人类与地质环境关系的演变
文明史之前的时期
在这一时期，人类从被动依附地质环境转向主动求助地质环境，有目的、有意识地从周围地质环境中选取合适的矿物材料作为制作工具的原料。历史学家根据当时人们开发利用的主要矿物种类，将前文明时期划分为旧石器时代、新石器时代、青铜时代和铁器时代。
矿产资源的开发利用对人类社会文明的发展起到了巨大的、不可替代的作用。旧石器时代，人们将石头制成生产工具，以维持采集和狩猎的原始生活。中国考古学家发现，人类最早使用的矿物主要是石头、应时和燧石[29]。例如，脉冲应时是一种原料，在周口店附近有丰富的来源。在长期的实践中，北京人发明了粉碎法，将脉冲应时制成石制品，使得这种劣质原料的制品成为石制品的主要成分[30]。大约在公元前3500年，古代美索不达米亚已经学会用晒干的粘土砖建造永久性的房屋。在新石器时代，石头矿物的使用更加广泛，除了石刀和石箭外，还有石斧、石镰和石犁。同时，人们开发利用粘土、泥土等非金属矿物为原料烧制陶器，开发利用各种矿物为原料制作玉器、首饰、绘画等。后来发现铜在熔炼后加入一点锡，硬度大大增强，开始向青铜过渡。人们最早使用的金属有铜、铅、锡、锌，逐渐达到繁荣，之后过渡到铁器时代[31]。事实上，铁在很多方面都不如青铜。铁器的普及和应用，很大程度上是因为青铜器原材料的缺乏。出于经济原因，铁矿石可能是其他金属矿的最早替代品。虽然一些矿产资源缺乏或枯竭，但当时的决策者并没有意识到资源短缺对社会经济发展的影响。
大约在六七千年前，人们开始开发利用地下水。考古学家在浙江余姚河姆渡原始社会遗址发现了中国最早的水井。这口井可能是天然的或人工挖掘的锅底水坑。为了防止井壁坍塌，在坑内打入四排桩，形成方形桩木墙，把墙内的土挖出来建井[32]。原始社会末期，人们已经钻了六七米深、两米直径的家用井。随着水井的大量开凿，人们对地下水的性质有了新的认识。“管”记录的是地下水的埋深、地下水水质和相应的表层土壤情况。用泉水灌溉也属于地下水利用的一个方面。在《水经注》中，很多地方都提到古代用泉水灌溉，比如在山西汾阴(今山西省万荣县西)，用水种植水稻。
虽然在矿产、地下水和土壤的开发利用方面取得了缓慢的进展，但人类仍然任由大自然摆布，对地震、滑坡、泥石流等突发地质灾害也无能为力。对于自然灾害，人们认为是上天在惩罚人类，这就产生了天命观[33]。如果人们想要避免自然灾害，他们只能祈求宽恕。
从以上论述可以看出，这一时期人类与地质环境的关系主要表现为人类对地质环境资源的单纯要求。
(二)农业文明时期
从原始社会末期到现代资本主义萌芽，人类经历了漫长的农业文明时期。这一时期，人类在向地质环境索取更多生活和生产资料的同时，积极适应地质环境，用缓慢进步的技术对其进行改造。随着人口的增加和技术的进步，人们改造地质环境的能力超过了一个局部地区地质环境的承载能力，导致了当时难以解决的地质环境问题。
越来越多的矿物被不同程度地开采和利用。中国秦汉时期，盐、铁、铜、金、银、铅、锡、汞等矿产的开采进入繁荣期。魏晋时期，煤已被用作生活燃料，战争中人们也学会了用油作燃料进行火攻。隋唐时期，盐业和铜矿业蓬勃发展。到了宋代，煤已经成为人们日常生活和手工业中的常用燃料。山西很多人以采煤为生，采煤有一套比较完整的技术。从鹤壁古煤矿遗址我们知道，当时从地面挖了一个圆形竖井，井深46m，然后根据地下天然煤层的变化挖巷道。巷道高1m以上，形窄底宽，上宽1m，下宽1.4m，然后将待开采的煤田凿成若干小块，采用“跳格式”的方法，由内而外逐步后退。井下排水一方面用卷扬机把水抽出来，另一方面把地下水引入已经采煤储存的坑洞。在古代英格兰早期，砍伐森林主要是为了获取所需的燃料。然而，随着森林资源的大规模砍伐和木材供应的短缺，人们开始开发煤炭来代替木材。1300年，纽卡斯尔和英格兰东北部的采煤业已经达到一定规模，人们用船将开采出来的煤运到伦敦供居民使用。到1600年，煤的使用相当普遍。到1700年工业革命前夕，英国煤炭产量达到300万t [34]。
原始社会末期，人们开始开发利用一种新的资源，并很快取代矿物成为最重要的地质资源，这就是土壤。土壤的开发和利用标志着农业的出现。农业的出现是人类发展史上的一次重要革命。随着农业的发展，越来越多的土地留下了人类耕作的痕迹，人类对地质环境的作用也随着农田的扩大而在空间上不断扩大和延伸。农业的发展促进了人口增长和经济发展。由于人口的增加，大面积适宜耕种或不适宜耕种的土地被开垦成农田，原有的森林、草原、湖泊、平原被农田景观所取代。农业是直接依赖于地质环境的生产部门。无限制的土壤开发带来了意想不到的地质环境问题。古代美索不达米亚的土壤开发就是一个典型的例子。美索不达米亚位于幼发拉底河和底格里斯河之间的冲积平原，地势平坦，土地肥沃，但气候干燥，土壤渗透性差。为了获得足够的水，苏美尔人挖掘运河和沟渠，用底格里斯河和幼发拉底河的水灌溉农田，农业发展取得了空前的成功。根据吉尔-苏的文献记载，公元前2400年，平均谷物产量高达每公顷2537L。但长期灌溉不排水，过度灌溉，导致当地地下水位持续上升。在蒸发的作用下，地下水中的盐分在土壤中积累，导致了土壤的次生盐渍化，原有肥沃的土地逐渐退化。粮食产量不断下降，公元前2100年达到每公顷1460L，公元前1700年达到每公顷897 l[35]。同时，被吸引过来的河流携带着大量的泥沙，源源不断地沉积在沟渠附近的农田里。在破坏农田的同时，形成了多堤多沼泽的地貌特征，对人类的生活和生产造成了极大的影响。考古学家称，中国楼兰古国位于塔里木河下游的一片绿洲上。由于汉政府采取屯垦西域的策略，塔里木河中上游的农业开发规模日益扩大，用水量日益增加，破坏了下游楼兰的水资源条件，造成绿洲地质环境恶化，土壤沙化日益严重。原本水草茂盛、水网交织、森林茂密的绿洲，最终退化为不适宜人类居住的地质环境，楼兰古国也沦陷了[36]。鉴于大规模的毁林开荒，1666年，日本幕府意识到水土流失、河道淤积、洪水泛滥等灾害的危害，告诫人们，鼓励植树造林，节约土地[37]。
随着古代人口的增长和城邦的发展，不同城市之间的货物贸易促进了交通道路的修建。公元前600年左右，古埃及人开凿了第一条连接地中海和红海的运河。渠宽60m，深13m，长160Km，大量开挖土沿渠堆积。在400年的时间里，古罗马人用淤泥、砾石和岩石铺设了30万公里的道路。大约公元前100年，石灰石作为一种建筑材料被广泛用于燃烧混凝土[38]。
(3)在工业革命期间
18世纪中叶，以蒸汽机的发明为标志，人类社会进入了工业革命时期。这一时期人类与地质环境的关系主要表现为经济活动对地质环境的大规模扰动、改造和污染。科学技术日新月异，人类征服自然的能力空前提高，矿产、地下水、土地(土壤)资源开发规模日益扩大；农业生产、交通和水利设施建设、矿冶工程、城市化等经济活动加大了地质环境强度；矿山环境问题、水土流失、地面沉降、土壤污染等地质环境问题。已逐渐出现并恶化，对人类生活和生产构成日益严重的威胁；人们保护地质环境的意识慢慢觉醒，工业化国家开始制定相应的法律法规来约束人们的经济活动。
工业革命极大地促进了煤炭、铁矿石等矿产资源的开发利用，矿产对经济社会的重要性再次超过了土壤。1795年，威廉·威尔金森发明了熔炼铁矿石的熔铁炉；1815年，汉弗莱·戴维发明了防止煤矿瓦斯爆炸的安全灯；1856年，亨利·贝塞麦发明了底吹制酸工艺技术。随着一系列技术的发明，人们开发利用矿产资源的能力不断提高。根据弗林的估计，从1750到1830，英国煤炭产量从520万吨增加到3040万吨，80年增长了约6倍[39]；生铁产量从1740年的17400 t增加到1880年的7749200 t [40]，增加了约445倍。美国工业革命伴随着矿产资源的大规模开发。据统计，美国煤炭产量经历了两次快速增长期:第一次是1867 ~ 1918，煤炭产量从0.13亿t快速增长到614万t，再到1918 ~ 650。第二次是1965 ~ 1998，煤炭产量从4.73亿t快速增长到1014亿t(图1-13)。同时，随着经济规模的扩大，金属矿产产量不断增加(图1-14)。由于矿产资源开发利用引发的地质环境问题在时间上往往具有滞后效应，当人们意识到地质环境问题的危害时，可能已经吃过惨痛的教训。英国的拉纳克郡、希克顿、诺斯威奇等矿区相继发生地面沉降。据夏洛克估计，到20世纪初，英国因采矿引起的地面沉降相当于从地表挖走591亿立方码的岩石[42]。1971年，由于露天开采疏忽，美国西弗吉尼亚州南部一煤矿因暴雨导致煤泥水池决口，洪水造成118人死亡，4000人无家可归。
图1-13美国煤炭产量变化示意图(1867 ~ 1990)[41]
图1-14美国典型金属及矿产品产量变化示意图(1867 ~ 1990)
农业和城市发展对地下水的需求日益增加。1900以前，美国主要通过自流井开采地下水。随着各州自流井数量的增加，自流井的承压水量在下降。到20世纪30年代，托尔曼发现了地下水开采引起的海水入侵和地面沉降。含水层枯竭、地下水污染、海水入侵、地面沉降等问题相继出现，使人们意识到地下水的开发需要合理规划和科学管理。
随着交通运输、矿产开采、城市化和农业发展等工程经济活动规模的日益扩大，人类活动逐渐成为作用于地质环境的主要地质力量。在火车发明之前，英国主要依靠水运来运输矿物和货物。为了扩大运输范围，英国于1731年开始开凿运河。从第一条纽瑞运河到最后一条利物浦运河的完工，历时近一个世纪。据统计，截至19年底，英国通过运河挖掘了约2.53亿立方码的岩土，通过铁路移动了约30310亿立方码的岩土，通过公路移动了约6.24亿立方码的岩土，通过采矿移动了约19692亿立方码的岩土，通过房屋移动了约5亿立方码的岩土。由于农业开垦、矿产开采和城市化，欧洲森林面积从2.3亿hm2减少到1770 ~ 1980年的212万hm2，减少了7.8%。草地面积从1.9亿hm2减少到1.3亿hm2，减少了27.4%。耕地面积从6700万hm2增加到65438±3700万hm2，增加了65438±004.5%。全球范围内，1770 ~ 1980的森林面积从6215万hm2减少到5053万hm2，减少了18.7%。耕地面积从2.65亿hm2增加到15.05438+0hm2，增加了466.4%。城镇化水平从3%提高到41%，城镇人口达到18.1亿人[43]。可见，在越来越多的地区，人们对地质环境的扰动超过了自然力的作用。
(四)信息革命时期
20世纪末，知识和信息革命给人类社会带来了前所未有的冲击。在发展中国家加速工业化的同时，发达国家已经进入知识经济时代。这一时期，人类与地质环境的关系主要表现为开发与保护并重，从无节制的大规模扰动、改造和污染模式转向人地和谐共存模式。在技术进步的推动下，全球经济一体化步伐加快，发展中国家在全球产业分工中大多处于产业链的低端，主要生产资源和环境密集型产品。一方面，发达国家加大了治理工业化进程中遗留的地质环境问题的力度，加强了地质环境的养护和保护；另一方面，发展中国家承担的资源消耗和地质环境污染越来越多，地质环境压力越来越大。
经济活动对地质环境的影响在空间上不断扩大，在强度上不断增强。矿产资源的开采不再局限于地表浅层。一是进军大海，勘探海底矿产资源。几十年前，人们只在大陆架上开发石油和天然气，而现在他们正试图探索和探索深海海底。二是进军地壳深部，勘探地表500米以下的矿产资源。据估计，目前人类每年从地质环境中开发的矿产资源总量高达300多亿t，人均消耗约6t [44]。城市化、工程建设、矿产开采、农业开发等工程经济活动所搬运和移动的岩土量达到了前所未有的水平。胡克根据不同历史时期典型国家的工程经济活动规模，估算了不同历史时期的人均岩土运输量(图1-15)。如果用人均搬运的岩土量来表示人类对地质环境的作用强度，那么从图1-15可以得出结论，在200年前人类漫长的历史进程中，人类对地质环境的作用强度是非常微弱的；近100年来，人类对地质环境的作用强度急剧增加。到目前为止，人类每年搬运的土石总量已经超过了全球沉积循环中土石的自然流量。
图1-15不同历史时期人均移动土石量估算曲线[31]
在可持续发展的框架下，各国相继颁布了相关的法律、法规、政策和规划，加强对地质环境的保护和管理。美国于1977年颁布了《露天开采与复垦法》，1990年和1992年对该法进行了大幅修改和完善，对矿产开采、闭坑、土地复垦等活动做出了法律规定，并建立了废弃矿山复垦基金、矿山环境恢复履约保证金等制度，以防治采矿引发的地质环境问题。2002年，欧盟发布了“第六次环境行动计划”，旨在促进自然资源的可持续利用和废物管理，强调资源消耗不应超过环境承载能力[45]。2006年，欧盟发布了“土壤主题战略”，旨在通过建立土地框架指南，解决土壤侵蚀、土壤污染、盐渍化等土壤地质环境问题。