资源、环境与生态问题已成为事关人类发展前景的全球性问题。近几十年来，随着人口急剧增长与经济快速发展，世界工业化、城市化进程不断加快，人类活动已成为全球变化的重要驱动力。在经济全球化、区域一体化不断深化的推动下，各国经济发展对相互之间资源、环境与生态的影响不断加大，人类进入了生态全球化时代。面对前所未有的重大而紧迫的全球性环境问题，世界各国在持续努力探索解决之道。党的十八大从新的历史起点出发，做出“大力推进生态文明建设”的战略决策；习近平总书记从新时代基本方略的高度提出要树立“两个共同体”理念——“人类命运共同体”理念与“山水林田湖草生命共同体”理念，为推进全球经济社会发展指明了方向，地质调查工作迎来了新的转型发展。地质调查工作如何适应与服务全球与国内生态文明建设并推动全球与区域问题的解决，亟待深入思考。

11990～2015年不同国家矿产资源人均开采量与消费量变化

地球系统问题的全球性与区域性

20世纪50年代以来，人类活动对地球系统影响的程度和频度发生了急剧变化，人类施加于地球系统的各种压力进入“大加速”时期，地球从全新世跨入了新的地质年代——人类世。人类活动对地球系统的影响已经接近或超过自然因素引发的环境变化，并正在继续加剧，有可能产生不可逆转的后果。在第23届联合国气候大会上，来自世界各国的科学家发出警告：地球系统越来越抵近危险的“临界点”。

1. 全球自然资源开发从线性增长转变为指数增长，发展中国家增长尤为突出

过去的100多年，矿产、水、土地等自然资源开发经历了从线性增长到指数增长的转变。

（1）矿产资源：全球开采总量快速增长，发达国家主导矿产消费，发展中国家开采快速增加

1901年以来，全球矿产开采总量经历了缓慢增长、快速增长、稳定增长与急剧增长的变化。与1901年比较，2015年全球矿产开采总量增长了32.0倍，其中化石能源增长14.6倍，金属矿石增长41倍，非金属矿石增长49.3倍。根据开采量增长情况，矿产资源开发可划分为4个阶段：1945年以前，矿产开采量缓慢增长，年均增长0.59亿吨，人均开采量1.73吨；1946～1973年，矿产开采量快速增长，年均增长6.40亿吨，人均开采量增长到5.78吨，年均增长4.0%；1974～1997年，矿产开采增速减缓，年均增长6.15亿吨，人均开采量增至6.34吨，年均增长0.4%；1998～2015年，矿产开采量急剧增长，年均增长16.05亿吨，人均开采量增至9.01吨，年均增长2%。

近几十年来，全球矿产开采与消费格局发生了重大变化。从开采来看，20世纪90年代中期之前，OECD国家主导全球，开采量占全球的41.8%，之后开采量占全球比例不断降低，到2015年降至23.0%，并且自2007年开始由增长转变为下降趋势；金砖国家开采量快速增长，在1995年超过OECD，占全球比例由1995年的37.9%升至2015年的51.6%。从消费来看，直到2007年，OECD国家消费量呈不断增长趋势，1990～2007年平均占全球总量的52.1%，2007年之后消费量降中趋稳，近年来稳定在295.42亿吨左右，占全球比例降至2015年的36.4%；金砖国家消费量在2000年之后快速增长，年均增长6.3%，在2010年超过OECD国家，到2015年增至360.57亿吨，占全球总量的44.0%；其余国家矿产消费量保持稳定增长趋势，年均增长3.1%。

全球资源治理体系变革滞后于全球矿产开采消费格局的变化。1990～2015年，OECD国家人均矿产消费量大大高于其人均开采量，平均高出42.2%，且这一比例有增大的趋势。这表明，发达国家所开发的矿产根本满足不了其消费需求，通过进口越来越多的原矿石、矿产品与各种制成品来补充。金砖国家、其余国家人均开采量一直大于其消费量，说明发展中国家所开采的矿产在满足本国需求之外，有相当比例以原矿石、矿产品、各种制成品等形式出口。以金砖国家为例，2015年矿产开采量14.6吨/人，消费量11.7吨/人，在满足本国需求的同时，每人平均为其他国家贡献了2.9吨的矿产。目前的全球资源治理体系与发展中国家的贡献不相适应，亟需变革，以促进全球资源优化配置。

（2）水资源：开采总量保持增长态势下呈现出显著的区域分化

全球水资源开采在总量持续增长态势下呈现出显著的区域性差异。1901年～1950年，全球水资源开采量缓慢增长，由6713亿立方米增至12265亿立方米，年均增长1.3%；1951年～1980年，水资源开采量快速增长，年均增长3.2%；1981年以来，水资源开采量增速趋缓，年均增长0.8%。OECD国家水资源开采量在1980年由快速增长转变为稳定波动趋势，近年来稳定在9200亿立方米，占全球总量的23%。金砖国家水资源开采量自20世纪60年代以来保持快速增长的趋势，1960年～2000年年均增长2.4%以上，2000年以后增速有所减缓，到2015年增至17500亿立方米，占全球总量的43.7%。全球水资源开采量增长的主要原因是灌溉农业的快速发展与农业经济的持续增长。中国、印度等新兴经济体农业快速发展，加上持续的工业化和城市化，用水量有较大幅度的增长；欧盟、美国等发达经济体由于越来越多地进口工业制造产品与粮食，同时技术进步促使工业与城市用水下降，用水量自以前的增长转变为稳定或下降。

地下水开采量快速增加，部分发展中国家含水层疏干问题严重。全球地下水开采量自20世纪60年代的3120亿立方米增至2010年的9820亿立方米，增长了3倍多。与水资源类似，地下水开采亦呈现出显著的区域差异。发达国家地下水开采在经历了一段时期的快速增长后已趋于稳定或缓慢下降。例如，美国地下水开采1950年～1980年保持了30年的增长，之后趋于稳定。发展中国家地下水开采自20世纪七八十年代以来处于快速增加的态势。例如，埃及1972年～2000年地下水开采量增长了6倍。地下水开采主要集中在亚洲国家，印度、中国、巴基斯坦、伊朗、孟加拉国等5个国家地下水开采量占全球总量的53.2%。地下水开采量的快速增加导致部分地区地下水位持续下降，引发了严重的生态环境问题，如泉水消失、湿地萎缩、地面沉降、海水入侵等。

（3）土地资源：城市与农业用地持续扩展，生态空间不断萎缩

1901年～2015年，全球土地利用变化的趋势是拓荒草原与森林来扩展农业用地，开发农业用地来扩展城市和基础设施建设用地，森林、草原、湿地等生态空间不断萎缩。农业用地面积扩展趋势趋于减缓。1901年～1955年，全球农业用地面积快速增长，年均增长0.88%，占全球土地面积的比例由20.6%增至33%；1955年～2015年，农业用地面积增速趋缓，年均增长0.23%，约占全球土地面积的38.0%。从区域上看，欧盟、东欧和北美的耕地面积有所下降，而南美、非洲和亚洲的耕地面积呈扩大态势。全球森林面积不断减少。1901年～1960年，森林面积平均以每年减少0.18%的速度逐年缩小，1960年以后森林面积缩小速度减缓，年均减少0.1%。

城市化以前所未有的速度在扩张。遥感图像分析表明，全球城市面积6587.6万公顷，占全球土地面积的0.51%。城市用地占土地面积比例最高的地区是西欧（2.11%），其次是东亚（0.97%）、北美（0.72%）、东南亚（0.63%）。据统计，1950年～2015年人口大于1000万的城市群数量由2个增加到29个，人口500万～1000万的城市群数量由5个增加到45个。联合国粮农组织（FAO）估计，目前城市面积以每年200万公顷的速度扩展，80%的土地来自于农业用地。虽然城市占用土地面积比例很小，但是由于城市集聚了全球一半以上的人口，城市发展对生态环境的影响是巨大而深远的。

2. 全球生态环境恶化趋势加剧，区域分化明显

在不断加快的世界工业化、城市化进程作用下，气候变暖、自然灾害、水土污染等日益成为影响全球发展的重大生态环境问题。

（1）二氧化碳等温室气体浓度不断攀升，全球气候变化加剧

根据观测数据，大气中二氧化碳等温室气体浓度上升呈加剧趋势。1901年～1960年，大气二氧化碳浓度由296ppm增至316ppm，年均增长0.11%；1960年之后，增长速度逐渐加快，1961年～1997年均增长0.36%，1997年～2015年均增长0.55%，2015年大气二氧化碳浓度增至399.57ppm。大气二氧化碳浓度升高的主要原因是化石燃料燃烧和水泥生产排放了大量的二氧化碳。2015年化石燃料燃烧与水泥生产排放了360.2亿吨二氧化碳，是1990年的1.6倍。

发展中国家开采了越来越多的化石能源，来满足发达国家的能源消费需求。在世界经济发展竞争加剧的背景下，很多发展中国家为了获得竞争优势，降低或放松了环境标准要求，推动高耗能、高污染、高碳产业发展；而发达国家对环境标准要求不断提高，以提高本国环境质量和生活舒适度。受此影响，高碳产业可能从环境标准高的发达国家向环境标准宽松的发展中国家转移，从而导致碳排放转移。全球碳计划（GCP）对1990年～2015年二氧化碳排放量估算表明：OECD国家因消费造成的碳排放大于其生产造成的碳排放，且差值越来越大；相反，金砖国家生产造成的碳排放大于其消费造成的碳排放，差值亦越来越大。这说明，发展中国家开发了本国越来越多的化石能源，加工、制造成各种产品出口到发达国家，承担了碳排放量上升与环境污染的代价。

（2）重大突发性地质灾害呈上升趋势，经济损失快速增加

全球重大地质灾害发生频次不断上升。联合国国际减灾战略机构EM-DAT灾害数据库收集了各国发生的重大自然灾害。入库灾害至少满足下列条件之一：造成10人以上死亡；100人以上受到灾害影响；政府宣布应对灾害紧急状态；政府在救灾过程中呼吁国际援助。1940年～2015年，全球发生重大崩塌、滑坡、泥石流地质灾害697次，造成6.5万人死亡，有记录的经济损失约89.4亿美元。上世纪40年代到80年代初重大地质灾害增长较慢，80年代以后发生频率快速增加，从80年代初的年均不足10次增加到近10年的年均18次。虽然发生频次增加，但是因灾死亡人数没有明显增长，单次地质灾害造成的死亡人数总体上是下降的，从1970年～1979年的136人/次下降到近5年的38人/次，说明各国地质灾害防治取得了一定成效。然而，地质灾害造成的经济损失自80年代以来快速增加，从70年代的平均每年0.14亿美元增加到近10年的平均每年1.76亿美元。

不同国家地质灾害发生与防治情况存在显著差异。美国1960年～2009年地质灾害共造成336人死亡，直接经济损失12.4亿美元（按1960年折算）。1970年以后，美国地质灾害造成的死亡人数保持在很低的水平，平均年死亡人数在4人以下；1985年以前直接经济损失呈快速增加趋势，之后直接经济损失则呈减少的趋势。墨西哥1997年以前地质灾害发生在低水平波动，平均每年发生10次左右，平均每年导致近14人死亡；1998年以来，地质灾害显著增加，平均每年发生的地质灾害增加至86次，平均每年导致50人以上死亡。尼泊尔1971年～1992年发生地质灾害频次保持稳定，多在19次上下波动；1993年以后发生频次明显增加并呈周期性波动，平均每年发生120次以上，在高发年可达380次以上。

（3）全球水土污染处于上升态势

已有数据研究表明，全球水土污染呈上升趋势，随着部分工业企业（特别是高污染企业）由发达国家向新兴市场国家转移，新兴市场国家水体和土壤面临着越来越大的污染压力。

地表水和地下水污染日趋严重。据联合国估计，全球每天大约有200万吨工农业和生活废弃物排入地表水体中，全球每年污水产生量高达1500立方千米。在发展中国家，80%的污水未经处理直接排放到河流、湖泊和海洋中。世界卫生组织统计显示，全球有8.84亿人缺乏安全饮用水，全球88%的腹泻与不安全饮用水、缺乏卫生条件有关，大部分分布在发展中国家。在快速城市化和农业种植区，地下水中的氮浓度不断上升，地下水质趋于恶化。在人类活动的作用下，孟加拉国、缅甸、阿富汗、柬埔寨、印度、中国等地区发生了地下水砷污染，影响了3500万～7500万人口的饮水安全。土壤污染问题在发达国家和发展中国家普遍存在。由于长达200年的工业化过程和现代工农业的发展，欧洲土壤污染严重。据欧盟调查，38个欧洲国家发现大约有250万个场地存在污染风险，其中有34.2万个已被确认为污染场地，需要进行修复。由于土壤污染的隐蔽性和复杂性，土壤污染问题在很多国家尚没有引起足够重视。

地球系统问题解决的理论框架 

不断加速的工业化、城市化与全球化耦合在一起对地球系统产生了前所未有的影响，促使人们必须从全球尺度去认识地球系统的变化机理；同时，不同区域或国家自然资源与生态环境变化出现了明显分化，与人类相互联系最为密切的近地表圈层资源、环境与生态问题呈现显著的区域性特征，促使人们必须从近地表圈层去认识地球系统的变化机理。在问题驱动下，随着全球观测、信息等技术进步，地球科学形成了一门新的分支——地球系统科学；在地球系统科学理论指导下，聚焦近地表圈层形成了一个新兴领域——地球关键带。

近年来，我国从生态文明建设实践出发，提出了“构建人类命运共同体”和“山水林田湖草生命共同体”的理念。“人类命运共同体”的内涵是从生态、经济、政治、合作等方面构建全球治理体系，推动形成新型国际关系和国际新秩序；在生态方面强调生态环境问题无边界，保护地球系统是全人类的共同责任。“山水林田湖草生命共同体”的内涵是按照生态系统的整体性、系统性及其内在规律，统筹考虑自然生态各要素、山上山下、地上地下、陆地海洋以及流域上下游，进行整体保护、系统修复和综合治理。由此，学术界与政界在应对人类面临的地球系统问题方面高度契合，共同构成了完整的理论框架。

1. 地球系统科学：服务构建人类命运共同体

地球系统科学把地球看成一个由相互作用的岩石圈、水圈、大气圈、生物圈等圈层构成的统一系统，重点研究各组成部分之间的相互作用，了解整个地球系统的过去、现今及未来的行为，为全球生态环境问题的解决提供理论基础与对策方案。上世纪80年代以来，地球系统科学以全球气候变化研究为重点，技术方法不断发展，研究内容不断丰富，研究体系日趋完善与成熟。

地球系统问题解决的理论框架

（1）以观测、机理、建模与解决方案为重点，地球系统科学研究取得重大进展

地球系统观测网不断扩展与升级，地球系统监测能力不断增强。美国NASA于1991年建立地球观测系统（EOS），利用卫星与其他手段对全球陆地表面、生物圈、地球空间、大气以及海洋进行长期观测；EOS之后，启动了地球系统任务（ESM），加深对气候系统与气候变化的认识；2017年，启动了下一代联合极轨卫星系统，用于天气预报和环境监测。美国地质调查局自1972年起陆续发射LandSat系列卫星，用于探测地球资源与环境，包括调查地下矿藏、海洋资源和地下水资源，监视农、林、畜牧业和水利资源利用，监测自然灾害和环境污染等。法国国家空间研究中心自1986年开始研发SPOT系列卫星，进行土地利用/覆盖变化、植被监测、自然灾害评估等。欧盟与欧洲航天局自2005年资助地球观测计划——全球环境与安全监测系统（GMES），由遥感卫星与陆地、海洋、大气等监测传感器组成，2013年更名为“哥白尼计划”，以扩大地球观测计划在公众中的影响力。

地球系统变化与过程机理研究不断深化，揭示了地球系统要素不同时空尺度下的变化规律与影响。地球系统变化包括大气过程、海洋过程、陆地过程、冰冻圈过程等，这些过程相互影响、相互作用。由于碳循环是地球系统物质和能量循环的核心，全球碳循环及其对全球变化的响应研究一直是被广泛关注的前沿问题。人们对岩石圈、陆地生态系统、海洋、大气以及人类社会等碳库的储量、在全球碳循环中的地位及其作用机制有了深入的认识。人们认识到土地利用、覆盖变化是造成全球变化的重要原因，很多学者对土地利用变化引起的区域气候、土壤、水文、地质等因子变化及其对生态系统影响进行了大量研究。针对全球变化的生态系统影响，学者从植物群落、植物生理生态、地下生态、水生态系统、生物入侵、生物多样性等方面开展了深入研究。

先后建立了多个地球系统模拟模型，地球系统变化预测能力大幅度提升。上世纪80年代以来，很多研究机构陆续开展了大气模式、海洋模式、陆面模式、海冰模式等地球系统模拟模型的研发和应用。2000年美国NASA提出构建地球系统建模框架ESMF，包括核心框架、天气及气候建模、数据同化应用等，为地球系统建模提供了一个标准的开放资源的软件平台。ESMF发展至今，已经拥有40多个模型，包含大气圈模型、大气动力学/物理学相关模型、海洋模型、陆地和陆表模型、水文学/分水岭模型等。欧洲提出了欧洲地球系统模拟网络（ENES）计划，包括地球系统模拟集成和气候资料存储与分发两个计划，目标是建立一个高效的欧洲地球系统模拟和气候预测系统进行集成模拟研究。日本在上世纪90年代启动了“地球模拟器”计划，于2002年研制成功，并在国际上率先开展了超高分辨率的全球气候系统模式的发展和模拟研究。中国科学院开发了地球系统模式CAS-ESM，集成了大气、陆面、陆冰、海洋、海冰等分量模式。

应对全球变化提出了系列减缓、适应方案，服务制定政策、编制规划和措施决策。基于地球系统观测、机理研究与模型模拟预测，开展全球变化的适应与可持续发展研究是地球系统科学研究的重点之一。2015年，《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》，将所有国家都纳入了呵护地球生态确保人类发展的命运共同体当中，目标是把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃之内，并为把升温控制在1.5℃之内努力。越来越多的研究强调通过人类自身行为的改变，主动适应地球系统变化；通过土地系统和景观的重新设计，协调生态系统服务和人类福祉之间的相互关系；通过社会-经济-环境可持续性的综合协同，降低地球系统变化的风险。

（2）促进自然科学与人文科学融合和推进更加平衡的多学科集成，成为地球系统科学发展的未来趋势

国际科学理事会（ICSU）于2010年提出了面向全球可持续发展地球系统科学面临的5大挑战：一是如何提高对未来环境条件及其影响预测的实用性；二是如何发展、增强和集成必要的观测系统用以管理全球和区域环境变化；三是如何预见、识别、避免与管理破坏性全球环境变化；四是采取什么样的制度、经济和行为变化以迈入全球可持续发展路径；五是如何在技术研发、政策制定与社会响应中鼓励创新来实现全球可持续性。

面临这些重大挑战，地球系统科学将会从自然科学主导的研究转变为有广泛的科学和人文领域参与的研究，从单学科主导的研究转为更加平衡的多学科集成研究。“未来地球计划”未来10年将集中在3个方面：动态行星地球——观测、解释、了解和预测地球、环境和社会系统趋势、驱动力和过程及其相互作用；全球发展——获得管理食物、水、能源、材料、生物多样性和其他生态系统功能和服务所需要的知识；可持续性转型——了解转型过程与选择，评估跨部门和跨尺度的全球环境治理与管理战略。

中国所提出的构建人类命运共同体理念，得到了国际社会的高度认可。这一理念被联合国纳入相关决议，与“未来地球计划”等一起共同引导与推进全球生态文明建设。

2. 地球关键带理论：服务构建山水林田湖草生命共同体

地球关键带是指异质的近地表环境，岩石、土壤、水、空气和生物在其中发生着复杂的相互作用，在调控着自然生境的同时，决定着维持经济社会发展所需的资源供应。地球关键带科学为近地表圈层地球系统研究提供了一个整体框架，在此框架内开展全面、系统、持续、深入的跨学科研究。可以说，地球关键带科学是地球系统科学在近地表圈层的具体实现，为地球系统科学提供区域理论基础并服务于区域与全球可持续发展。

（1）融合地质、水文、土壤、生态等学科，地球关键带科学快速发展

通过探索，地球关键带科学形成了一条整合研究的技术框架：循环上升的调查-监测-研究体系。通过调查、监测和研究的循环进行，不断深化对关键带及其过程时空变化规律的认识；在此基础上，通过对图件、数据和成果集成分析，针对管理者、科学家、社会公众等服务对象生产各种产品，将关键带研究成果最大程度地传递给社会。

调查是了解地球关键带组成与结构的基础，也是部署监测和开展建模的基础。2012年，美国地质调查局发布了其核心科学体系科学战略（2013～2023），明确将地球关键带作为其研究的核心靶区，提出针对关键带的结构和过程进行调查，建立关键带3D/4D地质框架模型。针对土壤侵蚀、盐渍化、有机质减少和滑坡等土壤环境问题，欧盟委员会发布了土壤保护主题战略，将传统的1～2m深的土壤层扩展到地表至基岩之间的未固结土层进行调查和研究。关键带调查的主要目标之一是回答“关键带如何形成与演化”这一基本科学问题。欧盟资助的欧洲流域土壤变化项目选择了代表土壤形成不同阶段的4个地区进行调查研究，分析确定关键带形成演化的影响因素和关键带生态服务的可持续性。

监测是了解地球关键带随时间变化的基础，为建模提供所需的输入数据和校正数据。美国国家科学基金会于2007年启动了关键带观测计划，先后建立了10个关键带观测站，以流域为单元，对关键带各种要素进行长期观测。德国亥姆霍兹联合会于2008年启动了陆地环境观测建设项目，先后建成了4个陆地环境观测站，为区域尺度气候变化研究提供地下水、包气带水、地表水、生物和大气的基础观测数据。法国则通过提升现有的“河流盆地网络”所属的观测站，建设关键带观测设施，以流域为单元对关键带要素进行观测。欧盟委员会于2009年启动了“欧洲流域土壤变化”项目，选择4个典型地点建立了地球关键带观测站，将土壤监测作为长期观测的重点。

建模对于深化对关键带形成、运行与演化的科学认识具有重要的作用，始终是关键带科学研究的重要领域之一。例如，美国关键带观测计划的重要目标之一是建立能够描述关键带生态过程、生物地球化学过程和水文过程的系统模型，定量预测气候变化、地质作用和人类活动下关键带结构和功能的响应。关键带过程模型大致可分为两类：一类是描述单个过程的数学模型，一类是描述多个过程叠加的耦合过程的数学模型。对于前者，目前已建立了较为成熟的模拟模型；而对于后者，是关键带建模的重点和难点，尽管近年来做了很多探索工作，耦合模型还远不成熟，仍在不断发展中。

（2）随着地球关键带科学的形成与发展，或将促使地球表层研究发生科学变革

地球关键带将与经济社会最密切的近地表环境作为独立的开放系统，为区域资源、环境和生态问题研究提供一个完整的系统框架。地球关键带科学研究尚处于探索阶段，近年的进展表明地球关键带科学有潜力促使地球表层研究发生科学变革，为经济社会面临的气候变化、生态系统管护、水资源安全、自然灾害防治等重大问题的解决展示了一种新的图景。未来地球关键带科学研究发展方向包括4个方面：开发一个统一的地球关键带演化理论框架；开发耦合的系统模型来探究地球关键带服务；开发一个集成的数据和测量框架并进行验证；建立多学科集成的地球关键带观测站。

从国内生态文明建设的实践中，我国提出了“山水林田湖草是一个生命共同体”的理念。在内涵上，地球关键带与山水林田湖草异曲同工，前者侧重理论，后者侧重实践，目标均是推进区域生态环境治理。地球关键带科学是山水林田湖草系统治理的理论基础，后者则是前者与实践相结合的应用体现。地球关键带科学与山水林田湖草生命共同体理念共同构成了区域生态环境治理的理论框架，共同推进区域可持续发展。

对地质调查工作的思考

地球系统问题得到了政府与学术界的高度关注。在社会治理层面，围绕人类社会持续发展需求形成了“两个共同体”理念——人类命运共同体与山水林田湖草生命共同体。在学术层面，随着全球观测、信息等技术的进步，以问题为导向，地球科学形成了新的分支——地球系统科学，聚焦近地表圈层衍生了“地球关键带”新领域。由此，政府与学界在应对地球系统问题方面高度契合，共同构成了完整的理论框架。地质调查工作应树立人类命运共同体与山水林田湖草生命共同体理念，以地球系统科学理论为指导，以地球关键带为重点，加强调查、监测与机理研究，加强综合评价，服务和支撑生态文明建设。

一是以地球关键带为重点加强综合调查评价。将地球关键带作为地质调查工作的重点靶区。按照统一的技术规范和标准，开展不同尺度的专业性基础性地质调查，充分反映地质框架的成土条件、成矿条件、水文条件等多种属性，建立地球表层三维地质框架模型。充分利用现代信息、网络、大数据等技术，加强区域问题综合评价，形成基础扎实、数据可靠、形式多样的综合评价产品，服务区域生态治理与自然资源综合管理。

二是以服务生态保护修复为目标加强生态地质调查。根据自然资源管理与生态保护修复需要，选择典型地区探索开展生态地质调查，形成生态地质调查技术规范。根据自然资源勘查开发的源头保护、利用节约与破坏修复全过程需要，推进不同尺度生态地质调查，提出生态保护修复地质解决方案。

三是以服务全球资源治理为重点加强全球问题合作研究。以“一带一路”倡议为抓手，加快推进矿产资源勘查开发国际合作，加强产能合作，促进全球资源优化配置。立足我国优势，在前沿与关键领域，策划实施地学大科学计划，以全球岩溶动力系统资源环境、地球化学调查、青藏高原特提斯演化与资源-环境效应等为重点，推进国际地学大计划合作。

四是以资源环境要素为重点加强地球系统探测与监测。采用卫星遥感、航空遥感等对地观测技术，定期采集全球与区域资源环境要素数据。协调、整合、新建观测站点，形成地球关键带综合监测网。开展区域自然资源数量、质量与生态综合监测，及时提出预警。围绕深部资源勘查开发与灾害防治需要，加强地壳深部探测。

五是以提升自然资源管理决策支撑能力为重点加强地质大数据建设。整合现有地质、资源、环境、生态等调查数据，构建地质大数据核心数据库体系。建立资源环境要素数据动态更新机制，实现地质大数据与自然资源管理需求在时空上的契合。与经济、管理、社会等相关基础数据无缝链接，为自然资源管理与资源环境治理提供全方位支撑。

地球关键带研究的调查-监测-研究循环体系框架

六是以过程机理研究为基础加强综合评价。基于三维地质框架模型，加强地球系统物理过程、化学过程、生物过程的机理研究，建立地球系统或地球关键带模拟模型。基于机理模型，考虑不同社会经济发展情景，对所面临的问题进行综合评价，有针对性地提出地质解决方案。

（作者单位：自然资源部中国地质调查局发展研究中心）

为落实局党组关于新时代地质工作服务自然资源管理大调研活动要求，5月30日至6月5日，地调局沈阳地调中心赴北京、成都两地，对中科曙光集团、中国科学院地理科学与资源研究所、国家航天局专项论证中心、成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室和数学地质四川省重点实验室等多家单位开展业务调研。

本次调研着重从探索新时代地质工作如何更好地支撑服务自然资源管理的角度，围绕东北地区自然资源综合调查和发展战略，调研了“面向地球科学系统的大科学装置——地球数值模拟器原型系统”的建设和运行、高分五号卫星的运行和影像数据采集和应用、重点实验室的建设和运行情况。

沈阳地调中心负责人在调研中强调，通过本次调研要进一步解放思想，提高认识，树立新理念，明确新任务，优化业务布局，明确业务定位，坚持全面创新，推动地质工作转型发展，服务生态文明建设，构建山、水、林、田、湖、草生命共同体。东北地区地质工作更要把握好新形势下带来的新需求、新机遇，快速学习和理解地球系统科学理论和发展方向，探索多门类自然资源调查评价与自然资源资产管理，围绕以北纬46°带为核心的中低纬度关键地区开展黑土地地质生态综合研究，并对调查评价、方法模型和技术成果进行有效的表达。

通过确定由沈阳地调中心的数据处理中心与数学地质四川省重点实验室共建联合实验室。推动数学地质在地学中的深度应用需要。将高分5号卫星采集回传的高清影像数据快速应用到东北地区自然资源调查中。沈阳地调中心将首批使用高分5号影像开展地质调查。

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。

加拿大岩石圈探测计划

地球内部剖面示意图

前不久，我国启动了地震科技创新工程，拟通过“透明地壳”“解剖地震”等4个地球深部探测计划的实施，在未来10年，大幅提升地震科学研究水平以及防震减灾能力，达到国际先进水平。那么，和世界发达国家相比，在地球深部探测方面我们可以借鉴哪些经验成果？大数据时代地质学家探测地球内部所面临的焦点和难点有哪些？从上个世纪60年代起，随着人类对海洋认识的加深，发展出了划时代的板块构造理论，几乎完美地解释了与海洋有关的地质学问题。所以，人们开始把板块构造理论运用于陆地，也就是板块构造理论的“登陆”。

在研究海洋地质的过程中，科学家广泛采用地球物理学的方法，结合钻井，取得丰硕成果。自然而然地，研究大陆地质学也可以按照这个思路进行。所以，从上个世纪70年代开始，各国相继展开了各式大陆探测计划，极大地完善了大陆地质学理论并取得了良好的经济效益。

美国：大陆反射地震探测计划和地球透镜计划堪称深部探测典范

在上个世纪70年代末，美国率先开始实施了大陆反射地震探测计划。这项计划的研究手段来源于石油勘探技术，通过布设一系列测线，收集人工地震产生的地震波，处理之后就可以得到很多地下地质结构的信息。这个计划取得了很多优良的成果，比如：揭示了美国东海岸阿帕拉契亚山的构造，西部山地的地下结构，尤其在落基山断层之下发现一系列油田。一连串的科学与社会效益，使该计划堪称深部探测的典范。此外，这次探测计划的成果，还引发了其他国家相关计划的出炉。

2001年，美国国家科学基金会、美国地质调查局和美国国家航空航天局，联合发起了一项新的开创性地球探测计划——地球透镜计划。该计划是一项全新的具有风险性的地学探索工作，主要分为四项内容：

第一项是建立一个由2000个地震观测点构成规则的流动测网，轮流进行地震观测，实时采集数据，用来研究地幔乃至深达近3000公里的地核和地幔边界的情况。另外，还可以用来监测火山和地震活动，进行灾害预测。

第二项是建立圣安德列斯断裂深部观测站。圣安德列斯断裂是地球上最活跃的断层之一，穿过美国经济发达、人口密集的西海岸，研究程度很高，危险性也很大。项目将在断层带上取出了40米的岩芯供科学研究，并在深部建立了一个观测站，进行长期的观测研究。

第三项是板块边界观测站，利用GPS和应变测量仪，对太平洋板块和北美板块的相互运动进行连续观测，以研究地震和火山造成的地壳缓慢变形，增强预报的准确性。

第四项是合成孔径干涉雷达，可以用于火山和地震灾害的研究，还可以提供因地下水和石油的开采造成的地面沉降信息等。美国的地球透镜计划在2003年由国会批准实施，为期15年（2003年~2018年），预计投资超过200亿美元。

英国：反射地震计划揭示地球霸主恐龙灭绝猜想

英国反射地震计划开始于1981年，探测范围覆盖英伦三岛及附近大陆架，揭示了这一地区地壳和地幔的结构特征，并得益于反射地震计划帮助，成功发现了储量约47亿吨的北海油田。

而让人意想不到的是，该计划发展的地球探测新技术，在寻求恐龙灭绝成因方面发挥了很大的作用。我们知道在6500万年前的白垩纪末期，地球霸主恐龙突然灭绝，一种猜想是有一颗直径至少10公里的陨石与地球相撞，导致全球气候大变，恐龙灭绝。

但这么大一颗陨石与地球相撞，必定要留下一个巨大的陨石坑，那么它在哪儿呢？早期的科学家通过对墨西哥湾地区岩石学的研究发现，这里可能存在一个巨大的陨石坑，但它到底是什么形状，有多大，一直是个谜。因为这里大部分地区都是在海下的，难于观察。所以，在1996年的1月~5月间，该计划的科学家联合美国、墨西哥的地质学家对墨西哥湾地区进行了详细地探测，最终确定了这里存在一个巨大的陨石坑，直径大约100公里，为恐龙灭绝这一科学问题的研究补上了重要的一环。

加拿大：岩石圈探测计划为矿业勘探和开采提供详细信息

加拿大岩石圈探测计划(1984年~2003年）是加拿大国家级多学科合作的地球科学研究项目，目的是综合了解北美大陆北半部的大陆演化。加拿大地区本身地质演化历史久远，超过40亿年，这让加拿大成为研究地球大陆早期历史及后续演化最理想的国家。

在漫长的历史中，大陆经历了怎样的变化，都有哪些地质过程，大陆的组成是怎样的，这些问题不仅对加拿大，更是对全球的地质学研究都有着重要的意义。另外，加拿大矿产资源丰富，矿业是本国的支柱产业之一，探明地下的矿产分布及储量，更是对本国的经济发展具有重要意义。所以，加拿大岩石圈探测计划从一开始就具有科学和社会的双重目标。

从1984年开始，参与该研究的750多名作者发表了近2000篇著作，详细阐述了加拿大本土大陆的演化特点，绘制详细的岩石圈剖面，尤其注重对矿业开发区的探测，为矿业勘探和开采提供更详细的信息。

所有这些，不仅显著提高了加拿大大陆地质学的研究水平，而且极大地促进了本国矿业发展，丰富的成矿信息增强了矿业公司投资的信心。

澳大利亚：“玻璃地球”计划的目标是人眼能看到地下构造、岩层、矿产甚至灾害

矿产资源大国澳大利亚被誉为“坐在矿车上的国家”，为了解决未来的资源问题，1999年该国提出了“玻璃地球”计划。所谓的“玻璃地球”，顾名思义，就是让地球像玻璃一样透明，让人一眼就能看到地下的构造、岩层、矿产甚至灾害。有学者称之为“透明地球”或“水晶地球”，在一个国家范围内则被称为“玻璃国土”，指通过多种地质手段获取海量数据，建立全球性、多尺度、数字化的地质模型，可供我们查询和分析，然后据此作出正确合理的决策。澳大利亚“玻璃地球”的思想理念一经提出，就吸引了世界各国纷纷效仿，开始投入大量资金进行实施。

“玻璃地球”计划的目标是：使澳大利亚大陆地表以下1000米深度以内的地质状况变得透明。要实现这一目标，需要大量的地质勘探、地球物理勘探和地球化学勘探工作，如：新的钻探技术、航空重力梯度测量、航空电磁法、地球化学填图、同位素跟踪、地下水化学研究等。该计划提出之后被正式列入澳大利亚的国家预算，并开始实施。遗憾的是，2003年因多种原因而被迫终止。

欧洲：深部探测计划促进了科学研究的跨国界合作

从1981年起，受美国深部探测计划的影响，欧洲各国随后也展开了自己宏大的计划。

欧洲深部探测计划(1981年~2001年）旨在实施新一代的重大项目，更好地了解欧洲大陆地壳和地幔的构造演化，以及一直以来控制整个演化的动力学过程。欧洲探测计划挑选9个目标区域进行重点研究，每个区域都由高度自治的研究团队负责，所有的团队都致力于运用地质学、地球化学、地球物理学相结合的方法，了解地球表层和深层的关系，解释形成欧洲大陆岩石圈主要特征的过程。

在本计划实施的20年间，有30多个国家，上千名地质学家参与，从俄罗斯的乌拉尔山到葡萄牙里斯本，从土耳其到瑞典，地质学家对欧洲的主要地质结构进行了系统的研究，硕果累累，加深了人们对欧洲大陆深部构造和地质学过程的认识，同时也极大促进了科学研究的跨国界合作。

◆相关链接

瑞士地壳探测计划：主要是通过地球物理和地质联合的方法探测瑞士阿尔卑斯山脉的深部结构，深部探测的数据主要采集于1986～1993年之间,研究成果合理解释了瑞士阿尔卑斯山的构造演化：一个温度相对较冷的“山根”快速插入到20公里以下的下地幔,结果导致了大陆的碰撞；高密度球状“山根”导致阿尔卑斯山中部快速隆起及波河盆地下沉的大陆动力学模型。加上欧洲各国联合开展的欧洲探测计划，共同揭示了欧洲大陆与非洲大陆碰撞带的精细结构,为发展碰撞造山理论、薄皮构造理论奠定了基础。

德国大陆反射地震计划：通过接收、处理和解释地球物理数据，取得了对欧洲深部地质结构的新认识。深地震反射揭示了岩石圈不同尺度的各向异性和下地壳的“鳄鱼嘴”构造，一些反射联合剖面揭示了陆内盆地的演化,显示了下地壳减薄和岩浆初始阶段的证据。

意大利深地壳反射计划：由意大利国家研究委员会资助，主要目标是通过深地震反射技术研究意大利主要造山带的地壳结构及动力学演化过程。项目起始于20世纪80年代,形成了覆盖意大利半岛及周边海域的地震剖面网。

俄罗斯深部探测计划：以折射地震技术和大地电磁技术为主，这在国际上是唯一的也是非常超前的。俄罗斯是世界上最早开展深部探测的国家之一，其中科拉半岛科学钻深度超过1.2万米,成为世界上最深的钻孔。科拉超深钻改变了地球物理探测解释的许多深部现象，研究成果形成了适时的成矿地质体定位的深部地质—地球物理和地球动力学标尺和俄罗斯境内各种矿产资源多参数成矿预测分析的数据库。

◆延伸阅读

“透视”地球正变为现实

在上述国家的研究计划中，所采用的主要方法是地震反射技术，它是一种精度很高的地球物理勘探方法，主要利用人工爆炸、冲击或其他振动源产生地震波，然后在地表或井中用检波器将其接收并对其进行处理和解释，便可以分析判断地层界面、岩土性质和地质构造等。

目前，美国、俄罗斯、英国、意大利等国都在积极推动“穿透地壳”深反射地震剖面的工作。根据三维可视化地质信息与服务系统，只要按要求在电脑上输入相应的指令，研究区域的主要地层、地下构造、地热、地下水等三维仿真模型即可直观地展现在眼前。如果想知道哪里有断裂，哪里有地热和温泉，哪里赋存着丰富的地下水资源，都可以在系统上清楚地查询。

未来世界各国的“玻璃地球”计划将会从局部的三维地质模型向全国范围发展，我国的发展方向将会更多地向实用化转变，在规划、国土、环保、水务、市政、建设、农业等多个领域更多地发挥管理和决策的作用。

目前，虽然实现全球范围的“透明化”尚需要很长的时间，但随着人类探索地球奥秘的步伐不停，大数据时代呈现“看不见”的地球内部将一直是未来地球科学研究的方向。