、地球环境系统的自然演化与人为影响紧密结合,以地球化学理论和方法为研究手段,从岩溶环境的整体性和相互依存性出发,探讨岩溶区化学元素、同位素及化合物在岩石圈、土壤圈、水圈、大气圈、生物圈各圈层间的迁移和循环规律及其对岩溶地质环境系统的影响;以地质历史理论和方法为研究手段,从全新世陆-气系统物质能量交换出发,探讨岩溶地质环境演化过程。该子方向的研究目标是:①阐明岩溶区浅表层各圈层间物质循环及其生态环境效应;②阐明岩溶区生物地球化学循环及其控制过程机理;③阐明碳酸盐岩风化成土机理及其资源环境效应。
(2)岩溶地下水系统及环境演化:岩溶地下水系统是以岩溶地下水为主体、以水循环为核心、由碳酸盐岩-土-水-生物-大气构成的物质-能量传输和转换系统,是一个典型的开放系统。岩石圈、土壤圈、水圈、生物圈、大气圈相互作用的耦合关系在亚热带岩溶地下水系统中表现的尤为突出,是岩溶地区的系统性、整体性和复杂性最为典型的表现。因此,岩溶地下水系统环境演化已经成为国际岩溶学、水文地质学和环境科学研究的前沿和热点领域,是全球变化和全球地下水循环演化研究的重要组成部分,也是关系岩溶地区国计民生的现实课题。该子方向的研究目标是:①阐明岩溶区水文地球化学演化及生态环境效应;②提出岩溶地下水系统污染与生物修复技术;③阐明岩溶水文地质学原理与方法;④提出岩溶地下水预测与开采技术。
针对我国西南岩溶区“液”态物质循环和能量交换特点,开展“岩溶环境地质学”两大方向的研究,可以实现如下目标:①为阐明岩溶区矿产资源富集研究打下坚实的理论基础,如铊矿物和铊矿床研究、铝土矿床研究等方面可望达到国际先进水平;②为岩溶区水资源开发利用与水环境保护治理打下坚实的理论基础,如在岩溶地下水污染敏感性及其矿物净化机理研究方面可望达到国内领先水平;③为岩溶工程地质深入研究提供理论基础。本方向除侧重于基础理论研究外,还兼顾了应用基础方面的研究,一方面为我国西南岩溶区矿产资源开发利用与环境保护,水资源开发利用与水环境保护治理提供理论指导,奠定实验室在该领域的国际国内领先学术地位,另一方面也直接为我国西南岩溶区社会经济建设提供服务。
2、岩溶工程地质学
岩溶工程地质学是研究岩溶地区人类工程活动与岩溶地质环境之间的相互制约作用,以便合理开发和妥善保护岩溶地质环境的学科,是岩溶地质学与工程地质学的交叉学科。该研究方向下设“岩溶区地质灾害与防治”、“岩溶区重大工程岩土体稳定及其工程环境效应”、“岩溶区重大工程选址理论与方法”三个子方向。
(1)岩溶区地质灾害与防治:西南岩溶地区历来是我国地质灾害频发、生态退化较严重的地区之一。岩溶区因其独特的岩溶地质环境条件,同时由于资源开发等人类工程活动空间不断拓展、规模日益扩大,从而导致人-地关系失调,致使岩溶地质灾害数量多、灾种全。频繁发生的岩溶地质灾害,给人民生命财产造成了巨大的危害和威胁,并直接影响到岩溶区的社会经济发展,成为我国西南岩溶区重大环境地质问题之一。同时,随着社会发展和经济建设不断深入,岩溶区的人-地矛盾愈来愈突出,人们赖以生存的岩溶地质环境所面临的压力越来越大,以石漠化为代表的岩溶环境地质灾害已经成为阻碍社会经济发展的主要障碍。因此,迫切需要在岩溶地质环境形成机理及其演化过程研究的基础上,面向岩溶区社会经济发展的实际需求,广泛吸纳国内外相关领域的最新研究成果,以阐述和协调人类工程活动与岩溶地质环境之间的相互制约关系为主线,立足岩溶工程地质过程分析,深入开展岩溶地质灾害成灾机理研究、灾情预警、灾害评价与综合防治措施研究,为岩溶区全面开展防灾减灾工作提供理论依据和方法指导。该子方向的研究目标是:①阐明岩溶地质灾害形成演化机制与成灾机理;②建立岩溶区区域地质灾害评价原理与方法;③实现岩溶地质灾害监测与多灾种联合安全预警;④实现岩溶地质灾害动态模拟与预测预报;⑤实现岩溶地质灾害治理智能设计与技术集成;⑥阐明喀斯特石漠化发生机理并提出其综合治理技术。
(2)岩溶区重大工程岩土体稳定及其工程环境效应:该研究领域直接面向西南岩溶区经济建设主战场,结合重大工程建设的具体实践,充分运用当今国内外先进的野外调查方法与测试技术、室内分析与试验手段、大型地质体物理模拟、二维和三维数值模拟与仿真、非线性科学与现代统计等多方面的分析理论与方法手段,立足于解决中国西南部岩溶区水能与资源开发、公路、铁路和机场建设、矿山开采、城市基础设施建设、农田水利建设、水库水坝建设等大型工程建设中的岩土体变形和稳定性问题,并通过工程实践促进岩土体稳定性分析理论的不断进步和技术方法体系的不断创新。在此基础上,深入开展岩溶区人类工程活动与地质环境互馈作用机理及对策研究,以协调人类工程活动与岩溶地质环境的关系,保护岩溶地质环境,减轻地质灾害对人民生命财产的危害和威胁,为充分利用自然资源和实现社会经济的可持续发展提供科学依据。该子方向的研究目标是:①进行喀斯特地区天然斜坡与人工边坡稳定性评价并建立其加固处理技术体系;②进行喀斯特地区隧道及地下工程围岩稳定性评价并建立其加固处理技术体系;③进行喀斯特地区岩基稳定性评价并建立其加固处理技术体系;④阐明人类工程活动的环境效应与岩溶地质环境演化间相互关系、相互作用机理,并提出相应处理对策。
(3)岩溶区重大工程选址理论与方法:因岩溶区独特的地质环境条件、脆弱的生态环境和特殊的社会经济活动,导致岩溶区水利水电、铁路公路、机场和矿山等基础设施建设相对滞后。在今后岩溶区社会经济持续发展过程中,尤其是国家西部大开发战略深入实施过程中,岩溶区势必有众多的重大工程建设活动。如喀斯特大省贵州省“西电东送”工程中,需修建大量的水电站和火电厂,及其众多的基础配套设施;打通“西南出海通道”工程中,就需修建上千公里的高等级公路铁路;开发喀斯特矿产资源过程中,需建设大量的规模不等的矿山;打造“喀斯特生态旅游”项目中,需修建众多的机场;实施国家大科学计划“一平方公里阵大射电望远镜(SKA/FAST)”工程中,需修建几十至上百个大型巨型射电天文台。这些重大项目实施过程中,涉及到诸如岩溶区地质构造与地震,岩溶水循环与岩溶渗漏、岩溶涌水突泥,岩溶固体物质运移与岩溶塌陷、滑坡、崩塌、泥石流,水土流失与喀斯特生态恶化、人地矛盾突出等,并进一步导致社会经济发展不均衡。为此,针对岩溶区重大工程活动,结合岩溶区独特的地质环境条件、脆弱的生态环境和特殊的社会经济活动,开展“岩溶区重大工程选址理论与方法”方向研究。因此,该子方向的研究目标是:①阐明岩溶区独特的地质环境条件与重大工程活动间相互关系与相互作用机理,并提出处理对策;②阐明岩溶区重大工程活动与社会经济活动间相互关系与相互作用机理,建立岩溶区重大工程活动社会经济评价理论与方法;③建立岩溶区重大工程选址理论与方法。
针对我国西南岩溶区“固”态物质循环和能量交换特点,开展“岩溶工程地质学”三大方向的研究,可以实现如下目标:①贵州因其独特的岩溶地质环境条件而产生的滑坡、泥石流、岩溶塌陷、水库渗漏、石漠化、地裂缝、水库诱发地震等岩溶地质灾害,具有点多、面广、规模大、成灾快、暴发频率高、危害严重等特点。如贵州省每年因地质灾害造成的人员伤亡、直接经济损失在全国排第4~5位。故岩溶区地质灾害已成为制约岩溶区经济和社会发展的主要因素之一,而在全面查清岩溶区各类岩溶地质灾害的发育特征、分布规律的基础上,深入开展“地质灾害形成机理及其形成过程动力学机制、地质灾害防治措施及其设计方法、地质灾害灾情评估理论、地质灾害安全预警”等内容的研究,不仅是地质灾害防灾减灾理论研究的前沿,而且对实现岩溶区社会与经济的可持续发展尤其必要;②以石漠化为主的生态环境灾害已成为我国西南岩溶区的可持续发展的头号“生态危机”,综合“固”态和“液”态物质循环和能量交换特点研究成果,开展岩溶区生态环境综合治理,不仅是恢复岩溶区生态环境的重要途径,也是岩溶区广大人民群众摆脱贫困,步入小康社会的重要途径之一;③针对岩溶区重大工程活动,结合岩溶区独特的地质环境条件、脆弱的生态环境和特殊的社会经济活动,开展“岩溶区重大工程岩土体稳定及其工程环境效应”和“岩溶区重大工程选址理论与方法”方向研究,以使岩溶区独特的地质环境条件、脆弱的生态环境和特殊的社会经济活动间相互制约作用转化为相互促进作用,一方面可奠定岩溶工程地质学在地质学领域的学科地位,另一方面也直接为岩溶区重大工程建设服务,对岩溶区社会经济发展可起巨大的推进作用。
综上,喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室提出的岩溶环境地质学和岩溶工程地质学两大研究方向,通过今后的建设发展,可望在较短时期内建成岩溶环境地质学和岩溶工程地质学两大学科,并在国内外相同学科领域达国际国内领先的研究水平,为岩溶区社会经济可持续发展作用巨大贡献.
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