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化学地球：解读地球的全新窗口
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见习记者 姜天海
如何认识21世纪的地球？
1998年初，美国副总统艾伯特·戈尔在《数字地球——认识21世纪的地球》一文中提出“数字地球”的概念。随后，谷歌在2005年向全球推出“谷歌地球”。2008年，反映地球地质地貌的“同一个地质计划（OneGeology）”完成了世界最大规模的地质制图项目。
但无论是“谷歌地球”还是“同一个地质计划”，在某种意义上都只是表达数字地球的物理特征，描绘地球资源环境变化的化学特征仍然是一片空白。
2008年，“深部探测技术与实验研究”专项（SinoProbe）启动04项目——“地壳全元素探测技术与试验示范”项目，让以研究地球基因为特色的“化学地球”成为可能。
强大的“化学地球”数据平台
地球物质成分包含元素周期表中90个元素，这90个元素被称为“地球的基因”。它们不仅形成了矿产资源，而且也影响着人类的生态环境。
“建立‘化学地球’、对地壳全部元素进行探测是解决资源与环境可持续发展的必然选择。”中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研究员、国土资源部地球化学探测技术重点实验室主任王学求对《科学新闻》记者表示。
通俗来讲，化学地球就是将元素周期表绘制在地球上。在王学求的带领下，SinoProbe下属的04项目以对地壳所有化学元素的探测为基础，建立覆盖全国的地球化学基准网,研发了基于ArcG1obe（三维视图）的化学地球软件，为全球海量地球化学数据与图形显示及管理提供了不同比例尺地球化学图的二维和三维制作和展示平台。
这一软件平台不仅为地球科学工作者提供了多分辨率、多时空和多种类的三维描述服务，而且也为地球的资源与环境评价提供了科学数据库，搭建了政府机构、管理人员和公众之间的化学地球知识科普平台。
2008年项目启动之初，王学求对全国的地球化学探测进行了“一网、三带、十矿区”的部署。部署了一个覆盖全国的地球化学基准网、三条穿越不同大地构造单元和重要成矿区带的地球化学走廊带，以及十个矿区。这十个矿区都在盆地和盆山边缘的覆盖区，是过去用常规的地球化学方法或肉眼无法辨别的盲矿或覆盖矿。
为了达成这一部署，项目课题组首先针对三大层次的关键技术进行攻关。
针对地球表层，课题组创新性地发展了地壳全元素的精确分析系统，在全球首次实现对地壳81个指标的高精度分析，其中包括除惰性气体外的78种元素周期表元素，以及岩石结晶水、二价铁、二氧化碳、有机碳、土壤pH值等测试指标。
其次是在千米深度的层次寻找隐伏矿，打破地球化学勘测技术仅能探测地表浅覆盖矿产的“魔咒”。对此，课题组研发了纳米微粒分离技术、元素活动态提取技术等具有自主知识产权的探测技术，在隐伏矿深穿透地球化学探测的理论与技术上取得了原创性的成果。而在中下地壳物质层次，课题组则针对中国大陆的特点，发展了中下地壳物质成分识别方法体系。
覆盖全国的地球化学基准网
要实现对地球基因的探测，除了解决探测技术之外，还要建立覆盖全国的地球化学基准网，作为了解过去地球化学演化和预测未来全球环境变化的定量参照标尺，同时为全球成矿物质背景研究和矿产资源评价提供基础数据。
“我国的地球化学基准网是以全球地球化学基准计划为基础的。”王学求向《科学新闻》介绍。
全球地球化学基准计划就是在地球上“画格子”，采样、检测并绘制图件，系统获取地壳上所有元素的含量和分布。全球陆地共设置5000个基准网格，每个格子的大小为160公里×160公里。近十几年，包括欧洲、美国、澳大利亚、印度及中国在内的国家及地区已经基本完成了全部样品的采集工作，覆盖了全球约22%的陆地面积。
“该全球计划在中国大约分布了400个网格。我们又根据国家尺度的基准网格数据密度要高于全球尺度的网格密度的要求，再将每个网格划分成4个子网格。即部署了约1600个子网格，每个子网格的大小相当于1个120万图幅。”王学求介绍说。
之后的5年内，王学求和他的团队足迹遍及大江南北，在每个基准网格内系统地采集不同时期沉积岩、火成岩、变质岩和疏松沉积物（土壤）的组合样品。
除喜马拉雅山脉东部等地，该课题组已经完成了12371件岩石样品、6617件土壤样品的采集工作，精确分析了除惰性气体以外几乎所有已知元素的含量，建立了中国大陆的地球化学基准值，制作出了化学元素时空分布基准的地球化学图。
为了更加精确地了解地球的过去、现在与未来，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所高级工程师张必敏向记者介绍，课题组顶着增加采样成本的压力，在每个采样点采集了0~25公分的表层土壤样品和1~2米的深层土壤样品，用于反映在一定沉积时期前后元素含量变化的情况，并根据土壤和岩石两种地球化学介质的优缺点进行组合采集。
地球化学基准网的建立，为了解化学元素在我国大陆的演化过程、当前资源环境评价以及未来的资源环境变化提供了量化的参照标尺。
“我们现在所做的工作，将人类对地球化学的探测能力和人类认识地球化学元素分布的进程向前推进了一大步。”王学求说。
资源环境评价的新视角
地球化学基准网的建立，对我国资源和环境的可持续发展具有重大的意义。
通过基准网的建立，课题组新发现了一批成矿元素的地球化学异常，不仅对应了已经发现的大型矿集区，而且也表明了铀、稀土、金、铜等重要矿井的找矿远景区。
王学求以钨矿举例：在分布图中显示钨元素大量集中在华南地区，而此处也恰恰是世界上最大的钨矿集中区，因此显示了元素聚集与成矿之间的直接对应关系。
同时，分布图也显示出青藏高原和河南地区有钨元素的聚集，这也与近年来在河南等地矿产的新发现相吻合。
而此次地球化学勘探也填补了过去区域化探扫面未分析到的稀土元素。由于稀土包括16种元素、结构十分复杂，因此在1978年开展的全国区域化探扫面工作中并没有对稀土元素进行探测。
但此次勘探利用深层样品，在白云鄂博西边、拉萨南边等区域圈出了一大批找矿远景区。课题组还圈定了盆地砂岩型铀矿的找矿远景区，其中包括中俄边界、二连—东乌旗、鄂尔多斯盆地、伊犁盆地等地区。这些元素的地球化学异常对于矿产资源评价、找矿选区的优选都有重要意义。
此外，基准网的建立也为环境评价和变化研究提供了定量依据。
“我们建立了8个重金属元素的全国地球化学基准，重点研究了镉、砷、汞、锑等重金属的变化状况和污染评估。”王学求介绍说。
课题组在每个点位都采集了深层和表层土壤的样品。1米以下的深层土壤样品基本没有受到人类活动的污染，代表着自然界的地球化学背景及变化，比如扬子地台的黑色岩系本身就含有大量的铬，西南的低温成矿域本身就汞含量高。
而地表到地表以下25公分的表层土壤样品，则反映了人类活动污染与自然地质背景、矿产资源的多重作用。
“比如说，环绕我国东部的人口密集区，汞含量和分布面积都比深层要大得多。”王学求用表层土壤含量减去反映自然地质背景的深层土壤含量，并用表层基准值与深层基准值校对后，得出了重金属元素污染分布图。
张必敏则以镉的地球化学基准与变化举例，2009~2012年的采样相比1995~1996年的采样而言，反映了我国“珠三角、长三角、京津冀地区经济高速发展的负面影响”。
探知地球的历史与未来
对地球化学的进一步探索，也加深了人类对地球历史和未来的认识。
“岩石基准值的对比研究可以让人类了解地球的过去，而对于土壤基准值的对比研究则可以帮助人类预测未来的地球变化。”王学求表示。
比如，课题组对1994年全国泛滥平原沉积物采样和2009~2012年华南地区泛滥平原沉积物和河漫滩采样的氧化钙分布进行了比较。通过对比，课题组发现由于酸雨的作用，15年间华南地区氧化钙含量小于1%的面积由80万平方公里增加到110万平方公里。
“由于酸雨对碳酸钙的分解，不仅造成氧化钙大量淋失，也造成了自然界的二氧化碳向大气的释放，加剧了温室气体效应。”王学求解释道，这对科研人员进一步了解我国气候变化的进程提供了定量指标。
同时，地球化学基准网的建立也可以帮助研究人员了解过去重大地质事件的地球化学响应。
2010年，王学求等科研人员在云南禄丰龙灭绝的K-T（白垩纪—古近纪）界面上发现了高含量的铂族元素异常。
“我们发现，禄丰龙的产地楚雄—兰坪盆地白垩系的石英长石砂岩和古近系紫红色泥岩的铂族元素背景值都比较低，但恐龙灭绝时期的白垩系—古近系界面的凝灰质灰岩和凝灰质泥岩铂族元素含量都很高，特别是铱的含量为上下地层的20倍。”王学求说，“尽管它的厚度不足1厘米，但这项证据却可能再次支持了行星撞击地球的全球性事件是导致恐龙灭绝的原因。”■
《科学新闻》 (科学新闻2014年10月刊 硕果)
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