“化学地球”大科学计划：全球关键元素分布与循环

Big Science program on CHEMICAL EARTH: Global distribution and cycle of key elements

摘要

“化学地球”的概念于2008年提出，2016年由联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心发起“化学地球”大科学计划倡议，2023年被联合国教科文组织正式批准。目标：将元素周期表绘制在地球上，建立化学属性数字地球，服务于全球资源环境可持续发展。科学技术问题：关键元素在地球上的时空分布和循环，全球不同地质地貌景观特点的地球化学探测技术、元素高精度分析和大数据开发技术。主要成果如下：(1)建立全球陆地1/3地球化学基准网，提供76个元素地球化学基准值，初步揭示关键元素全球分布规律，发现一批稀土元素(REE)、锂、铜和金等超常富集区，据此发现云南红河州超大规模中重稀土矿；(2)全球8个有毒重金属元素分布显示，欧洲超过风险限值的面积最大，占欧洲面积的48%,欧洲早期工业历史，没有清洁生产技术，导致大量有害物质排放；(3)中国地球化学观测网揭示镉、汞、砷和钙4个元素近30年发生显著变化，并发现汞的循环是以纳米辰砂微粒为主，而不是传统认为的气体形式迁移和循环；(4)地球化学大数据揭示我国7大粮食主产区，耕地质量总体安全，并利用大数据技术赋予绿色土地二维码标识，通过手机客户端实现绿色食品溯源。“化学地球”大科学计划入选习总书记主持的全球发展高层对话会主席声明成果清单，服务了高层决策和全球发展。

关键词

化学地球 / 大科学计划 / 关键元素 / 全球分布和循环

Key words

CHEMICAL EARTH / big science program / key elements / global distribution and cycling

0 引言

全球气候变化、自然资源短缺和环境污染等多重危机和风险交织,全球可持续发展受到严重挑战。地球上所有生命和非生命都是由化学元素组成的,元素在不同圈层的分布和循环是地球系统科学的纽带,也是解开地球起源和演化的“钥匙”,因此元素被称为“地球的基因”^[1]。联合国将2019年定为“国际化学元素周期表年”,联合国大会表示,“化学元素周期表是现代科学领域最重要和最具影响力的成果之一,不仅反映了化学的本质,也反映了物理学、生物学和其他基础科学的本质”。但我们至今对元素在地球上的分布和循环了解甚少,国际社会迫切需要对地球的权威观测数据。目前由于卫星和遥感技术的发展,对地球的物理属性观测非常成熟,但对地球的化学属性观测尚处于起步阶段。

2008年在“深部探测技术与实验专项”支持下,实施“地壳全元素探测技术与实验示范”项目,开展“全国地球化学基准网”建设,提出“化学地球”的概念,并形成“化学地球”大科学计划基本研究框架^[1]。

2016年经联合国教科文组织和中国政府批准,联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心(UNESCO International Centre on Global-scale Geochemistry)正式成立。中心的使命是将元素周期表所有天然元素分布和循环绘制在地球上,提供全球性、系统性和持续性的权威地球化学观测数据,服务于全球可持续发展。中心成立之际,发起“化学地球”大科学计划倡议,有22个国家代表签字响应。

2023年,联合国教科文组织正式将“化学地球”大科学计划写入第37C/33号决议中,并由联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心负责实施,由自然资源部代表中国政府和联合国教科文组织于2023年正式签署协定。2023年,地球观测组织(Group on the Earth Observations,GEO)将“化学地球:全球地球化学观测网与数字化学地球”批准为试点项目(GEOWP23_25)。

1 目标与内容

1.1 总体目标

“化学地球”大科学计划的总体目标是持续记录全球化学元素基准和变化、分布和循环科学数据,将元素周期表绘制在地球上,建立数字“化学地球”大数据平台,服务于全球自然资源和环境可持续发展,架起决策者、科学团体和社会公众的桥梁。

1.2 核心科学技术问题

国际大科学计划必须具备两个条件:科学前沿和国际社会关注。“化学地球”大科学计划面向的国际前沿是全球关键元素时空分布和循环规律。拟解决的核心科学问题包括:(1)全球关键元素超常富集时空分布和战略资源效应;(2)全球碳元素基准和分布循环;(3)与环境健康有关的有害重金属元素和放射性元素基准与风险;(4)地球历史重大灾害事件有关元素(铂族元素和挥发性元素)的时空分布和指示意义。

拟解决的3个技术问题:一是要获取全球代表性采样介质,必须发展全球不同地质地貌景观特点的地球化学探测技术;二是要获得地球化学权威数据,必须解决元素周期表所有元素的高精度分析,特别是微量和痕量的三稀元素、铂族元素、卤素元素的高精度分析和质量控制技术;三是要解决地球化学大数据的管理、展示、开发和利用技术,包括科学上的应用和面向大众的应用。

1.3 核心内容

(1)建立全球地球化学基准网:要获得化学元素在全球的分布和循环,了解过去地球演化和未来全球变化,首先必须建立全球地球化学基准网^{[1⇓⇓⇓-5]}。全球地球化学基准网格,每80 km×80 km网格设置一个基准点,全球共计20 000个基准点,采集河漫滩沉积物或运积物土壤,观测指标76个元素+其他5个指标,绘制全球地球化学基准图,为过去地球演化和监测未来全球变化提供定量参照标尺^[6⇓⇓-9]。

(2)建立中国地球化学观测网:建立中国3级地球化学观测网,包括国家网、区域(省级)网和局域(县级)网。国家级观测网网格单元与全球基准网一致,每80 km×80 km网格布设一个观测点,但要考虑地质构造单元、河流流域、自然景观、土壤类型、粮食主产区、城市群、矿业开发区和自然保护区等不同功能区,共布设2 000个观测点,周期性(间隔5年)采集土壤和河漫滩沉积物样品,同时一次性采集全国代表性岩石样品12 000件,作为出露地壳地球化学背景,分析测试76个化学元素,系统获得关键元素变化和循环数据,服务于自然资源与环境保护利用和可持续发展。

(3)“一带一路”跨境重点成矿带和重点国家地球化学填图:通过国际合作开展重点成矿带1∶5 000 000、重点国家1∶1 000 000和重点地区1∶250 000区域地球化学填图,分析69个化学元素,提供全球重要成矿带地球化学背景和找矿远景区,服务于国家“一带一路”倡议和矿产资源国际合作为主要目标。

(4)全球关键资源地球化学背景和资源总量估算:基于全球近20 000个基准网格的地球化学基准值数据,绘制全球关键元素地球化学图,揭示全球成矿物质背景,估算全球金、铜、铀、REE、锂、钨和锡等20余种矿产资源总量。

(5)全球岩石和土壤碳、重金属和放射性元素基准与循环:精确厘定各类岩石和土壤碳含量基准值,计算地壳岩石碳总量和土壤碳库,对全球典型碳储区进行碳基准和碳源碳汇对比研究,建立碳排和碳储的循环关系;提供全球8个重金属(镉、汞、砷、铅、铜、锌、铬和镍)基准值数据,评价重金属风险状况;精确测量天然放射性元素铀、钍和钾基准值,计算天然放射性剂量率量;为全球气候变化、生态环境和健康提供权威数据。

(6)重大地质事件的地球化学响应:利用化学元素变化对重大地质事件的灵敏响应这一特性,对生物灭绝和古气候变化等重大地质事件提供依据。“化学地球”大科学计划的优势是利用全球基准值数据,筛选具有全球重大地质事件的元素异常。例如,小行星撞击地球导致恐龙灭绝事件的重要证据是K-T界面存在高含量铱^[10],最后一期冰期事件是发现钛元素分布直接指示冰积物分布范围。

(7)“数字化学地球”应用于绿色土地保护利用:建立多尺度数字“化学地球”大数据平台,开发以大数据和移动网络为基础的APP和二维码软件,为社会公众和政府决策提供绿色土地保护利用,提高农作物产量和品质的大数据支撑。

2 合作方式与运行机制

2.1 合作方式

“化学地球”大科学计划主要以签署政府间谅解备忘录或各国地质调查机构协议的形式开展工作,学术组织和科学家个人可自愿参与。根据各国能力,将参与国分成3类:第一类是有能力独立完成的国家,按照技术指南,自行开展本国境内工作任务;第二类是在技术条件限制不能独立完成的国家,中国提供技术培训,合作伙伴国按照技术指南,完成本国境内的野外采样工作,由中国承担76个元素分析测试任务;第三类是不具备技术条件和经费支持的国家,中国提供野外采样和实验室分析测试经费支持,并和合作伙伴国一起开展野外样品采集工作,承担76个元素分析测试任务。

2.2 运行机制

“化学地球”大科学计划由自然资源部代表中国政府和联合国教科文组织正式签署协定,由联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心负责实施。中心由理事会负责监督指导,学术委员会提供技术咨询。制订《全球地球化学基准指南》《国家尺度地球化学填图指南》等6份指南。

“化学地球”大科学计划由自然资源部、外交部、财政部和教育部顶层设计,中国地质调查局统筹、协调和支持;借助联合国教科文组织、国际地质科学联合会、地球观测组织、东亚东南亚地学计划协调委员会和国际应用地球化学家协会等国际组织的多边推动,通过各国地质调查机构签署双边合作协议,吸纳科学家个人的积极参与等开放国际合作工作机制。初步建立了有40多个国家和400余位科学家参加的国际合作网络。

3 主要进展与成果

3.1 全球陆地面积1/3的地球化学基准网初步揭示全球关键元素分布规律

初步建立了覆盖全球陆地面积3 300万km²,约占全球陆地1/3的地球化学基准网,提供了76个化学元素基准值,编制了第一张全球地球化学图(图1)^[6⇓-8]。初步揭示了资源与环境有关的关键元素分布规律^{[11⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-23]}。发现全球土壤无机碳占土壤总碳库的50%。通过对镉、汞、砷、铅、铬、铜、锌和镍8个有毒重金属进行研究,发现欧洲超过风险限值的土壤占比最高,如果按照欧洲土壤环境标准占国土面积的48.6%(图2),按照中国土壤环境标准占国土面积的10.9%^[4]。

欧洲重金属污染严重的原因是欧洲工业化历史最长,并且工业化早期并没有环境和排放保护措施,重金属长期在土壤中累积所致。

3.2 中国地球化学观测网初步揭示关键元素变化循环规律

在全球地球化学基准网基础上,初步建成中国地球化学观测网(图3),国家级观测网网格完成两轮观测工作,获得我国土壤圈76个化学元素和有机碳等权威地球化学观测数据。初步揭示我国关键元素变化规律,观测到表层土壤(0~25 cm)发生明显变化的元素有镉、汞、砷和钙,深层土壤(100~150 cm)未观测到发生明显变化。

其中,镉发生了显著变化,2010年相对2000年的观测变化达50%的点位占比约40%。如果与更早期的全国环境地球化学监控网络数据对比^[24],镉在全国变化的总体趋势是1995—2010年快速增加,2010年以后降低。1995—2010年土壤有害重金属镉超过风险限值,占比从4.3%增加到12.3%;2010—2020年,占比从12.3%下降到11.7%(表1)。这表明1995—2000年,中国工业化高速增长和环境保护措施未跟上,导致污染物排放进入流域土壤中,2000年以后环保意识增强和措施有效,重金属排放得到有效控制^[4]。

尽管中国地球化学观测网结果显示超过风险含量限值土壤占比为10%左右,但这些风险区主要分布在西南地区,不是我国粮食主产区。我国7大粮食主产区土壤环境总体安全,8个重金属只有镉在华南主产区和长江中游局部地区超过风险限值(图4)。

非常有意义的发现是汞呈纳米辰砂矿物微粒形式循环。传统认为汞以气体形式迁移和循环^[25],此次发现汞在水系沉积物和土壤中以大量纳米辰砂矿物(HgS)颗粒形式存在(图5^[15])。这与前人研究,在煤炭中发现微米级汞硫化物(辰砂)一致^[26],煤燃烧过程中汞与硫发生反应也可以形成微纳米辰砂矿物。这表明,高背景岩石、低温硫化物矿石风化分解和煤炭燃烧都可以形成微纳米辰砂矿物。纳米粒级物质具有极强的扩散和迁移能力,可能大量参与从岩石圈-土壤圈到大气圈-生物圈的循环。初步实验已证实,纳米汞可以进入细胞导致中毒,这可能对传统认为气体汞和甲基汞导致人体中毒的理论做出补充和修正。

3.3 完成特提斯成矿带和12个重点国家地球化学填图

为了全面了解特提斯成矿带地球化学背景和资源潜力,开展了特提斯成矿带从老挝—中国—巴基斯坦—伊朗—土耳其—南部欧洲1∶5 000 000地球化学填(编)图,初步揭示特提斯成矿带REE、锂、铜和金等分布规律(图6)。发现一批REE、锂、铍、铷和铯超常富集区,富集核心区主要与含有电气石、石榴子石和锂辉石等淡色花岗岩密切相关,特别是铯的大规模超常富集,表明喜马拉雅淡色花岗岩为高度结晶分异花岗岩。目前,该成矿带已发现定日县境内的琼嘉岗和洛扎县境内的嘎波两处伟晶岩型锂矿,以及错那县境内的错那洞钨-锡-铍矿床,喜马拉雅稀有元素超常富集区具有锂-铍-铷-铯巨大找矿潜力^[27]。

与“一带一路”沿线12个国家开展双边合作,完成1∶1 000 000国家尺度地球化学填图面积350万km²,老挝、蒙古国和柬埔寨等12个国家第一次有了高质量地球化学图(图7)。

本专辑中有10篇文章将对这部分有关内容进行阐述,请参阅本专辑有关文章。

3.4 “化学地球”大科学计划发现滇南超大规模中重稀土矿床

“化学地球”大科学计划编制REE、锂、铜和金等元素多尺度系列地球化学图400余张,发现元素超常富集规律,为战略资源靶区优选提供第一手资料。根据全国16个稀土元素地球化学基准值数据研究,揭示稀土元素超常富集规律(图8)。提出轻稀土矿轻重稀土比值大于5.0,重稀土矿轻重稀土比值小于3.5,作为中重稀矿找矿判别标志。根据这一判别标志,将滇南红河州稀土超常富集区作为中重稀土找矿靶区。随后实施1∶250 000和 1∶50 000地球化学调查,经260个钻孔钻探验证,165个钻孔达到工业品位,发现超大规模离子吸附型中重稀土矿^[28]。

3.5 “化学地球”大数据服务绿色土地保护利用

初步建立“化学地球”大数据平台(www.globalgeochemistry.com),实现数据共享和服务,为绿色土地保护利用和地方绿色发展提供大数据支持。初步建立拥有8个图层,30 TB规模的“化学地球”大数据平台,实现40个元素网上数据共享,提供全球地球化学数据约190万条、图件27套。在河北省人民政府支持下,以永清县为试点,完成县、村和农业科技园3级绿色土地大数据库建设,编制绿色土地二维码1 000个,赋予“一村一码、一园一码”,实现从绿色农产品产地到销售市场,从数据平台到手机客户端的完整溯源链条(图9)。为绿色土地保护利用、提高农作物产量和品质等提供大数据支撑,促进大数据与现代农业和绿色健康产业融合发展。

4 结论与展望

“化学地球”的概念于2008年提出,2016年发起“化学地球”大科学计划倡议,2023年被正式批准,历经10余年历程,取得全球地球化学基准网、中国地球化学观测网和“一带一路”地球化学填图等大量第一手权威科学数据,初步建立“化学地球”大数据平台;初步揭示全球关键元素时空分布循环规律,将为以知识驱动向数据驱动的地球科学转型升级发挥更大的作用;圈定一批与战略资源有关的关键元素超常富集区,并发现超大规模中、重稀土矿;支撑绿色土地高价值利用获得社会公众认可。2022年,“化学地球”大科学计划被纳入全球发展高层对话会主席声明成果清单。“化学地球”大科学计划体现了科学前沿和社会需求双重属性,不仅取得了大批科学数据,而且体现了其初衷“架起决策者、科学团体和社会公众的桥梁”。

实施“化学地球”大科学计划,建立化学属性“数字地球”,将元素周期表所有元素绘制在地球上是继门捷列夫发现元素周期表后的一项巨大科学工程。随着国际社会的高度重视和认可,将元素周期表绘制在地球上的宏伟科学工程一定会实现!

本专辑“化学地球:关键元素与战略资源”主要体现有关战略资源的部分成果,其他与环境健康等有关成果未包含在本专辑中,为了给读者一个概貌,以本文作为专辑序言。

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基金资助

中国地质调查局地质调查项目(DD20230013)

中国地质调查局地质调查项目(DD20230131)

中国地质调查局地质调查项目(DD20190450)

中国地质调查局地质调查项目(DD20230623)

地球观测组织(GEO)项目(GEOWP23_25)

国家自然科学基金联合基金项目(U2244219)