Question

地质系统整体观理论的探索

Answer 1

总结 50 年的研究成果，在李四光学术思想指导下，高庆华撰写了 《地质系统整体观理论探索与应用———地质力学研究的进展》^［147］一书。该书在绪论中写到: “李四光在 《地质力学概论》中写到: ‘地质力学或地质学的力学，这一类的名称由来已久，意义也很广泛。……不过，这门边缘学科的领域，现在仅仅可以说略具粗糙的轮廓，它的发展远景究竟怎样? 这主要看它在地质工作哪些方面能够做出什么样的成绩，同时也要看有关学科给予它什么样的支援。’

地质力学是本土化的地质科学理论方法，从启蒙时期到现在已有半个世纪的历史，已经为地质科学的发展和国家经济建设作出了突出的贡献。因此如何扩展这门边缘学科的研究领域，发展地质力学已成为大家共同关心的问题。

创新发展地质力学必须以科学发展观为指导，其中重要的一条是学科发展的理论指导思想应该站在地质科学发展的前沿。由中国地质学会主编的 《2020 年我国地质工作发展研究》［1］一书中指出: ‘国际地质科学正处于重大战略转变时期，逐步形成了地球系统科学、信息观、可持续发展理念及全球化等基本思维观念，代表了当代地质科学的发展趋势，是传统地质工作向现代地质工作转变的指针。’

20 世纪 80 年代以来，随着全球环境变化问题的日益突出，出于人类可持续发展的战略需要，全球环境变化研究得到普遍关注和快速发展，可持续发展问题得到各国政府和社会的高度重视，地球系统科学思维在地球科学中得到普遍接受，地球系统科学成为地球科学的前沿领域，地球科学研究进入新的发展阶段。

需要指出的是，李四光的思维早已体现了地球系统科学的研究方向。1928 年李四光研究了北半球古生代以后大陆上海水进退的规程与大陆运动的关系; 1929 年提出地壳上层与重圈旋转运动的差异与各圈带的物理-化学性质的区域变化有关; 1955 年提出了石油勘探要考虑沉积条件与构造条件; 1958 年提出构造形变的深入研究进入岩石学、地球化学、结构物理学或地球物理学的领域。

1968 年，李四光向国家科委口述地学方面科研体制改革小组的谈话提纲，其中他明确指出: ‘地质工作要从运动的观点看问题，运动分为物质的变化与机械的运动。它们在一定程度上又是互相联系的。从地球的本身看，由于地幔和地核这两方面的相互作用，因而产生了各种 ‘场’譬如: 电场、磁场、重力场、热场、应力场……地球自转速率的变化，由于不规则的变动，也引起地壳一系列的变化。譬如: 地球转动与太阳系的关系引起潮汐、地震及火成岩的活动。地质史有 20 亿 ～30 亿年 ( 根据最新资料已有 45 亿年) ，海水的变化，海水的进退，海洋的形成，与大陆的关系，相互起什么作用? 占地球表面 70% 还多的海洋，很多工作现在没有很好地去做，这些工作与国防、生产有非常密切的关系。过去，地球化学找矿，主要是找岩体中矿物质的变化，或沉积物中的变化，但没有研究海水变化的规律。空气层也在随着地球转动。空气层与地球表面的关系很密切。空气和水的浸透现象是大家熟悉的，但固体的浸透现象注意不够，这是物理和化学的现象，研究这些对了解矿产的来源很有意义。空气层在转动 ( 这与固体不同) ，直接关系到气层流动带的分布规律。为什么雨水有的地区多，有的地区少，要全面掌握这些规律’。

1969 年李四光完成了 《天文、地质、古生物资料摘要》 一书，他把天、地、生三者视为一个互相制约、互相联系的整体，来研究地壳乃至地球的演化和发展。

李四光的意见明确反映了他研究地壳运动和发展地质科学的系统整体观思想，现在看来仍是先进的地球观。他一生特别是晚年所研究与关注的地质理论与实践问题，涉及面十分广泛，已远远超出了 《地质力学概论》的研究范围。

1969 年根据李四光先生的意见，地质力学所组织了西秦岭队 ( 当时指定作者担任研究队队长) ，李四光先生亲自部署研究工作，他明确指出: 要将西秦岭地区作为一个 ‘点’，将构造体系、沉积建造、岩浆岩、变质岩、地球化学、矿产、地震活动、构造演化、古气候变化、海水进退等，作为一个整体进行研究。

1971 年李四光先生去世了，但是他生前指导性的意见和新的思维我一直不敢忘记，我认为他对西秦岭队工作的安排，是将其系统整体观思想全面付诸实践研究的开始，是他亲自拟定的创新性研究课题，需要大家继续进行不懈的努力。

1976 年成立了地矿部五六二综合研究队，将李四光晚年最关心的能源地质、地震地质、深部地质和地壳运动问题作为研究重点。由作者担任室主任的综合研究室 ( 地质力学基础理论研究室) ，除了综合以上问题的研究外，增加了海平面变化和构造体系对地热场控制关系的研究; 1989 年作者参加了全国自然灾害综合研究组，在中国地震局、中国气象局、国家海洋局、水利部、农业部和地矿部、林业部专家的共同支持下，除了重点完成自然灾害综合研究和减灾的任务外，还进行了地球表层系统和现今地壳运动问题的研究。

可以说，由李四光生前亲自布置的研究工作，作者与大批同事已经继续研究了 40 年，在大家共同努力下，取得的主要科研进展是:

1) 在结构面力学性质鉴定的基础上，对构造形迹进行了力学分类; 总结了不同力学性质结构面的特点和标志及对矿产不同的控制作用;

2) 在划分构造形迹序次的基础上，提出了压性、张性、扭性重要构造形迹———如褶皱、断裂———的序次转化模式; 探讨了序次研究在构造研究方面的应用和规律 ; 研究了序次转化对矿产分布的多级控制作用;

3) 研究并总结了各种类型的构造体系复合的标志和控矿规律;

4) 编制了全国与世界构造体系纲要图，在构造体系研究的基础上，进一步提出并划分了构造系列、构造系统。进行了陆壳构造与洋壳构造的统一研究;

5) 研究了构造体系和构造活动控岩控矿;

6) 进行了中国沉积岩相建造与大陆海水进退规程及对沉积矿产的控制规律研究;

7) 进行了中国岩浆岩原生构造与地应力场的关系及对岩相和矿产分布规律的研究;

8) 进行了中国气候变化与生物迁移问题和与地壳运动关系的研究;

9) 研究了地应力场与地球化学场、地球物理场的关系;

10) 根据地壳现今运动对地球表层的影响，研究了自然灾害系统与全球运动和全球变化的关系。在对自然灾害发展趋势预测的基础上，划分了灾害风险区，推动了减灾系统工程;

11) 研究了地球气、水、石、生各圈层物质运动的方式和方向，在全面综合各大地构造学派地壳运动论点和论据的基础上，提出了地球联合力场的观点; 并以此为据，对地球表层地质构造现象的形成进行了系统解释;

12) 总结了我国重要矿产的分布规律和地质力学找矿理论方法，应用地质系统论对隐伏矿产进行了宏观预测。

几十年的理论研究与实践说明，地质力学把对构造的研究从孤立的现象描述，追索到力学机制; 然后从局部应力场，联系到全球动力场; 再从全球动力场的空间特征和发展去探索地壳运动问题，即以构造体系为核心的研究，的确是一条正确的研究途径。但构造只是地质现象之一，如果希望地质力学能为地质科学研究和地质事业的发展作出更大贡献，则必然要扩展其研究领域。综合上述研究成果，20 世纪 80 年代初期，孙殿卿、高庆华在 《地质力学与地壳运动》研究中，逐步形成了地质现象和地质规律多因子互馈作用和相互联系的观点，1984 年高庆华提出了地质系统论^［14］。

越来越多的事实说明，构造体系不是孤立的，在其发生发展过程中，必然有一系列地质现象相伴发生。我们把在一定范围内，各种地质现象相互联系的总体，称之为地质体系。如果说构造体系是一定方式地应力作用下的一幅应变图像，那么地质体系则是在地壳运动推动下，地应力场发展变化过程中所产生的一切地质现象的总体。

地质体系的主体是地质体。任何地质体都有两种属性: 物质的和构造的。就是说，它必须有物质基础和构造形态。地质科学既要考虑建造 ( 即组成方面) ; 又考虑改造 ( 即构造方面) 。组成与形变，建造与改造，是一个问题的两个方面，没有脱离建造的改造，也不可能有脱离改造的建造。二者是既有区别又有联系的对立统一体。建造是地壳运动过程中伴随着改造而形成的，并且在它形成之后，又不可避免地要经受或强或弱的改造。可以认为: 改造是地壳运动的直接产物，它控制着建造的形成和分布;建造不仅反映了改造，在一定条件下也影响着改造。

目前地质界对地质体研究的主流是分门别类的研究模式，而且有愈来愈细之势。但是如果我们以系统整体观的思维方式，努力研究各种地质现象联系性、层次性、整体性，就会从众多‘孤立的’地质体中发现地质体系的存在。

地质体系的核心是构造体系。小型构造体系一般只造成岩层的破坏、改造，可有少量的热液或冷水溶液沿裂隙活动，有溶液沉淀物，沿较强烈的结构面出现一些构造岩和局部变质现象。但当具有一定规模的构造体系形成时，在强大地应力场作用下，不仅形成了强烈的构造形迹，使岩石发生质变和相变，导致岩浆活动和地下水系统变化，同时也破坏了元素平衡状态，使元素在地应力场控制之下发生迁移、聚集、启动了新的地球化学过程，形成受构造体系控制的岩石和矿产。构造体系形成以后，出现或改变了所在区域的地貌形态，形成山岭和盆地，控制了地质作用外营力场的空间格局、沉积作用和沉积岩及沉积矿产的分布和相变规律，也控制了土壤、水文系统状态、生物分布和地质灾害。不仅如此，作为下垫面，还控制了地区性小气候的变化和洪涝、气象等自然灾害的分布。所有这一切都可纳入地质体系的研究内容。构造体系规模愈大，地应力作用愈强，地质体系的内容也越丰富。像构造体系的序次和级别属性一样，地质体系也有级序之分，小的地质体系受大的地质体系所控制，区域地质体系受全球地质体系所控制。

在地球发展演化过程中，地壳的结构和构造也发生了一系列的变化，除了形成构造体系外，板块、地槽、地洼、断块、大地波浪等大地构造形象都是地壳运动的结果，它们是有系统联系的，也应属于地质体系的研究范围。由构造体系向地质体系发展，是地质力学的发展的重要方向，也是建立地质系统科学的基础。

由此看来，由运用力学原理研究构造体系为核心的研究工作，向以系统论为指导，研究地质系统、地质体系方面扩展，已成为发展地质力学的关键。

李四光在他毕生最后一部著作——— 《天文、地质、古生物资料摘要》中［3］，最后一句话这样写道:

‘这样看来，我们的时代，不是地壳运动和缓，而是正处于相当强烈的时代’。

事实证实了李四光的预测。进入 20 世纪 80 年代以来，地球的活动已进入一个新的活跃期，各种地质灾害与自然灾害都有增强之势。于是我们从 80 年代中期开始之后，便以自然灾害综合研究和减灾为重点。以地球系统科学思想为指导，将各种自然灾害作为一个自然灾害系统来看待，全面研究天、地、生、人等巨系统及其各个子系统的发展变化，进行自然灾害综合研究和综合减灾及灾害 － 环境系统研究，进一步理解了李四光教授的学术思想。在对气象、海洋、洪涝、地震和地质及生物灾害研究的同时，也开展了地球表层系统的研究。

近年来由地球表层系统变化导致的环境与灾害问题，已成为全世界社会经济发展的重大制约因素。环境与灾害的形成主要受两大因素控制: 一是自然变异，二是人类社会活动。地球在不停地运动着、变化着，致使人类、地球、环境发生日新月异的变化，并导致自然灾害的发生。从表面看，地圈的运动和变化导致地质环境的变迁和地震及地质灾害的产生; 水圈的运动和变化导致水环境的变化和水灾害的发生; 气圈的运动和变化导致气候环境的变化和气象灾害的发生; 地球表层系统和生物圈的运动和变化导致生态环境的变化和生物灾害的发生。然而，从深层次看，由于地球是一个开放的自组织系统，各个圈层自身运动变化的同时，彼此也在发生着物质和能量的交流，各个圈层的运动与变化受控于全球运动与全球变化，并且与天体系统运动变化相联系。

全球运动与全球变化是迄今争论不休分歧很大的问题。我们认为地壳运动留下的各种痕迹是研究地球动力学问题和追索地壳运动起源最重要也是最可靠的根据，其中构造形迹及其反映的地应力场和运动场是最重要的证据，但也要充分注意地质体系的其他现象，如沉积建造、岩浆活动、成矿系统等与地壳运动的成生联系。

通过综合研究，获得了两点最重要的认识:

第一，各种地质现象都不是孤立的，它们按一定的关系联合起来组成相互联系的序列、体系、系列、系统，乃至地球表层系统和地球系统; 因此研究地质规律，必须重视地质系统论。

第二，构造系统、岩浆岩系统、沉积岩系统、变质岩系统、水文系统、地球化学和成矿系统以及相关自然现象的形成都与地壳运动有关。地壳运动是个复杂的问题，动力来源与影响因素很多，然而其中地球的整体运动起着主导的作用。地球在旋转过程中产生，在旋转过程中发展。在旋转过程中地球由于内因和外因的共同影响。使其旋转力场不断变化与调整，推动着地球各个圈层物质不断运动变化，从而便形成了地球上丰富多样的地质现象和自然现象。因此为了研究地质系统与相关自然现象相互联系的规律，必须以地壳运动整体观为指导。

在对地质系统和地球表层系统形成机制综合研究的基础上，1995 年高庆华与马宗晋、孙殿卿共同撰写了 《地壳运动整体观论纲》，提出了地壳运动整体观研究的总体框架。

地质系统论和地壳运动整体观的研究是一项庞大的系统工程。它们构成了地质系统整体观研究的基础。

当前，关于如何创新发展地质力学是大家共同关注且意见分歧的问题。其实，李四光先生生前已有明确的意见。1965 年 10月 26 日李四光在给第三期地质力学进修班的学员作 《地质力学发展的过程和当前的任务》报告时说到: ‘地质力学是一门边缘科学，它的一条腿站在地质学方面; 另一条腿站在力学方面。反映地壳运动的一切现象，是它考察和研究的对象。’

在同一次报告中，李四光还谈到 ‘由于地壳运动而产生的一切现象，包括构造体系的规律、海洋运动的陈迹等，是实际的东西，从地质力学整体来看，关于这些东西的知识，是它主要的内容。按照认识运动的过程来看，我们必须把那些对于客观存在的感性知识，在主观方面加工，精练出理性的知识，这就需要力学出来帮助，否则地质力学只能停留在描述现象的阶段，而很难揭穿那些现象发生的内在因素。’

我们理解， ‘地质学’除了地质力学重点研究的地质构造外，应该包括地质科学的各个方面; ‘力学’除了地质力学正在研究的固体力学、弹性力学、塑性力学、地应力场外，还应该包括流体力学、地球动力学，也就是说对 ‘地壳运动而产生的一切现象’、‘发生的内在因素’都应该作理性的认识。因此我们提出的地质系统论和地壳运动整体观研究正是 ‘考察和研究’地质力学的 ‘两条腿’的方法论; 而地质系统整体观则是对‘地球运动而产生的一切现象’‘理性认识’的地球观。

地质系统整体观研究是在李四光学术思想指导下进行的，大体经历了四个阶段:

1. 构造体系研究

构造体系是许多不同形态、不同性质、不同等级和不同序次，但具有成生联系的各项结构要素组成的构造带以及它们之间所夹的岩块或地块组合而成的总体。

2. 地质体系研究

相联系的地质现象组成的整体称为地质体系。如果说构造体系是一定方式地应力作用下的一幅应变图像，那么地质体系则是应力、应变过程中所产生的一切地质现象的总体。

3. 地质系统与地质系统论研究

地壳上各种地质现象都不是孤立的，有成生联系的地质现象往往组成地质系统。地质系统是复杂的系统，包括构造系统、岩浆岩系统、沉积岩系统、变质岩系统、水文系统、成矿系统等。以系统论为指导研究地质系统的联系性、层次性、整体性的理念观点、理论思维和方法，称之为地质系统论。我们认为，随着地质系统论研究的深入，必将进入地质系统科学的研究层次。

4. 地壳运动问题与地壳运动整体观研究

地壳上各种地质现象和相关自然现象都是地壳运动的结果，为了了解它们的成生过程和规律，就必须研究地壳运动问题。地壳运动是个复杂的问题，产生与影响因素很多，有关地壳运动的学说不仅五花八门，而且存在着严重的分歧。我们提出的地壳运动整体观，是将地壳各部分的各种地质构造现象和相关的自然现象看做有联系的整体; 将发动地壳运动的各种动力作为一个互相影响、互相制约的动力系统; 将地壳运动的因果作为一个统一的互馈系统进行研究。地质环境的变化、矿产的形成、自然灾害的产生无一不是地壳运动的结果，因此为了研究它们的规律，指导找矿、减轻自然灾害、保护环境，需要用地质系统论和地壳运动整体观去进行研究。

地质系统整体观是在地质力学及地质系统论和地壳运动整体观研究的基础之上，综合了其他地质科学和相关自然科学的研究成果，在系统论和整体观思想指导下，萌生的一种研究地质现象系统整体规律的思维方法和理念。可以简单地理解为地质现象的出现不是孤立的; 由不同的地质现象组成的各种地质系统的形成与发展是相互联系的; 它们的起源与规律性受地壳运动整体动力系统的控制; 因此解决地质实践问题首先要认识地质系统整体规律。地质系统整体观奠定了在地球系统科学思想指导下，地质力学向地质系统科学发展的基础。

地质现象的特征与成因是极其复杂的，长期以来，许多地质学家从不同的视角进行了卓有见地的研究，从而形成了诸如槽台说、地洼说、镶嵌构造说、断块说、板块说等。这些学说从不同的方面，用不同的观点解释了地质现象或某些地质体和构造形迹的时空分布规律和形成机制，对研究地壳运动问题作出了卓越的贡献。通览这些学说，不难看出，同一种地质体和地质构造形迹往往被不同的学说贯以不同的名称，用不同的观点去认识地质体和地质构造现象的特点，解释它们的成因，似乎在地球动力学方面存在很大的分歧; 但是如果按着各自的建立的地质构造系统从小到大、从局部到整体、从区域到全球进行系统层次分析，最终也可以发现它们的形成与地球自转过程中离心力、惯性力、重力的变化以及地球不同圈层物质的运动、差异性运动以及彼此的相互作用和能量的交换有着密切的相关关系。这些都应该是地质系统整体观研究的内容。

地质系统整体观研究的对象已从地质构造现象扩展到其他地质现象和相关的自然现象，大大超出了地质力学传统的研究领域。地质系统整体观在我们的一些论著中曾称 ‘地球系统整体观’［4］，由于我们的研究对象主要是地球系统的一部分———地质系统，故又狭义的称为地质系统整体观。不过地质系统的形成与地球其他圈层系统的活动有着密切的关系，因此研究的范畴依然涉及地球的气圈、水圈、岩石圈、生物圈及地球的整体运动和变化，故而其含义与广义地球系统整体观是一致的。根据以上的初步理解，作者从 20 世纪 70 年代开始，即对地质系统整体观所涉及的广泛而又复杂问题，一个问题接一个问题的逐步探讨，并且不断地进行阶段性总结。随着研究工作的进展，作者等已经收集了地质系统和地球表层系统的大量资料，完成了若干初级的或基础性的研究，40 年来，已经陆续编著了约 30 部论著和 100 余篇论文 ( 均含合著) ，其中比较重要的 《专著》和论文是:

高庆华、毕子威等，1973 年，《学习地质力学》

高庆华，1980 年，试谈侵入岩的原生构造和岩相分带与构造体系的关系

孙殿卿、高庆华，1980 年，地球自转与全球构造

高庆华，1981 年，试谈地壳运动与地质建造之关系

孙殿卿、高庆华，1982 年 《地质力学与地壳运动》

高庆华，1985 年，《地质系统与隐伏矿产预测》

高庆华，1985 年，构造体系与地质体系———从地质力学地球观看地质力学的发展

高庆华，1985 年，地球自转与地质体系论

高庆华，1986 年，地球运动对海平面变化的控制———从地质系统论的观点分析海平面变化之主因

高庆华，1986 年，板块地质力学与地质系统论探讨

高庆华，1988 年，试论地球运动与地质灾害及自然灾害系统

马宗晋、高庆华，1990 年，李四光教授的系统整体论思想

高庆华，1991 年，太阳活动、地球运动的研究在自然灾害综合预报中的作用

高庆华，1991 年，自然灾害系统论概说

马宗晋、高庆华，1993 年，试论地球系统和地震科学的整体观

高庆华、李志强、聂高众，1995 年，地球自转速度变化对自然灾害韵律活动的控制作用

高庆华、马宗晋、孙殿卿，1995 年，地壳运动整体观论纲

高庆华、马宗晋，1996 年，环境·灾害与地壳运动及人类活动

高庆华，1996 年，自然灾害综合研究的启蒙与地质力学

高庆华，1996 年，《地壳运动问题》

高庆华、张业成、刘惠敏编著，2000 年，《灾害 社会 减灾 发展》———中国百年自然灾害态势与 21 世纪减灾策略分析

高庆华、马宗晋、苏桂武，2001 年，环境·灾害与地学

高文学、蒋洪亮、高庆华、张业成等，2000 年，《地球化学异常———地震预测整体观的探索》

图 3-2 地质系统整体观研究框架

高庆华等，2003 年，《中国 21 世纪初期自然灾害态势分析》

高庆华、苏桂武、张业成、刘惠敏，2003 年，《中国自然灾害与全球变化》

高庆华等，2008 年，《自然灾害系统与减灾系统工程》

高庆华等，2009 年，《地壳运动整体观在自然灾害综合研究中的应用》

通过 40 年的研究，基本形成了地质系统整体观研究框架( 图 3-2) ，即从构造形迹、建造、改造、海水进退、气候变化、生物迁移、自然灾害等现象调查研究入手，一方面逐级归纳，寻找地质系统和地质体系的组成和规律; 另一方面通过综合研究，追索造成这些现象的起因和地壳运动问题; 然后，以认识到的地质系统整体观理论去指导实践应用，并为研究地球系统科学提供基础。……”

地质系统整体观曾称地球系统整体观，由于它的研究对象主要是地质系统，故又狭义的称为地质系统整体观。不过地质系统的形成与地球其他圈层的活动有着密切的关系，因此研究的范畴依然涉及地球的气圈、水圈、岩石圈、生物圈及地球的整体运动和变化，故而其含义与广义地球系统整体观是一致的。