地球物理學研究

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1、地球物理學研究 【內容提要】城市是現(xiàn)代社會政治、經(jīng)濟和生活的重心，隨著世界經(jīng)濟一體化的進一步加劇，國內外城市化的進程迅速發(fā)展。我國在面臨WTO挑戰(zhàn)的同時，必將面對我國城市機體迅速擴大所產(chǎn)生的各類與地學研究有關的問題。城市地球物理學在這樣的背景下應運而生。主要論述城市地球物理學這一新興學科的發(fā)生與發(fā)展、城市地球物理學重要的社會價值、關鍵的科學問題、主要的研究方法、當前的研究內容以及與城市地球物理學發(fā)展有關的問題，希望得到社會各界和有關部門的關注。 1國內外城市化進程發(fā)展狀況 當前，城市的快速發(fā)展已成為全球的共同趨勢。聯(lián)合國的統(tǒng)計資料【1】表明，人口城市化的趨勢在不斷地加速發(fā)展。圖1表示了這

2、種發(fā)展趨勢。從圖1可以看出，1950年的世界人口約為25億，其中僅有30%的人口生活在城市。到20世紀末，城市人口大幅度增加，已經(jīng)達到世界人口的50%。根據(jù)圖1所示數(shù)據(jù)，預計到2025年，城市人口將占據(jù)世界人口的60%。城市數(shù)量和城市人口的迅速增長對人居環(huán)境提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。表1給出了世界上人口在100萬以上的城市數(shù)量的增長【1】。從1950-1995年期間，全世界擁有百萬人口以上的城市數(shù)目由83個增加到325個，說明95年城市數(shù)量是50年的3.9倍，這種趨勢在第三世界國家尤為明顯，同一時期城市的數(shù)目增加了6.3倍。 表11950-1995年間人口在百萬以上的城市數(shù)目 Table1City

3、numbersofpopulationbeyondonemillionbetween1950to1995 年代195019951995:1950 第三世界城市數(shù)342136.3 發(fā)達國家城市數(shù)491122.3 全世界城市數(shù)833253.9 我國的城市化進程與世界同步，近年來呈現(xiàn)出高速發(fā)展的趨勢。圖2給出了我國城市數(shù)量增加的數(shù)據(jù)【2】。 2城市化促進自然科學新領域的產(chǎn)生與發(fā)展 我們首先以傳統(tǒng)的地理學為例。近幾十年來，尤其是第二次世界大戰(zhàn)以后城市地理研究發(fā)展迅速，內容和影響都超過了傳統(tǒng)地理學，成為人文地理學的一門重要分支學科。對城市進行地理學研究始于19世紀。第二次世界大戰(zhàn)以后，許多

4、國家的城市需要重建，世界范圍內的城市化進程加速，這些都要求對城市進行全面的研究和規(guī)劃，促使大批地理學家投入城市研究或城市規(guī)劃工作。新興的城市地理學的核心問題是研究區(qū)域的空間組織與城市內部的空間組織兩種地域系統(tǒng)的關系。圍繞這兩種地域系統(tǒng)，具體的研究內容有：城市化研究、城市分類研究、城市體系研究、城市群和大城市集群區(qū)研究、城市綜合地理研究等。城市地理學在城市化進程中逐漸形成了獨特的研究方法：早期數(shù)量方法、系統(tǒng)分析方法、城市信息系統(tǒng)方法、空間抽樣調查方法等。此外，地圖是地理研究的傳統(tǒng)工具。航空像片和衛(wèi)星像片在城市地理研究中表現(xiàn)出重要作用，是研究城市時空變化關系的基礎數(shù)據(jù)。 附圖 圖1全世界城市化

5、城市人口百分比【1】 Fig.1Percentageofurbanpopulationamongthetotalpopulationinworldcities 附圖 圖2中國城市數(shù)目隨時間的變化【2】 Fig.2NumberofcitiesinChina 以典型的工程科學——建筑學為例，隨著城市化現(xiàn)象的迅速推進，建筑學向廣度和深度發(fā)展。孤立地、狹隘地研究建筑現(xiàn)象已經(jīng)說明不了問題，滿足不了需要。客觀實際已經(jīng)按照系統(tǒng)工程的規(guī)律伸展了它固有的領域。城市及其區(qū)域已經(jīng)逐步形成了一個開放的復雜的巨系統(tǒng)。城市化對建筑科學的影響，使得系統(tǒng)的思想進入到傳統(tǒng)的建筑科學，進一步突出了新的建筑科學的關系——

6、人與環(huán)境的關系【3】。錢學森考慮到中國傳統(tǒng)的文化藝術和自然特色等種種因素，形象地提出了山水城市的理念，這一思想對建筑科學的發(fā)展，具有深遠的意義。 以地球物理學為例，城市化問題使得傳統(tǒng)地球物理學的研究方法、研究對象和研究內容面臨新的機遇和挑戰(zhàn)。20世紀初，地震波證實了地球鐵核的存在，證明了2900km深度存在地核與地幔的邊界。30年代，地球物理方法發(fā)現(xiàn)了地球內核的存在，在此基礎上，科學家提出了地球內部分層模型。20世紀中期，各種地球物理勘探方法初步形成。40～50年代，地球物理學的主要研究對象是勘探固體礦產(chǎn)資源，60～70年代在此基礎上增加了石油和天然氣，80～90年代又增加了水資源。隨著工業(yè)

7、化進程的加快，環(huán)境問題也日益成為地球物理學的研究對象?？偠灾?0世紀地球物理學的研究對象是以自然資源為主。20世紀末的全球性城市化發(fā)展趨勢，使21世紀的地球物理學不可避免地要面對諸多的城市問題。80年代以來，由于地球科學各分支學科的日益成熟和全球環(huán)境問題的日益突出，人們認識到地球各圈層相互作用以及人類活動的重要性，地球科學的發(fā)展開始進入地球系統(tǒng)科學的新時代。城市地球物理學的發(fā)展在這樣的時代背景下產(chǎn)生。城市地球物理學是一個全新的概念，是地球科學國際研究前沿的新興學科。傳統(tǒng)地球物理學的主要研究對象是自然現(xiàn)象，而城市地球物理學則主要研究自然現(xiàn)象與人類活動的相互作用。因此，在城市地球物理學研究中，

8、除了自然科學問題之外，還應強調科學與社會的結合、各相關學科的綜合及與各社會部門的協(xié)調。圖3表示了城市地球物理學與環(huán)境科學和地理學之間的關系，這三者既有各自獨特的研究領域，又有密切相關的交叉研究內容。 附圖 圖3城市地球物理學、環(huán)境科學、地理學之間的關系 Fig.3Relationshipamongurbangeophysics,environmentalsciencesandgeography 3城市地球物理研究的社會需求 (1)城市建設?？茖W家們預計21世紀的城市在向高空發(fā)展的同時，也將向地下索取空間，建設深層地下都市已經(jīng)在科學家構想之中。20世紀平面式的城市功能在21世紀將從地下

9、、地上兩個方面重新進行立體配置。在一系列城市建設活動中，迫切需求地學界利用地球物理的觀測和預測方法對城市地下空間的結構給出定量的描述，為城市規(guī)劃積累基礎數(shù)據(jù)。 (2)城市災害。人類大規(guī)模的經(jīng)濟—工程活動對環(huán)境的影響，已經(jīng)達到了與自然地質作用相提并論的程度，而且發(fā)展速度快、影響范圍大。各種災害無情地破壞著人類的居住空間，給人類的生存造成威脅。這些災害發(fā)生在地學研究的領域，迫切需求地學界利用地球物理的觀測和預測方法對各種起因的城市地質災害和對環(huán)境的破壞進行詳細的調查。 (3)城市地下污染。原生環(huán)境的缺陷以及由人為因素造成的地下環(huán)境污染，在地下水的作用下，對生態(tài)與工業(yè)構成極大的危害，迫切需求地學

10、界利用地球物理的觀測和預測方法調查地下水的分布，為制定防治規(guī)劃提供基礎數(shù)據(jù)。 4城市地球物理研究的主要科學問題及其研究方法 城市地球物理學作為一門新興學科，其主要特點是學科的交叉性及其社會服務性，城市地球物理不僅與地學界的其他學科有廣泛的交叉性，而且與地學界以外的諸如人文類、社科類學科也有不可缺少的交叉內容。城市地球物理研究的最終任務是服務于社會，科學研究的核心問題是人與自然的關系問題。具體解釋為： (1)城市近地表結構與地質災害的相互作用關系。天然與人為的地質災害對城市構成極大的危害。這些災害改變和破壞近地表地質結構，近地表地質結構從客觀上阻止或促成地質災害的發(fā)生。二者之間的相互作用關

11、系是科學研究的問題之一。 (2)城市近地表結構與地下基礎設施和地下建筑的相互作用關系。地下基礎設施是城市的命脈，地下基礎設施的科學規(guī)劃以及地下建筑計劃需要對近地表結構的觀測與評價，大型地下建筑有可能改變城市地下應力場的平衡，二者之間的相互作用關系在未來城市發(fā)展中為地學研究提供了一個新的研究空間。 (3)城市近地表結構與地下環(huán)境污染的相互作用關系。地下環(huán)境污染破壞生態(tài)環(huán)境、危害人類健康，地下環(huán)境污染直接受控于地下水的分布，同時受控于近地表地質結構。對地下水的分布及其浸染走向的研究是防止和治理地下環(huán)境污染的重要依據(jù)。 城市地球物理學研究方法主要依靠觀測技術、數(shù)據(jù)處理技術以及綜合評價系統(tǒng)。觀測

12、是地球物理學研究得天獨厚的手段，數(shù)字地震臺陣、地球信息系統(tǒng)、INSAR計劃、淺層地球物理觀測在地學研究領域發(fā)揮了重要的作用。地球物理觀測數(shù)據(jù)起到了透視地下的作用，是實現(xiàn)地下結構定量化與可視化研究的基本條件。針對城市問題的地球物理觀測，需要在提高儀器動態(tài)范圍的基礎上獲得高分辨率的數(shù)據(jù)，需要研究城市特定環(huán)境下的觀測方式。認識淺層介質的復雜性以及地球物理數(shù)據(jù)的特殊性是研究城市各類問題數(shù)據(jù)處理方法的出發(fā)點。數(shù)據(jù)處理方法研究應該從基礎研究出發(fā)，研究地震波場、電磁場、重力場分布規(guī)律以獲得清晰的三維地下圖像。保證足夠的信息量是對城市問題做出準確評價與預測的基礎，綜合性研究在評價和預測中至關重要。地球物理學中

13、各類方法的優(yōu)化與組合以及與地學研究領域中其他學科的交叉，包括與非地學研究領域相關學科的交叉是開展城市地球物理評價與預測研究的主要方向。 5城市地球物理現(xiàn)階段主要研究內容 (1)城市條件下地球物理觀測方法研究。城市條件下的地球物理觀測比常規(guī)野外條件下的觀測表現(xiàn)出更多的復雜性。需要在已知的典型地下結構的條件下進行足夠多的觀測方法實驗，針對“源”的問題，研究電磁波與彈性波的聚束發(fā)射，研究綜合方法的同時觀測技術以及時移觀測技術，并根據(jù)已知條件進行數(shù)值模擬計算，對比觀測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的差別，分別城市條件下觀測噪聲與干擾的特殊性，發(fā)現(xiàn)規(guī)律性，為實際的工業(yè)性調查提供指導性方案。 (2)城市介質地球物理

14、正演算法研究。城市地下介質除受到地質構造運動外，更多地受到人為因素的改造，演變成為難以保存其原生地質痕跡的、極其復雜的地下介質。其地球物理響應與以往的地球物理觀測必將表現(xiàn)出極大的差異。因此，必須以城市地下條件的特殊性為介質模型，研究地球物理正演計算方法，認識城市介質條件下觀測數(shù)據(jù)的基本性質和形成規(guī)律。 (3)城市地球物理數(shù)據(jù)處理方法研究。城市地球物理需要采用非常規(guī)觀測方式，其觀測數(shù)據(jù)包含了大量意想不到的噪聲。認識噪聲的特征和有效地消除噪聲，保護觀測數(shù)據(jù)的分辨率是數(shù)據(jù)處理的關鍵問題。針對時移觀測數(shù)據(jù)研究四維數(shù)據(jù)處理方法。在信號分析與數(shù)字處理方法研究中，需要充分吸收現(xiàn)代數(shù)字信號技術，開展適用于城

15、市特定問題的處理方法研究，為綜合評價提供準確數(shù)據(jù)。 (4)城市介質三維可視化研究。城市地下介質覆蓋在水泥路面、綠地和建筑物之下。傳統(tǒng)的鉆井或探槽式觀察方法在現(xiàn)代化城市中即落后又不適用。這項研究通過對觀測數(shù)據(jù)的有效反演對城市地下介質實現(xiàn)三維空間可視化描述，提供三維精細成像結果。對典型問題開展有針對性的反演算法研究，為三維精細成像和可視化描述以及綜合評價提供有效資料。 6城市地球物理研究需要社會關注 城市地球物理研究如何落實與如何發(fā)展是一個非常重要的問題。大專院校和研究機構應該進行必要的學科調整，實現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢互補，應該積極參與城市地球物理研究相關工程項目，在學科之間進行經(jīng)常性交流。工業(yè)

16、、商業(yè)與企業(yè)部門應該面向用戶，以市場為導向，為城市地球物理技術的研究提供場所和經(jīng)濟支撐，同時有必要參與各種研究活動，各學術團體應該相互配合，設立城市地球物理專業(yè)委員會，在學術刊物上開辟專欄廣泛宣傳城市地球物理研究的科研成果，各專業(yè)學會之間也應進行廣泛交流。政府部門應該做出具體計劃，以便各職能管理部門統(tǒng)籌安排，實現(xiàn)資源的合理分配與協(xié)調，要選擇典型城市和典型項目作為依托，開展研究工作，在基礎研究方面需要得到自然科學基金和國家相關部門的支持。 應該充分估計到地球物理各種方法在目前技術條件下的難點，要通過研究地球物理新方法、新技術提出新的認識、加強科技創(chuàng)新尤其是原始性創(chuàng)新。要集中精力利用地球物理數(shù)據(jù)

17、編制城市地下三維結構的圖像，當前城市地球物理研究的主題是“城市三維地圖(3-DImagingofUrbanUnderground)”（注：國家自然科學基金委員會.中國內地—香港城市地球物理戰(zhàn)略研討會，香港大學.2001.）。 7城市地球物理研究的技術支撐條件 近20年來，地理信息系統(tǒng)技術的出現(xiàn)，乃至空間數(shù)據(jù)基礎的建設和“數(shù)字地球”戰(zhàn)略的提出，使得獲取地球信息的手段達到了前所未有的高度，不僅使全球的制圖和動態(tài)性制圖成為可能，而且在環(huán)境監(jiān)測、災害預警預報、區(qū)域與城市規(guī)劃等方面也發(fā)揮著極為重要的作用。21世紀將廣泛采用高分辨率的觀測系統(tǒng)（地面、海洋和空間對地觀測）、高靈敏度和高準確度的分析測試系

18、統(tǒng)（包括微粒、微量、納米級和超微量）、不同條件下的實驗模擬系統(tǒng)、建立在動力學及高性能計算基礎上的數(shù)值模似以及數(shù)字化的地球信息系統(tǒng)，此外，現(xiàn)代化的觀測技術與設施也將成為開展城市地球物理研究必要的支撐條件。 圈層相互作用研究是地球科學20世紀90年代以來的全新發(fā)展方向，方興未艾。這些研究將導致交叉學科、綜合學科的興起與發(fā)展，形成整體性的地球系統(tǒng)科學。地球及其各圈層是一個整體。一些地球科學問題固然有區(qū)域性的一面，但這種區(qū)域性是寓于全球性之中的。在一定意義上，只有更好地了解全球才能更好地了解區(qū)域。同時，區(qū)域也是全球的窗口，區(qū)域性是通向全球性的大門。地球科學方面的“全球變化及其區(qū)域響應”研究計劃，則為

19、城市問題的研究提供了廣泛的科學基礎。 8結語 地球不僅在自然力作用下發(fā)生變化，而且人類活動作為地球上有關過程的一種作用力將進一步得到深入研究。21世紀將從人—地關系的角度審視環(huán)境的變化，為人類社會與自然環(huán)境的協(xié)調發(fā)展提供科學理論基礎，使人居環(huán)境得到最大限度地改善，同時又要保持地球的“健康”演化。在新千年和新世紀來臨之際，地學界應該重新考慮地學發(fā)展的方向和重點，使地學研究在人類社會發(fā)展中體現(xiàn)出自身的價值。在新世紀，地學在應用研究領域所面臨的主要任務是合理地利用地球資源，幫助工業(yè)界解決難題，改善地球的可居住性。為此，作為地學領域主要學科之一的地球物理學應該做出應有的貢獻。 收稿日期：2002

20、-01-08；修回日期：2002-05-23． 【參考文獻】 【1】UnitedNations.WorldDemographicEstimatesandProjections(1950-2025).NewYork:PressofUnitedNations,1990. 【2】NationalStatiticsBureauofChina.50Yearsofcitydreams.ChinaDaily,NationalDaySpecial:50thAnniversary,1999-10-01(1).［國家統(tǒng)計局.50年的城市夢.中國日報國慶50周年?？?999-10-01(1).］ 【3】ZhouGanzhi.Urbanarea-atypicalopencomplicatedmacrosystem.In:SongJian,ed.ProceedingofworkgrouponQianXuesensContributionandAcademicIdeas.Beijing:ChinaScienceandTechnologyPress,2001.［周干峙.城市及其地區(qū)——一個典型的開放的復雜巨系統(tǒng).見：宋健主編.錢學森的科學貢獻暨學術思想研討會論文集.北京：中國科學技術出版社，2001.］