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    近日,中国地质调查局西宁自然资源综合调查中心(以下简称“西宁中心”)调查人员在三江源国家公园内开展生态地质路线调查工作时,发现一猎隼受伤,在简单救治后,第一时间送至当地野生动物救护中心。

    猎隼是《世界自然保护联盟濒危物种红色名录》濒危物种,也是我国《国家重点保护野生动物名录》一级保护动物。保护猎隼等珍稀野生动物,对控制啮齿类动物种群、维持草地生态平衡具有关键作用,有助于保持生物种类的多样性和遗传资源的丰富性。西宁中心始终立足青藏高原生态文明建设,多次救助野生保护动物,有效维护了生物多样性,促进人与自然和谐共生。

     
     
     
    保护野生动物,守护生态平衡 

         由浙江自然博物馆和宜州化石馆提供研究标本,地质研究所吕君昌博士为首的研究小组最近发现了在翼龙演化史研究上具有重要意义的翼龙:达尔文翼龙 (Darwinopterus) (图1)。达尔文翼龙是既具有进步类型(翼手龙类)的头骨和颈椎特征,又有原始类群(喙嘴龙类)的特征:长的尾部及足部 的第5趾具有两个长的趾节,这一发现填补了由原始翼龙向进步翼龙演化的过渡类型的空白。该研究成果发表于10月14日在世界著名科技刊物英国伦敦《皇家学 会会报,B辑:生物科学》(Proceedings of the Royal Society Series B)上。适逢今年为英国博物学家、进化论 奠基者达尔文(1809-1882)诞辰200周年和他的《物种起源》发表150周年,特命名为模块达尔文翼龙以纪念这两大重要事件。

     图1a 达尔文翼龙的照片

        翼龙是一类飞行爬行动物, 是中生代的空中主宰者,它们与同时代的陆地霸王——恐龙类几乎同时产生于晚三叠世末期 (约2.23亿年), 且开始适应于空中生活, 早于已知最早的鸟类-始祖鸟约7千5百万年,是地球历史上最早克服地球吸引力的脊椎动物。它们在地球上生活了将近6千5百万年前的白垩纪末期。而后来的飞行脊椎动物如鸟类和蝙蝠, 它们的出现都比翼龙类晚得多。古生物学家长期以来公认有两组不同类型的翼龙(图2): 长尾的原始类型和它们的后代——短尾的进步类型,其中的一些进步类型可达到巨型,两翼展宽可达10米以上。这两种类型之间存在大的、在达尔文时代就发现的演化空白,直到现在新标本的发现,才填补这一空白。

        达尔文翼龙是目前发现的唯一的处于长尾的原始喙嘴龙类和进步的、短尾的翼手龙类之间的过渡类型。它的头部和颈椎构造(头骨上鼻孔和眶前孔愈合一起形成大的鼻眶前孔,颈椎具有不发育的颈肋等)(图3)体现进步类群-翼手龙类的特征,而身体的其它部分与喙嘴龙的一样:比如长的尾部和第5脚趾具有两个长的趾节等。

        达尔文翼龙发现于大约1.6亿年的中侏罗世地层中,比著名、最早的鸟类-始祖鸟还要早大约1千万年。在这一时期发现的具有进步和原始特征的奇异组合的达尔文翼龙展示了许多关于进步翼龙类从它们原始祖先演化方面的信息。首先,这一变化非常迅速,且集中短期之内。其次,形成重要结构整个群体特征(一些研究学者称之为模块),比 如头部、颈部或者尾部的特征,看起来是一起演化的。但是达尔文翼龙显示这些模块却不是同时变化。首先头部和颈部变化,紧接着是身体,两翼,尾部,腿部,最 后才是足部。这似乎看起来自然选择作用于整个模块并使其变化,而不是通常所希望的只是对单个特征比如吻部的形状,或者牙齿的形态等起作用。

        达尔文翼龙的尖锐而长的牙齿显示它是肉食性动物,而其骨骼结构又显示它几乎肯定地在空中掠食(它在陆地上动作很缓慢,笨拙,表现在长的尾部和脚上第5趾有两节长的趾节等), 但是其牙齿不像其它翼龙那样吃鱼或者昆虫。它们同时代的会飞行动物,包括不同种类的翼龙,小的、滑翔的哺乳动物-翔兽以及鸽子大小食肉恐龙,比如近鸟龙(图4),它 们与达尔文发现于同一层位,因而很可能成为达尔文翼龙的食物。虽然我们对带羽毛的恐龙的真正飞行能力仍然不清楚,但是它们可能仅限于滑翔或者简单的振翅飞 翔和滑翔组合。因而,它们在空中的灵活性要比达尔文翼龙差的多。达尔文翼龙可能用它的长有具有尖锐牙齿的上下颌,不是在空中,就是当它快速掠过树枝或树叶 时抓住它的食物,非常类似于现在的蝙蝠从树和灌木丛间掠食昆虫。

        研究小组希望通过大量的工作来证实模块化演化的观点,但是如果它证明是真实的,那么它将有助于解释不仅仅是原始的喙嘴龙类是如何演化成更进步的翼手龙类,而且我们所知的快速、大尺度演化的动植物等其它许多例子也可能这样发生。恐龙绝灭之后的哺乳动物的异常辐射演化只是其中的例子之一。

        非常遗憾的是,我们周围所见到的导致许多生物多样性的这些事件很少有化石记录。达尔文敏锐地意识这一点,如他在物种起源中指出的,期望有一天发现的化石可 以填补这些空白。而达尔文翼龙的发现,在翼龙的演化方面,正好弥补了这一空白。这一发现虽然只是一小步,但却是很重要的一步。它为非常规和有争议的翼龙演 化模式首次提供明确的证据。在翼龙演化史研究上,具有突破性意义。因此,西方许多媒体比如科学日报(Science Daily),生命科学(Live Science)以及自然(Nature)的研究要闻(Resaerch Highlights)版都做了不同程度的报道。

        参加研究的人员有吕君昌博士(第一作者,地质所),大卫安文博士(英国莱斯特大学),金幸生博士(浙江自然博物馆),柳永清及季强研究员(地质所)。本研究由973项目和所长基金共同资助。

     参考文献:

    吕君昌,姬书安,袁崇禧,季强. 2006. 中国的翼龙类化石。地质出版社,北京 Pp147.

    Lü, J., Unwin, D. M., Jin, X., Liu, Y. and Ji, Q. 2009. Evidence for modular evolution in a long-tailed pterosaur with a pterodactyloid skull. Proceedings of the Royal Society B: doi:10.1098/rspb.2009.1603 (online)  

    翼龙研究获突破性进展
    土壤是人类的衣食之源和生存之本,是最基本的生产要素。土壤的健康质量直接影响动植物和人类健康。为了更好地保护我们的生存之本,今天我们就来认识了解土壤环境问题中较突出的重金属污染。

    土壤重金属污染指的是什么 

    重金属通常是指密度大于5克/立方厘米的所有金属元素,包括汞、镉、砷、铅、铬、镍、铜、锌、钒、锰、锑等,其中前5种元素因其毒性大被称为“五毒元素”。

    顾名思义,土壤重金属污染就是重金属或其化合物通过各种途径进入土壤造成的污染。土壤遭受重金属污染的典型事例最早可追溯到19世纪发生在日本足尾铜矿山的公害事件,由于铜矿山废水排入农田,使土壤中铜含量高达200毫克/千克,不仅造成水稻严重减产,而且使矿山周围农田变为不毛之地。进入20世纪五六十年代,相继发生了举世瞩目的“八大公害事件”,其中发生在日本的“痛痛病”和“水俣病”公害事件就是土壤受到重金属镉和汞污染的两个典型。

    土壤重金属污染的危害 

    重金属可以污染水体、大气、土壤、作物等,但重金属不会像有机污染物那样被降解,因此通过食物链被生物体吸收后,会在体内积累,对人类健康造成巨大的威胁。有毒有害的重金属元素,例如砷、镉、铬、汞和铅,会对人体造成严重的危害,可能导致高血压、语言障碍、疲劳、睡眠障碍、提高攻击性倾向、注意力不集中、易怒、过敏反应、自身免疫疾病、血管闭塞以及记忆力下降等疾病和症状。重金属元素还会对人体细胞酶产生毒害作用。

    土壤重金属污染来源 

    土壤中重金属的来源可分为地质过程内源和人为活动外源两部分。地质过程内源又可分为继承型和次生富集型两类。继承型是指母岩中镉、汞、铅等有害重金属含量本底高,在后期的风化成土过程中,这些有害重金属继续保留在土壤中。资料显示,我国土壤大面积的重金属高异常主要是由成土母岩引起的,这些成土母岩多是富含铜、铅、锌、砷、镉等有害元素的硫化物矿床、黑色岩系、煤系地层等地质体,以及含锰、铬、镍的基性岩等。

    次生富集型是指成土母质中重金属元素含量并不高,但是在母岩风化成土过程中,化学性质活跃的元素,如钾、钠、钙、镁等易进入水体流失。而化学性质不活跃的元素,如汞、铅、砷等有害元素在原地的风化残留物中反而富集了。

    人为活动外源主要是指大量重金属通过人为活动进入到土壤环境中,其中主要是现代化工业,例如电镀、电池、化肥、矿业、造纸、杀虫剂、制革、塑料制品、冶金、采矿、化石燃料等制造、使用、活动过程中产生的含重金属的废水、废渣和废气。

    土壤中重金属的活性 

    土壤中重金属的含量和存在形态,很大程度上决定了其对环境、人体的风险高低。目前,土壤重金属的形态分级可分为离子态(水溶态)、可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态。不同形态的重金属,其毒性、迁移性和生物有效性均有不同差异。

    一般来说,离子态的重金属移动性强,易被植物吸收,多存在于土壤溶液中或土壤黏粒表面,有着较高的生物有效性;而某些重金属离子会与土壤中的盐类(如磷酸盐、碳酸盐、硫化物、铁锰氧化物等)、有机质形成沉淀物、复合物或螯合物,移动性有所降低,生物有效性也随之下降;最为稳定的则是残渣态,一般存在于硅酸盐、原生和次生矿物等晶格中。

    影响土壤重金属形态分布的因素有很多,归纳起来可分为两大类:一类是土壤内因,即土壤理化性质,如pH值、土壤有机质、土壤质地、胶体含量、离子含量、Eh值、营养元素等;另一类是人类活动,如输入到城市土壤中的重金属的数量、种类的影响。

    土壤重金属污染修复的方法 

    根据修复方式以及处理后土壤位置是否改变,土壤重金属污染治理方法分为原位治理和异位治理。异位治理环境风险低,见效快,成本高,环境扰动大,如客土法、换土法、土壤淋洗法等。原位治理中主要包括物理修复、化学修复、生物修复以及农业生态修复。

    物理修复主要包括电动修复、电热修复等。电动修复主要通过电流的作用,土壤中重金属离子和无机离子以电渗透和电迁移方式向电极运输,然后进行集中收集处理。

    化学修复就是向土壤中投入改良剂,通过对重金属的吸附、氧化还原等作用,降低重金属的生物有效性,常用的土壤改良剂有石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、有机质等。

    生物修复利用生物削减、净化土壤中重金属或降低重金属毒性。1983年美国科学家Chaney提出了利用超富集植物清除土壤中重金属污染的思想,即利用植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,将植物收获并进行妥善处理后可将该重金属移出土壤,达到污染治理与生态修复的目的。

    农业生态修复主要包括两个方面:一是农艺修复措施,包括改变耕作制度,调整作物品种,种植不进入食物链的植物,选择能降低土壤重金属污染的化肥,或增施能够固定重金属的有机肥等措施,来降低土壤重金属污染;二是生态修复,通过调节诸如土壤水分、土壤养分、土壤pH值和土壤氧化还原状况及气温、湿度等生态因子,实现对污染物所处环境介质的调控。

    钨尾矿资源,待挖掘的宝藏 

    □郝小非

    钨矿是重要的矿产资源,已发现钨矿物和含钨矿物20余种,最具有开采价值的是白钨矿和黑钨矿,主要分布于江西和湖南。钨矿品位一般在0.1%~0.5%,对钨矿选别后,91%以上的固体废弃物被作为尾矿丢弃。我国每年约有1000多万吨钨尾矿被排放到尾矿库中,未被有效开发利用,不仅占用大量土地,还存在安全隐患。但尾矿不是没有任何利用价值的废物,在技术经济条件达到的情况下也是待挖掘的宝藏。

    随着人们对尾矿资源综合利用认识的提高,人们也越来越注意到尾矿也是一种资源,可以被开发利用。钨尾矿中一般含铜、钼、铋等重要金属矿物及石英、萤石、绿柱石和石榴子石等非金属矿物,随着选矿技术的提高,我们不但可以再次回收利用钨,也可以回收铜、钼、铋、铷、锂和钾等有价元素,还可以回收萤石、石英、石榴子石等非金属矿物。另外,我们还可以利用钨尾矿制备地聚物、微晶玻璃、陶瓷原料、免烧砖、透水砖等环保建筑材料。

    总之,只要我们结合钨尾矿资源特点,因地制宜地寻求钨尾矿资源化利用途径,一定可使钨尾矿变废为宝,实现经济效益、生态效益、社会效益的有效统一。

    “锆”诉 

    □雷晴宇

    对普通大众来说,单纯提到化学元素锆,可能相对比较陌生,但它却与我们的生活密切相关。比如,我们最常用到的卫生洁具、瓷砖等陶瓷产品,就是因为其中含有一定量的锆才让它的外表变得那么艳丽和富于光泽,也让它具有了极强的抗腐蚀和耐磨等性能。

    在工业实践中,由于提炼和加工困难、产量不多,锆被列为稀有金属。

    锆的应用领域非常广泛。其中,63%以上的锆以硅酸锆、氧化锆的形式应用于陶瓷、耐火材料领域,约有13%用在锆化学品领域,仅有3%~4%的锆矿石被加工成金属锆。因其具有惊人的抗腐蚀性能、极高的熔点、超高的硬度和强度等特性,锆还被广泛应用在航空航天等领域。

    锆的元素符号为Zr,锆元素在地壳中的含量仅约为0.025%。

    地壳中大部分锆呈分散状态存在于许多矿物中,已知含锆的独立矿物有38种,锆英石(ZrSiO4)和斜锆石(ZrO2)是主要的具有工业价值的含锆矿物。锆英石主要赋存于海滨砂矿中,是世界冶炼金属锆的主要来源。斜锆石主要产于碱性火成岩中,与霞石、霓石、磷灰石、萤石、钙钛矿、锆石、烧绿石等共生。

    含锆的天然硅酸盐ZrSiO4被称为锆石或风信子石,广泛分布于自然界中,具有从橙到红的各种美丽的颜色,自古以来被认为是宝石,印度洋中的岛国斯里兰卡盛产锆石。

    1789年,德国人M.H.Klaproth对锆石进行研究时发现,将它与氢氧化钠共熔,用盐酸溶解冷却物,在溶液中添加碳酸钾,沉淀、过滤并清洗沉淀物,再将沉淀物与硫酸共煮,然后滤去硅的氧化物,在滤液中检查钙、镁、铝的氧化物均未发现,在溶液中添加碳酸钾后出现沉淀,这个沉淀物不像氧化铝那样溶于碱液,也不像镁的氧化物那样和酸作用,Klaproth认为这个沉淀物和以前所知的氧化物都不一样,是由Zirkonerde(锆土,德文)构成的。不久,法国化学家de Morueau和Vauquelin两人都证实M.H.Klaproth的分析是正确的,该元素拉丁名为Zirconium,符号认为Zr,中国译成锆。

    1808年,英国的H.Davy利用电流分解锆的化合物,没有成功;1824年,瑞典的J.J.Berzelius用钾还原K2ZrF6时制得金属锆,但不够纯。直到1914年,荷兰一家金属白热电灯制造厂的两位研究人员Lely和Hambruger用无水四氯化锆和过量金属钠同盛入一空球中,利用电流加热500℃,取得了纯金属锆。

    锆矿资源是稀有金属矿产资源之一。世界各大洲均发现有锆资源,主要分布在大洋洲和非洲,美洲、亚洲、欧洲也有发现。锆矿床按其成因可分为脉型岩矿和砂矿两种类型,但由于岩矿结构形态复杂,分离共生矿物成本高及开采难度较大等原因,导致目前全球工业开采多以砂矿型为主 。砂矿主要包括滨海砂矿、冲积砂矿以及残积砂矿,其中滨海砂矿最具工业开采价值,规模和产量远大于冲积砂矿及残积砂矿。

    据美国地质调查局数据显示,2012年~2018年,全球锆资源储量维持在7500万吨左右,澳大利亚、南非、肯尼亚及莫桑比克4个国家锆矿储量合计6140 万吨,占全球的84.11%,矿床类型多以滨海砂矿为主; 印度、马达加斯加、巴西、中国、美国、乌克兰、印度尼西亚及俄罗斯等国家锆矿储量1160万吨,占全球的15.89%。

    我国的锆储量和美国基本一致,约有50万吨,仅占全球储量的0.68%。相较于其他国家,我国锆资源非常缺乏,所以,我国的锆资源主要靠进口获得。随着需求量不断增大,近年来进口以每年6%的速度增长,国内每年锆进口需求量达到90%以上。

    锆英砂主要用于生产化学锆、电熔锆、硅酸锆、金属锆等。2019年,我国锆英砂市场需求量为62.02万吨,而我国自有资源产量不足1万吨,近3年的进口量均超过100万吨。

    中国和欧洲是锆的主要消费市场,中国对锆的需求在全球占比高达52%。

    锆矿按照主要用途分为金属锆和工业锆两类。金属核级锆处于锆产业链最顶端,工业锆主要用在化工耐酸碱设备、电子行业等领域。中国是世界陶瓷工业生产和出口大国,硅酸锆则是陶瓷行业的直接和主要原料,陶瓷制品离不开装饰,好的装饰使制品身价百倍,装饰材料是装饰的物质基础,陶瓷色料是最重要的陶瓷装饰材料。由此可见,陶瓷色料在陶瓷装饰中的地位,也可知氧化锆在陶瓷装饰中的地位。同时,随着中国陶瓷产业的迅速发展,锆需求也随之猛增。

    矿山废水变废为宝的秘诀 

    □胡四春

    在矿山开采、矿物富集分离过程中,会产生大量的矿山废水,其中包括矿坑水、露采厂废水、选厂废水、尾矿库和废石场的淋滤水,这些废水不仅被白白浪费掉,而且还污染了地表水和地下水,危害环境。

    根据产生的途径不同,矿山废水性质相差很大。例如,矿坑废水pH值要么是强酸性,要么是碱性;选厂废水可能含有大量的重金属离子和有机药剂,这些都给废水处理及回用造成了巨大的麻烦。因此,根据废水产生的途径和废水处理后的性质进行分类处理和分质利用就成了把矿山废水变废为宝的关键。

    矿山采选废水常见处理方法 

    一般来说,矿山采选废水常见处理方法主要包括七方面:

    自然净化法。自然净化法作为最廉价、最简单的废水治理方法,被我国的选矿厂普遍采用。自然净化法常以尾矿库为构筑物,废水通过管道运输至尾矿库,在库内发生沉淀、水解、氧化、挥发、光照降解甚至生物分解等作用,使悬浮颗粒和残余药剂浓度降低,甚至基本去除。

    自然净化的效果与曝晒时间、光照强度、水体温度、初始pH值、溶解氧等因素有关。通常曝晒时间越长、光照强度越强、温度越高,自然净化效果越好。

    特点:自然净化法具有成本低、管理方便、无二次污染等特点,但存在净化不彻底、耗时长、气候等自然因素干扰大等问题,特别在高寒地区,往往会因为净化效率低下而影响废水的回用。因此,自然净化法通常可作为选矿废水的预处理方法,或用于成分相对简单的重、磁选废水的处理。

    酸碱中和法。酸碱中和法是一种传统的废水治理方法,因简单实用而被广泛采用。这其中既包括酸性废水中的H+(或碱性废水的OH-)与中和剂中的OH-(或H+)发生反应,生成中性水分子,同时矿浆的合适碱度也有利于重金属离子与氢氧根离子反应生成难溶的氢氧化物沉淀,从而消除重金属污染。

    生产实践中,常用的中和剂有石灰、消石灰、硫酸、碱性废水废渣(电石渣等)、酸性废水废气等。在选择中和剂时,应优先考虑厂区周边的废料,以达到“以废治废”的目的。理论上各重金属在一定pH范围内均能沉淀,因此控制好pH值是中和法的关键。

    特点:酸碱中和法具有管理方便、费用较低、操作简便、处理量大、适应性强和运行稳定等优点,但也存在一些问题,如在用石灰中和时,设备及管壁结垢严重、污泥增量较大、易产生二次污染等。

    混凝沉淀法。混凝沉淀法是目前治理选矿废水较成熟的一种方法,常与活性炭吸附或氧化法组成混凝沉淀——活性炭吸附法和混凝沉淀——氧化法。

    混凝沉淀法使用的药剂主要包括凝聚剂和絮凝剂两大类。凝聚剂主要有氯化铁、硫酸铁、硫酸铝、氯化铝、聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铁(PFC)、聚合硫酸铁(PFS)等,使用最普遍的絮凝剂是聚丙烯酰胺(PAM)。混凝剂的选择至关重要,它直接关系到净化效果的好坏。

    特点:混凝沉淀法可以有效去除废水中的悬浮颗粒和一些重金属离子,是一种成熟、稳定、高效的废水治理方法,但也存在对有机化学药剂净化不彻底,因药剂用量过大易产生二次污染等问题。

    化学氧化法。化学氧化法是深度治理废水中残留浮选药剂的有效方法,特别是近年发展起来的高级氧化技术(AOP)能彻底去除废水中持久性难降解有机污染物。

    化学氧化法的实质是,氧化剂通过夺取废水中有机污染物中的H原子等途径,将有机污染物氧化成无毒或低毒的小分子物质,或转化为容易从水中分离的物质,从而降低废水的COD、BOD。常见的氧化剂有臭氧、Fenton试剂、双氧水、次氯酸钠等。

    特点:化学氧化法治理废水具有操作稳定、反应彻底、处理效率高并能提高废水的可生化性等特点,特别对于处理高COD的有机废水具有显著优势,但也存在运行费用较高等问题。

    人工湿地法。人工湿地是仿照自然湿地人工修建并参与监督控制的具有流动或静止水体的浅水水域,是以基质-植物-微生物为核心的综合生态系统,可通过基质截留、过滤、吸附,植物吸收、拦截,微生物摄食、分解等途径去除废水中的污染物,充分发挥了物理、化学和生物的协同作用。

    特点:人工湿地法为治理废水提供了一条绿色化、生态化的技术路线,但也存在基质易堵塞、占地面积大、受气候等因素干扰大等局限性。

    微生物处理法。微生物处理法对于矿山酸性废水具有显著的优势。其净化原理是利用微生物的新陈代谢作用降解水体中的污染物,从而达到净化废水的目的。

    特点:微生物法治理废水拥有巨大的发展潜力,具有环境友好、选择性好、二次污染少等特点,甚至还可以回收某些重金属原料,但如何筛选出适应性强的菌种是个难题。

    矿山废水的分步处理和分质利用 

    一般来说,铅锌矿矿山废水的分步处理和分质利用分4步来进行:

    一是将铅精矿和锌精矿的浓密溢流水直接回用到各自的选别流程。

    二是向尾矿水加入一定量的钾明矾和阴离子PAM进行混凝反应和絮凝沉降,将尾矿废水中影响选矿指标的铜、铅、锌、镉、铬等重金属离子去除掉。然后,再加入一定量的椰壳型粉末活性炭,并通过纤维球过滤塔来去除掉影响选矿指标的部分有机残留药剂,适度处理后的废水大部分回用到选矿流程。

    三是采场废水一部分用于厂区绿化用水和尾矿干堆库区降尘喷淋用水。

    四是加入一定量的纯碱来降低水的硬度,通过砂滤和膜滤工艺来降低水的浊度等,然后将深度处理后的水分别用于陶瓷过滤机的槽洗水、酸洗水及浮选药剂的配制溶解用水。

    根据其性质及成分存在差异,选用合适的废水处理技术及回用方法,可提高选矿废水循环利用率,实现废水的清洁排放,真正做到变废为宝。

    生态画卷 资源综合利用有新突破

    8月31日,自然资源部中国地质调查局青岛海洋地质研究所科普团队带领青岛市实验小学的9名五年级学生开展了滨海一线研学科普实践活动,本次科普实践活动的主题为“岩石与海岸带地质”。

    据了解,本次科普实践主要考察了市南区汇泉湾和崂山区石老人海岸这两个有代表性的站点。科普团队首先来到汇泉湾第一海水浴场,孔祥淮研究员绘声绘色地为大家讲解了海岸带的类型、潮汐的成因以及海滩剖面的划分。接着来到一片红色礁石区,侯方辉博士讲解了花岗岩的成因和物质组成。同学们了解到第一海水浴场沙滩区属于砂砾质海岸,而礁石区则属于基岩海岸,花岗岩主要由红色的钾长石、灰白色的斜长石以及透明的石英组成。

    随后,科普团队一行来到崂山区午山“石老人”脚下,同学们第一次这么近距离的观察石老人,高小惠博士将石老人这座海蚀柱的神奇故事娓娓道来。

    下午,科普团队回到青岛海洋所,侯方辉博士为同学们作了题为“岩石的奥秘”科普讲座,生动形象地为大家介绍了岩石的分类、成因与结构构造,随后同学们自己观察和认识了十几块不同种类岩石的颜色、硬度和典型结构构造,一边实验,一边相互交流心得,从而掌握了三大类岩石的名称及成因等基础知识。

    课后总结中,来自青岛市实验小学五年级六班的贾子昂同学这样写道:“参加这次研学活动,认识了各种千奇百怪的岩石,了解更多的海洋地质信息,丰富了自己的知识含量。我想锻炼自己探索世界的能力,用自己的脚步去丈量天地,做一个视野开阔的少年”。黄冠勋同学写道:“今天来到青岛海洋地质研究所开始一天的研学活动,通过专家讲解与外出考察及动手实践,让我既收获了岩石成因和海岸带类型等奥秘,又有了更深刻的实践体会,我们生活在海边,在今后的学习和生活中要用善于发现的眼睛去探索更多岩石的秘密”。

    通过本次研学活动,同学们了解了自己家乡的海岸带环境、岩石的种类及其成因等相关知识,认识海洋环境的演变和发展,从而学会保护环境;通过实地探查、观察、老师讲解等方式,培养了同学们善于发现问题、运用知识分析和解决问题的能力。同时,培养了大家的“团队意识、环保意识、公德意识”,丰富暑假生活,增长见识,增强同学们爱家乡、爱祖国的情感。

    讲解潮间带地形

     

    讲解岩石组成
     

    讲解海蚀地貌
     

    科普讲座
     

    认识不同种类的岩石
     
    青岛海洋所指导小学生开展滨海一线研学活动

    近些年,深海矿产资源勘查开发引起了世界各国的高度重视,海底技术进步、原材料价格上涨和价格大幅波动造成的原材料供应风险,已成为推动各国开展海洋矿产资源商业化开发的三大驱动力。近日,《地质调查动态》撰文对深海采矿现状、面临的主要挑战进行了深入探讨,并对深海采矿的前景进行展望,本期摘编其精华内容。

    ●海底矿床勘查目前正在加速进行,不断有国家或公司要求签订新的合同,其中在公海地区进行的勘查项目需经国际海底管理局批准。

    ●虽然开采海底矿产的技术取得重大进展,但还远远不够,亟待开展技术创新,采用降低成本的绿色技术是未来深海采矿的必由之路。

    ●深海采矿将成为本世纪人类满足自身发展需求的战略之举,但其前景受到技术、经济、地缘政治、国际法律法规等多重因素制约。

     

    动因

    唤醒沉睡海底的矿产宝藏

     

    传统意义上的“深海”,是指大陆架以外的海洋部分,通常水深在200米以上。深海资源一般指公海以及国家专属经济区(EEZ)以外的海洋资源部分。深海资源可分为矿产资源和生物资源两类。矿产资源主要分为多金属结核、富钴铁锰结壳和海底块状硫化物(SMS)三种类型。

    这些富集在深海的金属或非金属资源的副产品,很多都是现代高科技、绿色技术或新兴技术必不可少的原材料。例如:碲用于光伏太阳能发电,钴用于混合动力汽车和电动汽车电池,铋用于核反应堆的液体铅-铋冷却剂,铌用于高科技高温合金等。

    过去15年来,深海矿产资源勘查开发引起了世界各国的高度重视。有的国家以国有企业或专业科研院所为主进军深海,有的则是通过国家层面的立法为民间投资深海创造便利条件。至于全球层面的深海资源勘查开发治理平台也不断涌现,并日臻完善。从根本动因上来看,海底技术进步、原材料价格上涨和价格大幅波动造成的原材料供应风险,已成为推动各国开展海洋矿产资源商业化开发的三大驱动力。

    开发深海矿产资源的意义在于,它不仅可以满足国家产业发展对战略性矿产供应安全的需求,还能促进洋底填图及相关技术的发展,促进海底采矿相关服务和装备的研发,提升对深海资源的认识,维护国家战略利益。21世纪以来,世界各国对深海矿产资源的兴趣与日俱增,竞争日趋激烈。据荷兰资源专业中心数据,2010年美国在深海采矿方面的创新力排在第一位,欧洲排名第二,中国居第三位,其后依次为日本、韩国。

    此外,相较于陆地采矿,深海采矿的优势较为显著。例如:陆地采矿会在环境中留下大量“足迹”:需要修路,建造房屋和基础设施,挖掘露天采矿场矿坑,影响河道,并产生数百万吨的废石。而海底采矿不需要修路,没有海底矿石运输系统或建筑物,几乎不需要建任何海底基础设施。铁-锰结壳和结核基本上都是暴露在海床之上呈平铺状态。SMS矿床厚度可达几十米,但矿床上几乎或完全没有覆盖物。开采陆地矿床需要剥离覆盖层,挖掘出来的废石量在总挖掘量中的占比可达75%之高。而深海采矿的平台是船,可以很方便地从老矿点转移到新矿点,选择规模虽小但品位高的矿床进行开采。除矿石品位高外,海底采矿的另一个优点是可以在一处采矿场回收3种或更多种金属。3种主要类型的深海矿床(结壳、结核和SMS)都具有这样的优点。陆地采矿影响土著居民或原住民生活的问题正日益受到关注,而深海采矿不会引发这样的问题。

     

     

    挑战

    深海矿产开采存在法律空白

     

    深海采矿将是本世纪人类满足自身发展需求的战略之举,其前景受到技术、经济、地缘政治、国际法律法规等多重因素的制约。

    对深海矿产资源认知不够,勘查开发监管存在风险。行业内和研究学者们基本都知道深海矿床在哪里,但是对于资源的集中度、规模大小却知之甚少。这对于需要据此开展成本效益评估的单个项目来说,矿床品位及规模的不确定性成为制约其开发的主要因素。例如:加拿大鹦鹉螺矿业公司圈定的索尔瓦拉1号矿床,是当前世界上最先进的深海采矿项目,但其资源仅够开采两年。其结果是,现在还不能确定,该公司为开矿而进行的巨大投资是否具有经济效益,因为仅仅建造一艘船的费用就高达10亿欧元。

    深海采矿主要的缺陷和风险在于“社会环境运营许可”。由于深海采矿通常位于国家管辖区外,关于勘查活动的国际监管框架的制定进程缓慢。这就导致企业参与无章可循,使得投资者望而却步。环境组织和科学家们也声称,当前对于深海采矿给生态系统造成的环境破坏风险知之甚少。

    国际法律框架不完善,开采条款未出台。大部分深海资源都位于国家管辖区以外的国际水域,法律框架复杂。对于深海采矿引发的新问题,国际法律框架层面还存在着诸多的不确定性和空白。规制海洋活动最重要的国际法是联合国海洋法公约(UNCLOS),其在1982年通过,1994年开始实施,目前世界上有166个国家已经签约成为会员国,但也有例外,如美国。

    为了管理和协调深海矿床相关事宜,1994年在UNCLOS下成立了自治国际组织——国际海底管理局(ISA)。所有公约签署成员国自动成为ISA的成员。截至目前,ISA分别于2000年、2010年和2012年通过了勘查结核、硫化物、结壳的条款,但是关于开采的条款还在制定当中。

    结核和SMS勘查开发技术较为成熟,结壳挑战性大。深海采矿通常包括几项关键技术。首先是要有现代化的装备齐全的船。目前,已有好几艘勘查船在运营,它们通常属于国家研究机构和地质调查局。开展巡航研究是很昂贵的事情,一艘船的运营成本约5万~10万欧元/天。另一项关键技术是可用于深海采矿作业的遥控机器人(ROV)。SMS在输送至海面之前,要用ROV进行开采。散落于海底淤泥中的锰结核,可通过ROV真空将其从海底吸出来。锰结壳可通过在洋底作业的ROV进行剥离并磨碎。ROV可将这些混合物运送至提升系统,管运至海面的船上。通常,一套深海采矿系统包括4个子系统:采掘系统、提升系统、海面平台和处理系统。

    对于深海采矿技术,行业内似乎对商业化开采很有信心,认为以当前的技术水平足以满足需求。这些技术源自油气钻探,钻进深度通常可达2000米以上。然而,开采不同类型的深海矿产,其技术要求不尽相同。现有的或目前正在建立的第一代深海勘查开采技术只适用于铁-锰结核和SMS,不适用于铁-锰结壳。勘查和开采铁锰结壳需要克服两个主要的技术难题,一个是勘查和描述矿山特征,另一个是开采。勘查工具必须是深海拖曳式或可以装载在ROV上,并且可以在现场测量结壳的厚度以计算储量。最佳途径可能是开发一种多光谱地震探测工具和伽马辐射探测器,但必须解决伽马射线信号在海水中衰减的问题。与铁锰结壳相比,结壳基岩的种类繁多,伽马射线探测器在区别结壳基岩物理性能方面效果最好。开采方面的难题是,采矿工具必须能把铁-锰结壳与结壳基岩分离开,从而做到只开采结壳,不开采基岩,因为基岩开采会大大稀释矿石的品位。困难在于,结壳是牢固地附着在基岩之上的。分离结壳与结壳基岩的工作必须在水下1500m~2500m处的不规则且往往是粗糙的海床上进行,而且结壳以下的各种结壳基岩的韧性又各不相同。攻克这一难关需要进行高水平的技术创新。

    资源价格和资本成本是制约深海采矿的两个主要外在因素。深海采矿主要受到包括资源价格和资本成本在内的外部因素影响。对于采矿本身,用于造船和开发必要技术的初始投资成本是巨大的。不是所有项目都在商业上可行,但是走向深海在很多情况下却是一个战略性问题。采矿业一直是一个高成本产业,将深海采矿成本与陆域采矿进行对比很重要。对于陆域采矿,总成本包括环保成本、固定基础设施成本和劳动力成本,相较而言,深海采矿对投资者颇具吸引力。

    据欧盟方面测算,深海勘查一天的成本超过10万美元,大部分勘查航次的预算在5000万~2亿美元之间。对开采而言,一天的运营成本高达好几亿欧元,这还取决于矿床及其位置。最大的成本是船、钻探及船员的费用。从经济角度来看,很多方面都取决于上述外在因素,主要包括某种资源在一定时期的市场价格以及相较于陆域采矿的成本控制。

    深海采矿的环境影响可能会很大,要提前开展风险评估。所有扰动地球表面的活动,无论是陆上的还是深海的,都会扰动甚至摧毁动植物栖息地。因此,必须制定最环保的工作计划,并使所有地球表面的活动都按计划开展。与陆域采矿相比,深海采矿具有环境影响小的优势。然而,至今业界对于深海采矿会造成哪些环境问题尚知之甚少,目前全球只有一座海底矿山——索尔瓦拉1号矿,拥有此矿的加拿大鹦鹉螺矿业公司提交了一份开采此矿的环境影响报告,这是当前现实中唯一的陈述海底采矿环境影响的报告。考虑到矿床类型和开采工具等方面的因素,海底采矿的环境影响可能会很大。因此,基于不同尺度原地实验的风险评估是深海采矿实施前必不可少的工作环节。

    研究人员通过实施一些国际科学计划研究了开采铁-锰结核可能会造成的影响,这些国际计划以广泛的野外考察以及理论和实验室研究为基础。在采矿车辆经过的地方,动植物栖息地显然会遭到破坏,海底水层中还会产生沉积物卷流,卷流的范围有多大则不可预知。国际海底管理局2008年开展的一个项目得出这样的结论:难以预料开采海底结核会对生物多样性产生什么样的威胁,以及会带来多大的物种衰落风险,因为我们对海洋物种数量和地理分布情况的了解十分有限。存在潜在毒性的金属可能会在短时期内从孔隙水中释放出来,或在结核碎屑解吸作用下产生,特别是当采矿作业降低了表面沉积物中的氧含量时,这种情况会发生。

    从深海采出的矿石将被运送到陆上的选矿厂。一旦矿石被运到现有或新建的选矿厂加工处理,也会引发与现有陆上选矿厂同样的环境问题。但新建选矿厂可能会更高效并采用先进的绿色技术。船上的选矿工作可能将仅限于矿石脱水,把水回灌到水下采矿场。如果是开采结壳,可能会在船上进行浮选,以去除结壳基岩。

     

     

    现状

    各国加速“淘金”探明深海富矿区

     

    其实,科学家早在100多年前就知道深海里有矿产。然而,对深海矿床成因、分布和资源潜力的研究却始于最近几十年。20世纪70年代,科学家首次对东北太平洋克拉里昂-克利伯顿断裂带(CCZ)铁-锰结核进行了详细研究。当时有人预言,对CCZ海区铁-锰结核的开采将于20世纪70年代末至80年代初开始,但这一预言没有成为现实。1977年,科学家又在太平洋加拉帕戈斯海脊发现了热液系统。此后不久,研究人员又于1979年在东太平洋隆起发现了“黑烟囱系统”。20世纪80年代早期,对海底铁-锰结壳的研究引人注目,因为从铁-锰结壳中开采钴的前景被看好。然而,由于全球市场金属价格在20世纪90年代前后直至21世纪初持续低迷,开采海底矿产的积极性受到打击,开采计划被搁置。但针对海底矿床的研究与开发工作一直没有中断。进入21世纪以后,随着全球金属价格的上涨,深海矿产资源的勘查开发再次引起广泛关注。

    结壳通常沉淀在海底山岭、山脊和高原上,水深400m~7000m,厚度最大和含金属最多的结壳位于水下800m~2500m处,采矿作业最佳水深1500m~2500m。西北太平洋底海山的年代为侏罗纪,是全球海洋中最古老的海山,其结壳最厚,稀有金属的含量通常也最高。因此,西北太平洋中部赤道海区被认为是勘查海底结壳的主要地带,即通常所称的“中太平洋主结壳带(PCZ)”。

    对于结核而言,太平洋尤其是东北太平洋的克拉里昂-克利伯顿断裂带(CCZ),秘鲁盆地,以及南太平洋的彭林-萨摩亚盆地是发现结核最多的海域。印度洋盆地中部也发现了一处大型结核带,西南大西洋的阿根廷盆地和北冰洋等海域内可能也有铁-锰结核带,但这些海域的勘查程度非常低。CCZ海区最具经济吸引力,在这一海区内,已经或正在等待与国际海底管理局签署勘查合同的勘查区块有13处。矿业公司之所以对CCZ海区感兴趣,是因为此海区有大量铁-锰结核且镍和铜的富集度高。

    总体来看,截至2013年,已签署海底勘查合同的占地面积约为1843350km2,其中约一半勘查项目是沿海国家在其各自的专属经济区(EEZ)内进行的,其余勘查项目是在国家管辖区外的公海地区进行的,在公海地区进行的勘查项目需经国际海底管理局(ISA)批准。SMS矿床勘查项目的面积约占海底勘查总面积的45%,大多数都位于西南太平洋国家的EEZ范围内,公海地区SMS矿床勘查项目的占地面积仅有5万km2。在占据其余55%海底勘查面积的项目中,大多数为铁-锰结核勘查项目,这部分项目全部在公海范围内进行。此外,还有两个占地面积很小的磷灰岩勘查项目,一个在新西兰海域,另一个在纳米比亚海域;还有一个面积非常小的多金属泥勘查项目,此项目在红海海域进行。这3个小项目以及一个位于西南太平洋的SMS项目已被批准签署采矿合同。2012年7月,ISA理事会和大会通过了勘查海底铁-锰结壳的法规,此后不久便收到了申请在西太平洋进行勘查并签订合同的两份工作计划,勘查合同的占地面积9000km2。

    中国、法国、德国、印度、日本、韩国、俄罗斯以及一个名为“洋际金属”的多国集团(成员国有:保加利亚、古巴、捷克共和国、波兰、俄罗斯和斯洛伐克共和国)签署了勘查海底铁-锰结核的合同,每块勘查区的面积约为7.5万km2;中国、法国、德国、韩国和俄罗斯等国已经或即将签署勘查SMS矿床的合同,每块勘查区的面积约为1万km2;中国、日本和俄罗斯已经制定或预计将制定勘查海底铁-锰结壳的工作计划,每块勘查区的面积约为3000km2。此外,有4家公司已经或即将签订勘查海底铁-锰结核的合同,其中3块勘查区的面积为7.5万 km2,1块为5.862万km2。海底矿床勘查工作目前正在加速进行,不断有国家或公司要求签订新的合同。

     

    前景

    铺就“产学研用”深海采矿之路

     

    至今我们并不十分清楚全球海洋中铁-锰结壳、结核和SMS矿床的资源潜力到底有多大。相对而言,对CCZ海区和中印度洋盆地结核矿床的特性描述最为清楚。必须用评价陆地矿床的方法评价海洋矿床,从而发现海洋矿床作为许多种稀有、战略性和紧缺性重要矿产来源的重要性。对比评估工作应包括对每一种重要矿产整个生命周期的评价,以及对矿床开采环境影响的评价。

    从工程技术的角度看,必须取得几方面的重要突破才能使结壳开采具有可行性。与结壳开采相比,结核开采技术较为简单,因此已进入可开发阶段。阻碍铁-锰结壳勘查的最大难点是,需要在原地实时测量结壳的厚度,开采矿石的最大障碍则是把铁-锰结壳与结壳基岩有效地分离开。减少或消除对铁-锰结壳和结壳基岩物理性质测量结果的偏差有助于解决这一技术问题。需要对种类繁多的样品,尤其是磷酸盐化的厚层结壳进行分析。一个更困难的问题是,需要在原地测量浸透海水的样品。这些测量开展以下工作:认识从海水中捕获金属的机理;对比结壳和结壳基岩以开发勘查技术;描述结壳强度和结壳对各种采矿方法的承受程度。

    虽然开采海底矿产的技术正取得重大进展,但还远远不够,亟待开展技术创新,采用降低成本的绿色技术是未来深海采矿的必由之路。使用简单的酸浸法就可以浸出结壳和结核中的全部主要和稀有金属,因此,应该研发化学和生物化学选矿工艺,比如使用特定的金属结合药剂,以便能够选择性地回收想要回收的金属。在回收了想要的金属后,剩下的矿渣可以送入另一个提取流程,回收其他种类的金属。从矿渣中回收这类金属往往不具经济可行性,因此,回收这类金属的前提是国家有经济鼓励政策或战略需要。

    对于一个国家而言,要么是通过国家科学研究机构或地质调查机构加强深海矿床的勘查、开发研究及技术储备,要么是通过立法不断创造并完善有利于深海采矿的优良环境,吸引社会投资进军深海。深海矿产资源勘查开发将是一个事关民族发展、国家兴盛的重要领域,需要政府加强政策引导,强化监管与服务,铺就一条“产学研用”的深海采矿创新之路。

    深海采矿时代渐行渐近

    北京时间12月6日5时42分,嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接,并于6时12分将样品容器安全转移至返回器中。这是嫦娥五号首次月球“挖土”并“打包”带回地球,它的一系列操作中也有行星地质学家的智慧与汗水——

    嫦娥五号探测器实施动力下降并成功着陆,将在预选区域开展月面采样工作 图片来源:国家航天局

    肖龙(右)在北京航天飞行控制中心工作现场

    此次嫦娥五号迈出中国探月工程“绕、落、回”的关键一步,实现月面自动采样并成功返回,是我国探月工程最复杂、难度最大的任务之一。而早在10年前,中国地质大学(武汉)肖龙教授团队、段隆臣教授团队和李大佛教授团队就接受任务,为嫦娥系列任务研制模拟月壤、绘制采样点地质地貌地图,研究采用何种型号钻头、使用何种钻探方法取样……

    研制模拟月壤,助力月面钻探取样

    月面采样能否成功的关键因素之一,是要了解月壤的性质,并研制出与实际月壤性质较为相似的模拟月壤,用于采样工程技术验证。从2011年开始,中国地质大学(武汉)行星科学研究所肖龙教授和他的团队就开始着手为嫦娥系列任务研制可供实验的月球土壤样本。在肖龙的实验室兼办公室,桌面上摆放最多的就是各种类型的模拟月壤,这也记录了他们团队10年的奋斗历程。

    由于缺乏真实样本数据,他们只能用有限的陨石和遥感数据反复进行分析,用不同的材料进行配比尝试。为保障模拟月壤的高仿逼真,肖龙带领团队调研了“阿波罗载人登月计划”采集的月壤样品性质,获得了实际月壤的相关参数,以及随深度变化的月壤剖面结构。团队根据实际月壤的可能状态和月面低重力的工作环境,选取了不同类型的玄武岩、火山灰、斜长岩、钛粉等数十种与月壤性质较为相似的地球岩石和矿物,选择特定的工艺,对岩石进行破碎加工,制造出颗粒形态和成分等都与实际月壤相似的原料,进而将不同粒度的原料进行配比。

    经过大量试验和迭代,团队成员研制了不同密度、不同级配、不同成分等10多个系列的模拟月壤,被工程单位用作地面钻探试验,确定各项钻探参数,再根据这些参数设定月面钻探取样的工作模式。

    肖龙介绍,为嫦娥系列任务研制模拟月壤的10年来,其团队总共为工程单位提供了近100吨模拟月壤;共研发出60多个种类的模拟月壤,经过反复筛选,其中10多种被最终确认为试验用月球土壤。近几年,他们还研制了用于材料加工(如3D打印)的模拟月壤,以及模拟火星土壤等,为月球基地建设、火星探测、地外资源利用等提供支撑。

    绘制大比例尺月球地质图,为“嫦娥”指路

    如同打仗需要战场地形图一样,嫦娥五号降落月表同样需要一份详细适用的地图。只有廓清落点的地质地貌,才能确保嫦娥落月的安全。因为涉及月面取土作业,这份地图还必须涵盖落点附近的地质构造,以满足嫦娥五号的工作需求。

    据了解,嫦娥五号预选着陆区东西长约450公里、南北宽约120公里,总面积约5.5万平方千米。这么大面积的月海地形地貌图如何绘制?作为采样点选址的一项关键工作,肖龙教授带领团队在结合以往国内外月球地质填图资料和填图规范的基础上,建立了利用多源遥感数据开展月球地质填图的方法和流程,包括落月点地形地貌、石块分布、月壤厚度以及撞击坑统计定年;并采用高程数据计算预选着陆区山体阴影、坡度,月海的地形特征和玄武岩厚度;采用多光谱数据反演铁钛含量、计算光学成熟度、合成假彩色影像和月壤粒度。

    经过10年努力,肖龙教授带领团队顺利完成并提交了《嫦娥五号预选着陆区1∶25万地质图》,基本查明了嫦娥五号预选着陆区的地质框架和地质事件序列,为嫦娥五号着陆提供了大比例尺月球地质图。该地质填图成果为探月工程提供了基础地质支撑,通过对月海玄武岩物质成分、玄武岩喷发历史和撞击坑等着陆区域专题研究,确定了地层切割关系、成分和矿物组成,厘清了该区域的地质演化历史。

    “《嫦娥五号预选着陆区1∶25万地质图》完全覆盖嫦娥五号预选着陆区,弥补了预选着陆区没有大比例尺月球地质图的空白,是我国嫦娥五号任务重要的参考资料。该地质图表现了预选着陆区范围内各种地形、地貌、地质信息,以及主要地质单元的分布、年龄、岩性、化学成分、矿物组成等特征。丰富翔实的地质图面内容可以为嫦娥五号任务选择一个样品价值最为丰富、实施难度适中的着陆点提供依据。同时,也为返回样品的研究提供了不可或缺的地质背景信息。”肖龙介绍说。

    作为嫦娥五号钻取子系统飞控专家组成员,肖龙还参与了嫦娥五号科学目标的论证和采样点的选址工作。

    北京时间12月1日23时11分,嫦娥五号在月球正面西经51.8度、北纬43.1度附近成功着陆。着陆点位于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区,这是中国探测器第三次在月球实现软着陆,也是人类探测器首次踏足这一领域。为什么选择在此处采样?

    肖龙表示,着陆点的选址最主要考虑两点,一是工程的安全性,二是要有重要的科学价值。工程方面,主要考虑地形、地貌、坡度、光照和通信条件等因素;科学方面,重点考虑在月球科学中的价值,能否为回答月球科学问题提供关键样本。着陆点要远离以往着陆采样区,还要有与以往不一样的样品,能够回答以往没有解决的科学问题。吕姆克山区域有月球上最年轻的火山岩,样品的研究意义很大。

    设计螺旋钻进方案,破解钻头散热难题

    钻取月壤的钻头要钻进月表2米深,而月球上没有空气和水,那么,高速旋转下的钻头该如何散热?中国地质大学(武汉)段隆臣教授团队和李大佛教授团队参加了部分钻探方案设计和钻探模拟试验等工作。

    段隆臣介绍,月球钻探与地球钻探的最大不同是环境不一样。有利的是,月球引力只有地球引力的1/6,机械设备消耗的功率较小;不利的是,月球上是真空环境,重力环境也发生改变。此外,在地球环境下,钻头钻进往往会使用冷却液,给钻头降温才能继续工作,而月球上没有空气和水,钻头在高速运转中产生的高温无法散热,必然影响钻头工作。

    段隆臣带领团队经过理论计算,确定了在月球上钻探2米需要的动力储备,并通过低密度的月壤模拟低重力效果,经过反复尝试,最终选定螺旋钻进方案。在钻头的选取上,李大佛教授团队也进行了很多有益尝试。

    “钻头钻进后,月壤的一部分会由钻头的螺旋叶片带出,另一部分月壤通过空芯钻杆带回地球。”段隆臣团队成员高辉介绍了钻取月壤钻头的工作原理:螺旋叶片带出月表的月壤可以有效降低钻头的温度,不需要再进行冷却也能确保钻头正常工作。

    高辉介绍,嫦娥五号的取土作业采用机械臂表取和钻具钻取两种方式进行,其中表取1.5千克、钻取0.5千克。表取由机械臂采用挖、夹、铲等动作完成,表取的机械臂相当于机械手,非常灵活,配合计算机视觉系统,可以实现自由抓取。

    月球样品成功返回后,中国地质大学(武汉)将积极申请样品,开展相关研究工作。“月壤样品宝贵,成分非常复杂,需要系统开展研究,包括月壤颗粒粒度、岩石矿物组成、年代学、元素和同位素组成等。通过系统的研究,可以获得有关对月球火山活动历史、月幔物质组成、月球热历史等方面的新认识。这些工作将由多个单位共同完成。”肖龙说。

    月球取土,地质科技来帮忙

    煤炭发电站排放污染物

    1957年美国内华达州原子弹爆炸

    白垩纪恐龙时代

    国际年代地层表

    编者按 近日,一些科学家投票选出了一个新的地质年代——人类世,以此表明人类对地球做出的深刻改变。由34名成员组成的人类世工作组(AWG)做出的这一决定,标志着正式定义一个新的地质年代的工作迈出了重要一步。为什么要划分人类世?人类世始于何时?“金钉子”将选在哪里?……本版带您一起了解。

    事件

    地球进入“人类世”

    近日,人类世工作组(AWG)的科学家投票决定,地球已进入新地质时代——“人类世”,并指出20世纪中叶是“人类世”的起点。人类活动已经对地球造成了重大影响,甚至可能改变地球的演化方向。科学家们是在审阅了现有证据之后,投票赞成将我们所处的时代划分为一个新的地质时代——人类世。

    自从十多年前这个术语首次被正式提出以来,专家们一直为此进行激烈的争论。人类世工作组(AWG)确定,人类对地球产生了如此深远的影响,这一说法是有理有据的。国际地层委员会旗下的第四纪地层学小组委员会于2009年设立人类世工作组,该工作组负责考察和界定“人类世”,共有34名地质学、考古学、生物学、海洋学、气候学等多种学科专家参与,由英国莱斯特大学的简·扎拉斯维奇担任主席。

    国际地层委员会(ICS)尚未批准这个新术语,但AWG将在2021年之前向ICS提交一份正式提案,以正式定义我们当前的时代。

    AWG是由第四纪地层小组委员会建立的,该小组委员会是国际地层委员会的一部分。在这次投票中,AWG的29名成员支持人类世的定义,并投票赞成以20世纪中期作为人类世的起点——当时迅速增长的人口加快了工业生产、农用化学品使用和其他人类活动的步伐。与此同时,第一次原子弹爆炸产生的放射性尘埃在地球上飘荡,它们随后嵌入沉积物和冰川中,成为地质记录的一部分。

    此次投票的结果并不让人感到惊讶,因为它只是巩固了2016年在南非开普敦召开的国际地质大会上的非正式投票结果。但这一结果鼓舞着科学家尽快找到代表全新世结束和一个由人类活动塑造的新地质年代开始的地质标记。

    一旦AWG提出正式建议,国际地层委员会的其他几个小组将对其进行审议。如果获得通过,那么将由国际地质科学联合会下属执行委员会作出最后的审批。

    释疑

    1 什么是“人类世”

    “人类世”这个概念最早由诺贝尔化学奖得主、荷兰大气化学家保罗·克鲁岑于2000年提出。他认为,地球已告别1.17万年前开始的地质年代“全新世”,快速增长的人口和经济发展对全球环境造成巨大影响,人类活动对地球的改变足以开创一个新的地质年代。

    2002年,《自然》杂志发表了他的文章《人类地理学》。在这篇文章中,保罗·克鲁岑正式提出“人类世”的概念,并对“人类世”一词给出了具体阐释:“自1784年瓦特发明蒸汽机以来,人类的作用越来越成为一个重要的地质营力;全新世已经结束,当今的地球已进入一个人类主导的新的地球地质时代——人类世。”

    “人类世”概念的核心在于,人类活动对地球的影响已经大大超过了自然变化的影响,尤其是自工业革命以来,人类在土地利用、建坝挖河、水资源利用等方面极大地改变了地球的面貌和环境。更为重要的是,人类活动改变了大气成分,化石燃料的巨量燃烧造成大气中温室气体浓度飙升,改变了气候变化的方式,地球的历史演变自此进入了全新的阶段。

    2008年,英国地质学家、莱斯特大学地质学教授扎拉斯维奇和他的团队发表提案,论定地球已经进入“人类世”。

    2011年5月,约20名诺贝尔奖得主向联合国提交《斯德哥尔摩备忘录》,建议将人类现在所处地质年代改为人类世。

    2016年8月29日,第35届国际地质大会在南非召开,会议正式通过“人类纪”“人类世”和“人类期”的概念。

    2 为什么要划分“人类世”

    保罗·克鲁岑认为,人类活动对地球的影响足以开创一个新的地质时代。从工业革命开始,人类活动的影响已经大大超过了自然变化的影响,并且这种影响在未来数万年依旧会持续。因此,有必要专门划分出一个地质历史时期,来看待人类对地球环境重大且持续的改变。

    在过去的300年间,地球面貌发生了翻天覆地的变化。全球人口增长了10倍以上,克鲁岑在2002年发表文章的时候,全球人口为60亿左右,而到2018年初,全球人口已经飙升到了74.4亿以上。因为化石燃料燃烧引起大气中温室气体增加,2002年,大气中的二氧化碳浓度达到370ppm(百万分之一浓度),比工业革命前高30%;到2018年中期,大气中的二氧化碳浓度达到410ppm以上,这比工业革命前高了45%以上,比过去80万年中的任何时候都高,甚至是过去300万~500万年以来的最高值。

    “‘人类’本身已经变成了一个地质过程。”英国地质调查局的地质学家科林·沃特斯说,“塑造地球的主要地质力量——它不再是河流、冰或风了,而是人类。”

    2008年,英国地质学家扎拉斯维奇认为已正式进入了人类世。第四纪地层学小组委员会网站发布的文章指出,与“人类世”相关联的现象包括,生物栖息地减少,全球气候变暖,混凝土、塑料等物质出现……这些变化将存留千年或更久,它们正在改变地球系统。

    3 “人类世”始于何时

    关于“人类世”的起始时间,科学界存在不同的观点,其中最早的日期是1万年前的农业革命。而克鲁岑把人类世的起始地质年代精确定为1784年,即从瓦特改良蒸汽机开始。

    2016年,《科学》杂志发表综述《人类世在功能上和地层上与全新世截然不同》,来自英国地质调查局的科林·沃特斯等人依据大量数据,提出人类世应该被认作是一个新的地质时间单位,其开始的时间应该为20世纪中期,即1950年左右,当时核能时代开始、人口膨胀、工业急剧发展、矿产和能源加快使用。人类活动给地球留下了无处不在而且持久的印记,与之前的全新世截然可分。

    大多数支持人类世命名的科学家更倾向于以1945年为起点。由于20世纪中叶人口的快速增长及工业化消耗了更多的自然资源并产生了更多的温室气体,标志着人类对地球物种的影响“大加速”。

    AWG大多数成员认为,20世纪中期是“人类世”的起点,当时迅速增长的人口加快了工业生产、农用化学品使用和其他人类活动的步伐。不过,有4名AWG成员不赞同这一观点。AWG的4名成员投票反对将人类世定为新地质年代的想法。他们反对工作组试图在全球地质记录中找到一个单一明确信号的做法,认为应该承认人类从史前农业开始便对地球产生了渐进性的影响。

    英国莱斯特大学考古学家、AWG成员埃奇沃思说:“地层证据压倒性地表明,这是一个跨越时间的人类世,它有多个起点,而不是一个单一的起点时间。”他认为,仅仅根据放射性核素信号来命名一个新的地质年代,“阻碍而不是促进了对人类参与的地球系统变化的科学理解”。

    尽管围绕着人类世的概念还有很多学术争议,但是人类世的概念深刻影响了全球各界看待世界的方式。我国“黄土学之父”、已故著名地质学家刘东生院士指出:“人类世的提出是一个值得考虑的问题,因为它不仅是一个地质学分期的问题,同时还涉及人在自然界的地位的问题和人类认识自己的问题。”

    4 “金钉子”将选在哪里

    人类世要想作为新的地质年代,它就需要具备相应的年代地层,这首先就需要确定边界。AWG的下一步工作重点是确定一个具体的地质标记或“金钉子”,这在技术上被称为全球界线层型剖面和点位(GSSP)。这是一个国际公认的岩层基准点,科学家们用它来定义地质时代之间的边界。

    根据国际地质科学联合会和国际地层委员会规定,“金钉子”是确定和识别全球两个时代地层之间界线的唯一标志。地球上的宙、代、纪、世、期都要由“金钉子”来区分,它一旦在世界某个地方“钉下”,该地点就变成一个地质年代的“国际标准”。现在这个被称为全新世的时代大约始于1.17万年前的最后一个冰河时期的末期。

    AWG列出了10个“金钉子”候选地点,它们可以用来区分全新世和人类世,包括意大利北部的一个洞穴、大堡礁的珊瑚和中国的一个湖泊。他们还在考虑是否使用来自第一次核试验的放射性碎片痕迹来支持他们的主张。目前,许多参与这项工作的科学家正在德国柏林协调未来两年的研究工作,他们希望在正式提案中包含一个单一地点。

    扎拉斯维奇表示,工作组正在考虑是否选择1945年原子弹爆炸至1963年《有限禁止核试验条约》缔结期间产生的放射性核素作为证据。

    “我们需要非常详细地分析每个地点存留的地质信号,并比较所有信号,以判断哪些能最清楚地反映与‘人类世’起始相关的全球变化。鉴于存在多种信号,例如矿物质含量、化学性质、不同种类的化石等,而且它们存在于湖底、极地冰川、热带珊瑚等不同环境中,选定‘金钉子’是一个漫长的过程。”扎拉斯维奇说。

    小知识

    地球地质年代的划分

    地球46亿年历史可分为三大阶段——天文时期:46亿~35亿年,地球上基本未保留这一时期的地质体;隐生宙时期:35亿~6亿年,地质体在部分地区有保留,已有原始生命出现;显生宙时期:6亿年至今,此期地质体遍布全球。

    也因此,地球历史年表中主要是以有地质体的时间来划分的,其中最大的时间单位是宙(eon),宙下是代(era),代下分纪(period),纪下分世(epoch),世下分期(age),期下分时(chron)。以代来划分,新生代是地球历史上最新的一个地质时代,从6400万年前开始一直持续到今天。随着恐龙的灭绝,中生代结束,新生代开始。新生代又分为古近纪、新近纪、第四纪,然后是纪下的七个世:古新世、始新世、渐新世、中新世、上新世、更新世和全新世。

    人类就是在距今约260万年的全新世之时,从灵长目中的猿逐渐完成了从猿到人的演化。过去认为,如果把地球的历史比喻成24小时,人类只存在了3秒。但是,由于发现了更早的人类化石,又把古猿转变为人类始祖的时间向前推进到700万年前。

    当然,人类的出现与进化是第四纪最重要的事件。第四纪可分为更新世(早更新世、中更新世、晚更新世)和全新世。如果现在要划分人类世,就是把第四纪从更新世、全新世延续到了人类世,也是与全新世道别。

    与地球46亿年的历史相比,人类短短300万年的历史犹如“一瞬间”,然而,就在这“一瞬间”,人类已将自己的印记深深“烙”在了这颗蓝色星球上。

    “人类世”来了

    “智能地质调查扩大示范应用”工作是自然资源部中国地质调查局发展研究中心2018年度的“两重”工作之一,局相关主管部门从区调、矿调项目的地域分布、项目类型、示范尺度等角度出发选择13个试点。上半年,智能地质调查技术研发团队在局主管部门和中心统一部署下,积极落实各项工作。召开智能地质填图工作推进研讨会,梳理各试点对地质云数据资源、存储资源、计算资源以及智能调查业务应用需求,编制试点工作方案。并与各试点单位和野外项目组深度对接,建立试点骨干队伍以及日常示范要点沟通与技术推进机制。

    基于“地质云”基础设施,搭建了面向各试点的基于“人工智能+大数据+云计算”、以“大数据+大计算”为特点的数据管理、数据处理、数据服务为一体的地质调查智能空间平台,形成了按照工作区域、地区、地质对象、用户群快速构建不同种类的智能地质调查工作环境,为基于云和大数据技术的数据采集、管理、处理、建模和知识服务全过程的智能地质调查工作模式应用奠定基础。

    智能地质调查研发团队在明确智能地质调查2018年度主要技术突破点和重点工作基础上,结合各试点情况,开展基于深度学习的地质调查对象智能分类与识别流程试验、面向地质调查对象的地质空间模式构建和应用流程试验,推进基于云环境的开放式通用地质数据采集与集成技术方法在试点中的落地应用,完善基于知识库描述框架的地质图PRB三维建模技术方法。

    与此同时,智能地质调查研发团队半年来通过多种途径对各试点进行实时技术指导,并对南京地质调查中心、物化探所、技术勘查指导中心的多个相关野外项目组开展针对性野外技术支持,完善地质调查智能空间操作手册和培训材料,形成“地质调查智能空间环境搭建指南”等2项技术要求初稿。

    下一阶段,智能地质调查研发团队将继续深化地质调查智能空间框架、核心技术和应用模式研究,全面技术支撑智能地质调查的扩大示范应用工作,积极推进智能地质调查工作模式和应用流程的阶段成果总结。

    智能地质调查扩大示范应用工作按计划有效推进-智能地质调查工作平台

     

    智能地质调查扩大示范应用工作按计划有效推进-技术对接和技术支持4

     

    智能地质调查扩大示范应用工作按计划有效推进

    他是一个“80后”,一名中共党员,一位普通的地质工作者。他是儿子,是丈夫,是父亲,却为了更好地保护人民群众的生命财产安全,为了更精确地防治地质灾害而永眠河湟。

    回望他的一生,虽其短暂,却荡气回肠,无愧天地。他自律、担当、尽心尽力,以“居其位,安其职,尽其诚而不逾其度”的忠诚履行责任;他学习、探索、敢闯敢试,以“苟日新,日日新,又日新”的坚持追逐创新;他积极、热情、集思广益,以“同其心,一其力,人尽其才”的精诚共谋合作;他勤奋、仁爱、克己为公,以 “以身许国,何时不可为”的慷慨毕生奉献;他耿介、正直、进德修业,以“天无私覆,地无私载,日月无私照”的磊落恪守廉洁。

    逐一比照中国地质调查局党组提出的“责任、创新、合作、奉献、清廉”的新时期地质工作者的核心价值观,李祥龙是忠实的实践者。他以实际行动诠释了新时期地质工作者核心价值观的真正内涵,堪为地质工作者的行为典范,精神上的引路人。

    本报今日推出长篇人物通讯《黄土悠悠祭忠魂》,作为“深入开展‘两学一做’ 发扬光大地质精神——走进践行新时期地质工作者核心价值观先进典型”专栏的开篇,敬请垂注。

     

    暑热炎炎,哀思弥漫。

    白发双亲、孀妻幼子,泪流成海,悲恸锥心。7月12日,甘肃临夏回族自治州殡仪馆内,李祥龙的遗体告别仪式正在举行。

    李祥龙,1986年生于河北廊坊。中共党员,博士。生前任中国地质调查局地质环境监测院水工环地质工程师,兰州地质灾害风险评估与管理项目负责人。

    2016年7月8日14:30,李祥龙在临夏州东乡县果园乡陈何村下坪山滑坡点开展地质灾害调查勘查时,不幸因公殉职,年仅30岁。

     

    坚守岗位,遇不测永眠河湟

     

    “他从未和我说过出野外会有多苦。他发给我的照片都是在最美的风景里他最好的状态……我也一直觉得出野外不都一样吗?我们做区调,都是一群人一起出去,一起回来,大家相互照顾,疲惫但很快乐。我从没想过他的‘野外’是那么荒凉、艰苦的地方。如果知道他会发生这样的事,我坚决不会同意他改签航班……甚至,我早就帮他调动工作了,无论他同不同意。”说这些的时候,李慧就那么一直坐着,一只手紧紧握成拳头,不时一声长叹。

    李祥龙发给妻子李慧最后一条微信的时间是7月8日7∶30。

     

    李祥龙在甘肃野外调查现场

     

    按原计划,这天上午,他应该在赶往兰州机场的路上。当天傍晚,就能从北京回到廊坊,出现在家人面前。他确实太想念父母、妻子,还有年幼的女儿了。而另一个更重要的原因是,国土资源部与德国经济技术部之间开展的“兰州市地质灾害风险评估与管理”国际合作项目,需要他回来做前期沟通准备工作。

    可是他临时“变卦”了。他告诉李慧,他想多留一天,把陈何村滑坡的滑带找到,查清滑坡机理,所以他已经改签了9日的航班。

    “他说他一定要亲眼看到陈何村滑坡的滑带,不然回去心里也不踏实。”李慧说,“抛开滑坡灾害会带来危险这个‘恶’的层面,从地质科学的角度看,其实在他眼里,它是特别美的。那种美可能不是通常意义上的美。他像欣赏艺术品一样去欣赏滑坡灾害的一切,从中找到一切可能的研究价值。”

    “河湟”一词最早出现于汉代。《后汉书·西羌传》有“乃度河湟,筑令居塞”的记载。其中,“河湟”是指今甘青两省交界地带的黄河及其支流湟水。此后,“河湟”逐渐演变为一个地域概念,泛指黄河上游农区,当然在更广的范围内也包括洮河流域。

    洮河,位于我国甘肃省南部,是黄河上游第一大支流。洮河流域下游处于黄土高原与青藏高原的接壤处。这里的滑坡灾害在我国乃至世界上都非常典型。这里在行政区划上属我国唯一的东乡族自治县。由于植被覆盖率低、地形破碎,地质灾害涉及面积占全县总面积的八成以上。该县也成为国家级贫困县之一。地质灾害成为当地群众脱贫致富的一大障碍。

    实习生王冠兵还清晰地记得李祥龙曾说过的一句话:“我们的工作也属于精准扶贫。真希望通过我们的努力,能让他们的生活得到改善。”

    站在果园乡陈何村下坪山滑坡体上,巴谢河就在脚下流过。巴谢河左岸,古滑坡发育密集,几乎一个挨一个。而在3千米外,1983年,洒勒山滑坡,近6000万立方米的滑坡堆积物掩埋了4个生产队,伤亡278人,毁坏农田3000余亩。这些,也被写入地灾相关专业的教科书。

    为了深入研究滑坡发生过程及其机理,为今后的地质灾害防治提供科学的数据理论支撑,2015年,洮河流域下游地质灾害调查监测项目设立。李祥龙的工作又增加了一项重要内容。他比以前更忙了。

    自5月23日出野外以来,按照“规矩”早就过了轮换探亲的时间,他却一直没回去过。由于古滑坡时间久远,滑带模糊难辨,工作开展了一年多,研究迟迟没有进展。李祥龙有点着急,“他希望至少能确定控制滑坡的地层到底是哪一层。”

    6月10日,陈何村发生了滑坡。滑坡体掩埋了120米长的乡村干道,幸好没造成人员伤亡。对李祥龙来说,没有人员伤亡的滑坡是非常值得庆贺的事。因为这至少可以为研究提供最新样本,有可能带来突破性的进展。

    项目组决定在这里调查、取样,布置钻孔。

    项目组的成员说,此前几天,李祥龙每天在裂缝遍布、黄土松动的滑坡体上爬上爬下。他根据掌握的知识,初步推断是岩层滑动。黄土层滑动不太可能有这么大的土方量。可到底是哪个岩层?怎么证明?只有亲眼看到滑带,亲手取到样本,才能得出结论。

    7月8日——多留下的这一天,李祥龙一点都不愿浪费。

    吃过早饭,李祥龙就和项目组同事侯圣山,实习生王冠兵、金文祥一起去了东乡族自治县果园乡陈何村滑坡点。

    观察岩心,去旁边的山沟里查看岩层,爬到滑坡体顶部选好地方指挥挖掘机挖探槽让滑带尽快漏出来……整个上午,李祥龙一刻未闲。

    “他叮嘱我说,在他回京后你要把这个滑坡盯好,如果钻机打到滑带了,马上拍下照片发给他。”王冠兵说。

    有人看到,午饭后,李祥龙曾站在坡顶远望群山,良久沉思。

    他熟悉这里的每一处滑坡、泥石流、崩塌、不稳定斜坡,他几乎踏遍了巴谢河和广通河沿岸的每一寸土地。

    探槽挖到长约5、6米,深约4.5米的时候,挖掘机挖到石头了,只好暂停。但这足以完成进探槽观察,取样,拿到求之不得的第一手资料。这样的工作李祥龙做过很多次。

    和往常一样,按照安全规程,金文祥留在外面观察预警,李祥龙和王冠兵下去。带上安全帽,拿上地质锤,李祥龙顺着斜坡走进探槽,王冠兵拿着铁锹跟在后面。

    探槽两边的土壁比人高出一米多,里面阴凉昏暗。

    王冠兵跟着李祥龙在应是滑带的地方停下仔细观察了片刻。他听到李祥龙说:“奇怪,怎么出现砂岩了?走,我们先上去,到旁边再看看岩层去。”可他刚一转身,身体就动不了了,紧接着眼前一片黑暗。在黑暗中,在失去意识之前,他隐约听到李祥龙发出了两次声音,感觉李祥龙的右手动了几下。他刚想喊,就吃进了一口黄土。

    “他们前方头顶的黄土迎面坍塌下来。只一瞬间,根本来不及反应,两个人都不见了。”金文祥眼睁睁看着这一切就这么发生却无能为力。

    待人们用铁锹或徒手挖开泥土,王冠兵因头部在黄土之上,虽险无恙。而李祥龙双眼紧闭,身体站得笔直,左手的地质锤被黄土紧紧挤压在胸口上……压迫性窒息,医学术语如此定义他的死因。

    他把命留在了古老的河湟。

     

    深明责任,由汶川宣誓人生

     

    李慧说,也许是汶川改变了李祥龙的人生。“就是从那次汶川赈灾以后,他才重新审视他即将深入学习的专业,对人生、对责任有了更深刻的思考和认知。”

    2008年,汶川地震。

    而这一年,李祥龙本科毕业,以专业综合排名第一的成绩被保送中国地质大学(武汉)硕博连读,师从著名滑坡专家唐辉明教授。

    6月,他背起行囊跟随有唐辉明教授参与的该校科技赈灾队进驻汶川地震灾区进行调查。这次调查最终形成了相关建议和报告,提交给国土资源部参考。

    “他去汶川的时候,我在准备研究生考试。很久以后,他向我感慨,人在自然、在灾难面前真的太渺小了。站在汶川的灾后现场才懂得什么叫人间地狱。”李慧说。

    从那以后,她明显感觉到李祥龙变了,“他的性格里更多了一种悲天悯人的情怀。”

    2009至2010年间,李祥龙硕士在读。

    这期间,他参加了汶川地震地质灾害调查评价项目,前后三次深入地震灾区,对受灾最为严重的汶川县映秀镇及北川县陈家坝乡两处典型区域进行工程地质调查。

    从事地质研究,最关键的资料永远在一线,亲眼看到,强过万千描述。

    一次临行前,他不小心扭伤了脚踝。导师照顾他,有意安排他整理内业。李祥龙急了,马上找到导师,忍着脚痛快走了几步,以此证明他可以参加现场调查,最终成行。

    有超过两年的时间,李祥龙一直在映秀。很长时间,项目组就他一个人在驻地留守。“我去看过他。他就一个人睡在河边的一个小房子里。四周空寂。夜晚静得只听到潺潺的水声……我才知道其实他有多孤独。”李慧说。

    事实上,在映秀,在汶川,在四川,李祥龙经历的不止这些,还有因对责任、对底线的坚守而遭遇的人身威胁。

    2011年,李祥龙攻读博士学位期间,参与了一个灾后重建项目,并作为设计代表长期驻扎在现场。有一次,他到现场检查时,发现施工方偷工减料,施工质量与设计要求相差甚远。他拒绝在验收报告上签字,并当场要求返工。施工方来人把一沓钱塞给他,被他严词拒绝。施工方见收买不奏效,就以人身安全相威胁。李祥龙回复得义正辞严:“这是灾后重建项目,事关人命。偷工减料就是犯罪。我走不走得出去没关系,但是工程必须要合格!”

    也许正是这些经历,让李祥龙懂得坚守责任背后将意味着要承担更多的未知。但他依然可以乐观笃定地走下去。

    博士毕业时,北京电力、水利行业的几家单位向李祥龙抛出了橄榄枝,并为他开出了非常优厚的薪酬,李祥龙都逐一拒绝。

    “他说,妈妈,我学了这么多年地质灾害防治,一定要做这方面的工作。我要为提高中国地质灾害研究和防治水平做出点什么,我觉得我一定能。”每当想起儿子说的这番话,李祥龙的母亲心里都满满的骄傲,“他的眼神是坚定的。他知道他想要什么。”

    在中国地质环境监测院第二届青年地质论坛上,李祥龙曾做了题为《层状节理岩体高边坡地震动力破坏机理研究》的报告。

    他在PPT最后一页的备注里这样写道——从工作角度来说,我希望自己能够依靠同事的帮助和自己的努力,尽快熟悉和掌握我院主要工作内容和工作方法,以及我所在的地质灾害调查监测室的主要工作内容和研究方向,完成从学生到地质环境工作者的角色转变,实现对今后需要参与的工作的较为系统和深入的认知;从专业角度来说,我十分渴望能够依托我院的优势硬件及软件条件,发挥运用自己已经掌握的地质灾害防治方面的专业知识,同时在实践工作中继续学习,探索地质环境相关领域的新工作方法和新科研方向,从而实现学以致用、持续学习,与我院和我室的大发展趋势保持高度的同步的同时,也争取发展个人的学术优势和科研动力,为我院和我室的发展贡献自己的专业力量;从生活角度来说,作为一名普通的中国公民,我认为自己有责任也有义务,为中华民族实现全面复兴、为中国人民实现“美丽中国”的梦想传递属于自己的正能量,为了我们能够拥有一个人与自然能够和谐相处的社会主义社会而奋斗。“美丽中国”既是我们每一个中国公民的梦想,也是我们每一个地质环境工作者的工作追求,更是整个中华民族的梦想。我相信我一定能够以我室分配的具体工作目标为自我定位、以我国地质环境工作需求为方向,以助力“美丽中国”梦想为理想,通过认真的工作、学习和研究,贡献作为一名年轻地质环境工作者的能量。

    或许可以说,这就是他为自己的地质人生定义的方向和责任,是他的事业宣言。

    谋求创新,肯动脑善学好问

    “他专业知识扎实,悟性高,善于学习,更为难得的是他对工作充满激情,肯吃苦,肯动脑筋,能堪重任。领导信任他,同事爱戴他。同时拥有这些品质,在年轻人中是很少见的。”这是中国地质环境监测院副院长田廷山对李祥龙的评价。

    善学好问,肯动脑筋,能解决问题,可堪重任,是当下“创新型”人才共有的特点,也是李祥龙留给熟知他的人比较一致的印象。

     

    李祥龙(左四)参加北川陈家坝滑坡调查

     

    2011年,李祥龙在攻读博士学位期间,作为国内学生中的佼佼者,被公派前往美国华盛顿大学参加博士生联合培养研究。

    在美国一年的时间里,他的绝大部分时间是在实验室度过的。为了抓住难得的机会做好地质灾害物理模拟实验,李祥龙成了一名不折不扣的“工匠”。他从市场上买来水泥、木材、锤子、锯子等工具,自己动手,将自然界中的地质灾害做成模型在实验室内模拟。

    为了能够掌握准确的数据,他经常连续好几天通宵达旦地待在实验室里,一遍一遍地重复操作。他手上磨出了血泡,几个月下来瘦了十几斤。

    这一年,他在动力岩石力学、现场模拟离心机试验研究、动荷载岩石边坡稳定性分析等方面均取得了不俗的成绩。华盛顿大学的导师非常喜欢李祥龙严谨的科学态度和能吃苦的精神,希望他留在美国继续从事研究工作。但他毅然选择回到祖国。

    “哀牢山地区地质灾害监测预警”项目是李祥龙工作后承担第一个项目。高速远程滑坡在哀牢山地区比较典型,且破坏力巨大。为分析这种滑坡的致灾机理,李祥龙查阅了国内外大量资料,也进行了大量现场调查。

    2014年汛期,哀牢山地区发生了一起泥石流,冲下来四千米远。当时李祥龙在北京。调查是由项目组的其他成员完成的。他的同事说,从北京到了哀牢山后,他放下行李就去了泥石流发生地,踩着巨大的乱石,从上到下实地走了一遍。“他说他要亲眼看看,能对这片地区的灾害多增加点认识。”

    经过调查和分析,他选取两个有代表性的滑坡,对滑坡发生后的情况进行了数字模拟研究。研究所需的软件是他借鉴国际前沿方法,从国外专业网站上找到的,软件的使用方法也是他自己学习和摸索的。这一创新性研究丰富了哀牢山项目的成果,对当地同一类型滑坡的防治具有借鉴意义。

    李祥龙办公室的书架上摆满了各种专业书籍,不仅有地质学方面的,还有很多关于计算机编程等其他领域的书。

    “他出事的前两天还买了两大包专业书寄到家里,有一包还没有拆封。”相识十年,对于李祥龙爱钻研的韧劲儿,李慧着实领教过。“我们圈子里的朋友都是学地质的。无论是和他一起踢球的朋友,还是和我小聚的闺蜜,他总有本事把话题最终引向探讨地灾滑坡。”

    “他总是说,要想在工作上有所创新、有所突破,需要学习的东西太多了,感觉时间根本不够用。每一次参加培训,他都会叮嘱我把资料拷回来,我也会尽可能在朋友那搜集更多的前沿资料供他学习。我明白,他是想借鉴融汇其他专业的知识来解决他面对的专业难题。”

    闫金凯与李祥龙同在一间办公室,是共处时间较长的同事。他说,他英语特别好,专业知识扎实,而且特别喜欢钻研,涉猎的领域有些很少有人了解。

    参加工作3年来,李祥龙以项目负责人、副负责人、课题骨干身份承担和参加中国地质调查局矿产资源评价项目、国家重点项目、国际合作项目十余项。在岩土力学、岩石力学与工程学报、工程地质学报、国际工程地质大会等高水平期刊或会议论文集发表论文10多篇,并形成项目成果若干部。2014年,他被选拔为地质环境监测院青年英才。

    李祥龙的办公桌下放着一台专门用于建模的电脑。很少人知道,在离世之前,他一直在用心研究程序语言。他想尝试建立一个适用于兰州地区、适用于中国黄土高原地质灾害的风险评估模型。

    在推进中德合作的过程中,李祥龙搜集了大量国外地质灾害风险性评估的数据、文献,努力掌握全球最新动态。他了解到,在国内,针对单体地质灾害的预警模型应用得较为广泛,而针对一个区域的风险性评估模型虽然有,但普适性不强,也缺乏统一的标准。如果能建立一个适用于兰州地区、适用于中国黄土高原地质灾害的风险评估模型,就能够为中国地质调查局地质环境监测院申请专利。更好的结果是如果推广开来,对地质灾害防治将是重要的参考和推进。

    可是建立这样一个模型谈何容易,要开发软件,要考虑到各种各样的因素。

    李慧记得,那段时间,李祥龙很忙碌,也很有激情,“他是那种一有了想法就要马上尝试执行的人。由于国外一些模型是用python编写的,为了对滑坡进行数值模拟,所以他专门买了好几本关于python编程语言的书,一有空就给他懂程序的朋友打电话请教,把新技术新模型用到自己的项目中。”

    如今,模型已粗具雏形,而他,却英魂远逝。

     

    奉献合作,顾大局慷慨一生

     

    李祥龙出生在一个地质世家,从小是在地质大院听着《勘探队之歌》长大的。他的外公是新中国成立后的第一代地质工作者。他的外婆也是地质队职工。小时候,父亲经常出野外天南地北地跑,很少能陪伴他。他的童年大部分时光里只有妈妈。

    在李慧眼里,李祥龙是一个特别自律的人,也是个特别爱操心的人。“他有每天记日记的习惯,就算没有大事,他也会寥寥几笔记录一下。”

    “有时候,对他额外的操心我也会很烦。他会满脸歉疚地解释说,是从小习惯了……小时候,爸爸出野外,我总想保护妈妈,保护身边的每个人。”

    闫金凯说,李祥龙为人特别好,总能很快就和大家打成一片。在云南项目组时,当地国土资源局的同志都很喜欢他。后来他到了其他项目,大家还总念叨他。

    其实,留在云南的,除了熟人的想念,还有一个少有人知的秘密直到他离世才为人所知。

    他的同事说,在哀牢山地区开展地质灾害调查期间,李祥龙和同事常常要爬山。新平县当地很多贫困家庭的破旧土坯房都建在半山腰。每次路过,李祥龙都会驻足片刻。一次,他们进了一间低矮的房子。屋里仅有一盏煤油灯照明,阴暗潮湿。一个约十一二岁、衣衫破旧的女孩瞪着一双清澈的眼睛看着他们。女孩上初一,生活窘迫到基本的生活费都难以负担。李祥龙立刻决定资助这个孩子。此后的每个月,他都会给云南的女孩寄去几百元的生活费。但是,没人知道他自己也还背负沉重的房贷和家庭开销,手头并不宽裕。

    洮河流域下游地质灾害调查监测项目负责人王立朝说,李祥龙是整个地质环境监测院每年出野外天数最多的人。“他的好不仅仅是业务能力强,还有着更强烈的团队合作意识。他英语基础好,又留过学,就主动搜集国外文献,总结国外期刊刊发的最新研究动态,发在专门建立的灾害室的QQ群里,和大家共享。”

    工作之外,李祥龙也是一个组织协调能力超强的高手。2013年,李祥龙来到中国地质环境监测院工作的时候,该院组建数年的足球队因为成员年龄老化的问题,需要有技术全面、体能充沛、懂“排兵布阵”又能掌控全局的“灵魂人物”接续。李祥龙加入后,主动定期协调时间,联系队友,组织比赛。几场比赛下来,他的能力、人品和奉献精神征服了队友,被一致推举为球队队长的候选人。

    2014年,中德两国合作开展的“兰州市地质灾害风险评估与管理”项目开始筹划。因为专业知识扎实,英语好,李祥龙被任命为中德合作项目的副负责人,承担与德方的业务沟通以及相关数据资料的收集整理、文件起草等工作,并以“固定发言人”的角色代表中方与德国专家对话。他的睿智、谦逊与和善,德国专家十分认可。德国专家得知他罹难,连发数封邮件表达悼念与惋惜。

    李祥龙的遗物里有他在野外使用的记事簿。翻开来,字迹工整清秀,每一张地质素描图都令人赏心悦目,甚至滑坡上的每一道裂缝都清晰地描画出来。那些素描图,工整清晰的记录,踏实而老练。这无疑是对地质人传统的最好传承。他的人生多了地质人别样的情怀,工作和生活多了更坚韧的“底气”,永远充满激情,永远苦中作乐。

    他对地质的热爱是长在血液里的。

    2013年,李祥龙和李慧的婚礼上现场播放的音乐是《勘探队之歌》。2015年的七夕节,李祥龙是在甘肃的野外过的。不能陪伴妻子,他深感愧疚。看到草原上开着的各种颜色不同种类的小花,就一支一支摘下凑成了花束,让同事帮着拍了张照片传给李慧作为七夕节礼物。

     

    这张献花的照片是他寄给妻子的礼物

     

    “头顶是蓝天白云,脚下是绿草野花,他手捧花簇站在画中……什么玫瑰名包啊,和这比起来都弱爆了。”那一刻,李慧曾凝视照片,暗地欣喜,如今却以天人永别。

    对他“工作狂”的状态,她也会抱怨。“我们结婚去塞班旅行,中间转机要在机场等12个小时。他不说话,就打开电脑开始工作。我只好一个人在机场的商店里转来转去,转累了回去靠在他身上睡着了。等我醒了,他还在工作。”“从5月出野外,他还没有休过假。本来这次他回来,我们计划要出去让他放松一下……”

    在悼念李祥龙的文章里,他的大学室友何晨辉这样写道:他比我们少了一份迷茫,多了一份对自己信念的坚定。他身上散发着睿智、执着的光芒,生活充满着正能量,让我忍不住靠近。除了在生活上的帮助,他更多的是给予我心灵的充实。

    李慧说:“相识十年,我在不知不觉中成了他希望我变成的样子……这种影响是潜移默化的。你不能察觉,也无从抗拒……他就是这么一个有感染力的人。你会不知不觉地靠近他,跟着他的方向走。”

    李祥龙给女儿起名“李成蹊”,取自《史记》中的一句谚语“桃李不言,下自成蹊”,比喻为人品德高尚,用不着自我宣言,就自然受到人们的尊重和景仰。

    而他,舍弃繁华,远离亲人;忍受寒冷饥饿,坚守清贫孤独,踏遍深山大川,攀爬悬崖峭壁,挥洒才情,开创事业,自己用短暂的一生,诠释对地质事业矢志不渝地传承与坚守,坚持不懈地热爱与追求,用生命践行共产党员鞠躬尽瘁、死而后已的奉献精神。

    欧阳修说,圣贤者“虽死而不朽,逾远而弥存”。

    斯人已逝,精神长存。

     

    后记:7月11日,中国地质调查局党组研究决定,要总结挖掘李祥龙同志的先进事迹,将其作为“两学一做”学习教育和践行“责任、创新、合作、奉献、清廉”新时期地质工作者核心价值观的先进典型,组织全局干部职工向李祥龙同志学习。

    黄土悠悠祭忠魂

    摘要:揭示大兴安岭及邻区晚中生代地壳加厚至伸展减薄过程中花岗岩浆演变的特点,为阐述地壳伸展减薄及其成矿背景提供了新依据。秦岭花岗岩同位素填图揭示块体的性质特征及其对钼等多金属矿的制约,进一步确定阿拉善侵入岩分布与成因,初步编制六大区片及中国北方花岗岩图,初步建立中国东部晚中生代火山活动的年代格架。

    1.项目概况

    “重大岩浆事件及其成矿作用调查” 项目所属于九大计划中“关键地质问题综合调查”工程。该项目下设10个子项目,包括6个大区中心承担的六大区片岩浆调查子项目,全国花岗岩、东部火山岩、西部蛇绿岩3个项目及1个岩浆岩填图试点项目。目的是围绕重要成矿带,以岩浆岩为主要研究对象,查明重要、重大岩浆事件及其成矿关系和构造背景,为找矿突破战略行动提供依据,通过关键地区岩浆岩填图和同位素填图,探索花岗岩填图方法。

    2.成果简介

    (1)揭示大兴安岭及邻区晚中生代地壳加厚到伸展减薄下花岗质岩浆演变特点,为阐述地壳伸展减薄及其成矿背 景提供新依据。依据新测和收集的410余个锆石年龄,重新厘定该区包括蒙古晚中生代花岗岩的分布范围,将东北亚晚中生代岩浆发育范围扩展到俄罗斯远东贝加尔湖一带。同时,确定早一中侏罗世花岗岩受鄂霍茨克构造体制的影响。依据实测和收集的百个地球化学数据, 揭示侏罗纪一白垩纪花岗岩类岩浆由高钾钙碱性向高钾钙碱性一钾玄质、由I型向高分异I型、A型和Sr/Y值向低演化的演变特征(图1)。这种岩浆演变是从岩浆演变角度结合构造伸展论证加厚地壳向伸展减薄转化过程的一个成功范例(图1), 为阐明东北亚晚中生代花岗岩陆内挤压增厚到伸展减薄下的动力学背景、深入认识全球规模巨大的侏罗纪一白垩纪地壳伸展巨变和成矿大爆发的地质背景提供新的重要依据。

    (2)秦岭花岗岩同位素填图,揭示块体的性质特征及其对钼等多金属矿的制约。对东秦岭花岗岩开展Nd-Hf同位素填图,揭示出秦岭存在3个不同的Nd同位素区,与3个构造单元基本一致。华北地块南缘具有古老基底,南秦岭有较年轻的基底,北秦岭的基底比较复杂。东秦岭钼多金属矿产种类的分布受基底特征约束: 由北向南钼矿化减弱、铜矿化增加(图2)。

    (3)初步确定阿拉善侵人岩分布与成因,为确定阿拉善地块北缘的位置提供依据。进一步确定内蒙古阿拉善地区 侵人岩年代学格架,较系统地研究地球化学和锆石Hf同位素特征。锆石Hf同位素分析表明,宗乃山一沙拉扎山构造带 具有亲中亚造山带的特征。阿拉善地块与中亚造山带的界限应以查干础鲁蛇绿岩为代表,即阿拉善地块北缘在查干础 鲁以南,这对于大地构造单元重新划分和指导古老克拉通边界找矿部署提供了新的依据。

    (4)初步编制六大区片及中国北方 1:250万数字化花岗岩图,揭示了时空演化特征。与六大地调中心一同初步编 制了各自地区的侵入岩图和中国东部中生代火山岩图,并初步编制了北方花岗岩图。此次编图特点:①充分收集、应 用新的高精度锆石年龄数据,更新已有的图件;②建库编图,是带有属性驱动的数字化图,为数字化岩体的表现。该 图将为深入分析岩浆时空演变规律、阐明与成矿的时空关系提供可靠、简便的基础性图件。

    (5) 初步总结中国东部重要构造带中生代火山岩年代学格架,揭示浙一赣火山岩带东段火山活动随时间由北西向 南东迁移的趋势。长江中下游地区晚中生代火山岩盆地归为橄榄玄粗岩系列和高钾钙碱性系列2种类型。前者位于后者中心地带,对应区内晚中生代岩石圈减薄的中心地带。时间上,橄榄玄粗岩系列主要介于128~134Ma之间,高钾钙碱性系列介于140~122 Ma之间。

    (6)初步总结了中国西部典型蛇绿岩的特征。新识别和确定多个前寒武纪蛇绿岩体,为我国前寒武构造演化研究 和矿产资源勘探开发提供了新的依据。该成果不仅对反演古板块俯冲消减、壳幔相互作用、古缝合的识别、古板块重 建、古洋陆时空分布特征等具有重要的科学意义,而且通过讨论与相关矿产、 能源生因的关系为矿产资源勘探开发提供重要依据。

    3.成果意义

    (1)围绕重要成矿带,以岩浆岩特别是花岗岩为主要研究对象,通过关键地区岩浆岩填图和同位素填图,探索花岗岩填图方法,查明重要成矿带重大岩浆事件及其成矿关系与构造背景,为找矿突破提供依据。

    (2)系统收集已有资料,开展重要成矿带岩浆对比,综合研究所有成果,建库编图,展现中国重大岩浆事件时空 分布规律、岩浆性质、成矿特点及其构造背景,为认识巨型成矿带分布规律、寻找大型矿床和成矿潜力评价提供基础和理论支撑。(中国地质科学院地质研究所王涛 张磊 薛怀民 郭磊 翟庆国,中国地质科学院矿产资源研究所 王晓霞供稿)

    重大岩浆事件调查成果丰硕