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科学松鼠会

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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北京地面沉降——人与自然谁在主推?   

2012-09-03 15:01:51|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:溯鹰

城市,是人类最具象化的文明表现形式。一座城市的文化与底蕴,只有经历时光的磨砺才能愈显厚重。文化意义上的“厚重”,自然是城市们趋之若鹜的选项,可当它回归字面意义时,“厚重”,便瞬间成了任何城市都不愿面对的一大难题。

地面沉降——便是这字面意义上“厚重”的同义词。地面沉降给一座现代化城市所带来的影响可谓巨大。一方面,它潜在地影响着市政基础设施的功用,为建筑、轨道交通及供排水等系统埋下巨大的隐患;另一方面,它更能通过地裂缝、地表塌陷等突发形式直接危害市民的出行安全,从而在保障公民的安居乐业——这一城市的终极责任上,投上一朵乌云。

北京是我国地面沉降较为严重的城市之一。虽然北京作为中国城市系统中执牛耳者,享受着最为现代化的发展轨迹,但同时,地面沉降对北京的种种影响和制约,也让防治沉降摆上了市政发展的议事日程。据1935年北京地面沉降问题首次发现至今,地面沉降随着京城的发展而日趋严重。据统计,在1935至1952年间,17年内的最大累积沉降量仅有58mm,而到了2009年,一年之内的最大沉降量便可达137.51mm,换句话说,每过一年,身在北京的你,脚踏的地面或许便已经矮了十几公分。

【繁荣发展的北京示意图。这座现代化的古都,却在地面沉降的问题上遭受着来自自然的先天性影响。图片来源:http://cnreviews.com/life/travel-tourism/beijing-accent-pollution-subway_20091217.html】

北京地面沉降程度与其发展规模之间在数值上显得如此“息息相关”,让人们不禁把目光投向自身的生产生活。一直以来,地下水开采量的剧增,被认为是导致北京地面沉降增幅的主要原因。这诚然在很大程度上道出了北京地面沉降的直接诱发机制,然而,再发达的城市也不可能是与自然完全隔绝的孤立体,:如果人们不开采地下水、不建筑密密麻麻的楼盘、甚至完全不在这片土地上开发城市,它就不沉降了吗?在关注人类自身行为的同时,也同样不要忽视了现象背后另一只“看不见的手”——自然的“第一推力”。

揭示北京地面沉降中大自然的幕后推力,便是揭示北京地质发育史的过程。

自然——第一推力

燕赵古都——北京,是一个发祥在冲积扇上的城市。而这冲积扇“地基”的历史,更足以回溯到距今约1亿多年的中生代。当时,在宏伟的燕山运动下,燕山拔地而起,塑造出今日 “西部山区、东部低地”的华北地貌格架。到了新生代,燕山上持续的降水,又孕育出永定河、潮白河等众多水系。这些水系携带着燕山的冲积物滚滚而下,在华北塑造出永定河冲积扇、潮白河冲积扇等数个冲积扇。母亲河们在时光中绵延滔滔,由之形成的冲积扇也在千百万年时空中扩大、成长。相互叠积、覆盖;并在最终,由叠加的冲积扇体系演化为了广袤一体的冲积平原——这,便是今日的北京平原了。

【冲积扇的典型结构示意图。图片来源:http://www.taylordimage.com/technical.html】

今日北京的地面沉降问题,实际只是悠久的平原发育史中一个响在当代的音符罢了。换个说法可能更明白易懂:我们都知道河流一直不断地从山上往下搬运砂石,那为什么地面并没有因它们的持续堆积而升高呢?千百万年以来,燕山还是那个燕山,华北平原,还是那个华北平原。我们从来没见过北京被堆成另一个黄土高坡。

千万年来,维持华北平原“西高东低”的关键因素之一,便在于华北平原地面的不断沉降。平原,在大地构造上属于“稳定区域”。地质演化过程中的稳定,并不是指上下之间固然不动,而是指地区在长期具有缓慢沉降的特征。据地质学家统计,永定河冲积扇自358万年前形成以来,沉积物质已达340余米厚。在当代的凹陷中心如马池口、后沙峪等,沉积物更可厚达597m至1000m。几百米厚的砂石都堆在这里,而华北平原的海拔却一直没有直接飚上去,为什么?就是因为地表的沉降,使得这些沉积物得以一点点地往下挪。

为何沉降?泥土埋藏真相

正是这区域沉降的大地构造趋势,成为了现代北京地面沉降的先天背景。超量开采地下水所引起的隐患,是这“时代背景”下由人类触发的导火索 ——在冲积扇形成过程中,随着水流输出山口,其流力会迅速衰减。而冲积扇(扇中-扇缘)的主体物质中往往是细小松软的泥沙。流力衰减的水系便渗入到这些沙泥的孔隙中去,成为地下水。可想而知,在冲积扇里,有多少水分是虚虚地赋存在泥沙中的。

泥沙,主要由粘土矿物以及微米级造岩矿物颗粒组成。松软的特质导致它们极易被压缩。当你举起一捧华北平原上松软的泥土,和你握住一块硬邦邦的敦实页岩,两者的本质实际上是一样的。泥岩/页岩,便是泥土被彻底压实后的最终产物。这种完全质变的压缩中,被压掉的是什么呢?便是孔隙中赋存的水。

【松散的泥土,在脱水压实之后,能够大规模缩减体积,完成向泥岩的质变。图片来源:http://www.earthsciences.hku.hk/shmuseum/earth_mat_2_1.php】

那么,从泥土向泥岩的转化中,体积究竟缩小多少呢?数据可以很好地说明这个问题:正常的泥土中,水分的含量可达70-80%乃至更高,而页岩的平均含水量(注:此处指自由水而非粘土矿物的晶格水)却往往只有10%乃至更低。地质学中用孔隙度 [Porosity,φ=(孔隙体积/岩石总体积)*100% ] 的概念来量化岩石中富水的程度。在泥土脱水压实形成泥岩的过程中,由于孔隙度的锐减,体积会变为原来的1/7,甚至1/8,整整被压缩了七八倍!

在本来的自然条件下,地表堆积物的重力,已经扮演起天然压缩机的功效了。地下软弱的泥土在地表物质的的重力作用下被压缩,沉积区的地表沉降,也就一直而缓慢地发生着。这是自然给我们的大前提,沉降不仅必然存在,更不可违背。

把自然的帐结了之后,再来说说人类自己的问题。

与城市地面沉降有关的人类直接因素可谓很多,如市政施工中土方回填不足,甚至地下工程的直接垮塌等,但这些因素却基本与区域沉降的大地质背景无关。真正将区域沉降的背景故事做了一场“夸张演绎”的,便是人类生产生活对地下水的过量开采了——实际上,在我们不动声色地讲“城市往事”的时候,坚决不能忽略了这样一个事实:区域沉降在地史中演绎的时间尺度,其实是一个动辄万年的漫长过程。而城市发展日新月异,对地下水的大量需要导致了短时间内严重超量的开采,这无疑相当于在火上浇了一把油,大大地缩短了这个必然事件的时间跨度。北京地区属于严重缺水地区,但人口又偏偏稠密。自1999年以来,年均降水量仅为457mm。缺水的现状,使得向天要水天不给的人们,只能将目光转向地下。第四纪这些“入土未干”的冲积物,便成了滋养京城人口的水源。于是,本应在千万年时间内慢慢完成的沉降过程,便被人工抽取在短时间内代替。可想而知,既然干涉如斯,地球的回馈也就自然不会再慢慢以万千年代来计时了,于是,突变降临城市,地陷改变朝夕。

俗话有讲,尽人事,听天命。我们当然不能把皮球一脚踢给自然,让自己在环境问题上安然免责;但我们也同样不能一股脑钻到自身的牛角尖里,而忽略了自然机制这个先决性背景。无论城市也好,更大的文化范畴也罢,一个健康的文明系统都理应是开放而负责的。向外保持对自然的了解,力求实现人与自然的良性交互———同时———又能够积极地通过体制建设来完成文明内部的发展自约和规模管理。我想,这才是身为地球智慧之子的我们,在延续、繁衍和共生——这些文明Vs.自然的终极命题下,理应给出的符合身份的方案。

参考文献

蔡向民等,北京平原地质系统,《城市地质》。2009,第4卷第3期

杨艳等,北京平原区地面沉降现状及发展趋势分析,《上海地质》。2010第31卷第4期

关于

感谢田小森、游识猷对初稿提出的宝贵意见。

本文已独家刊发于《新商务周刊》

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