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    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

    摘要:2016年,中国地质调查局紧紧围绕地质调查工作服务国家能源资源安全保障,服务促进生态文明建设,服务防灾减灾,服务新型城镇化、工业化、农业现代化和重大工程建设,服务海洋强国建设的“五大服务”,深入实施陆域能源矿产地质调查、重要矿产资源调查、重要经济区和城市群地质环境调查、地质灾害防治和地质环境保护支撑、国土开发与保护基础地质支撑、“一带一路”基础地质调查与信息服务、地质调查科技支撑、地质数据更新与应用服务、海洋地质调查“九大计划”,坚持中央公益性地质工作定位,坚持围绕国家重大需求和国土资源中心工作,坚持实行“大项目”机制,坚持以科技创新与进步为引领和支撑,坚持出成果与出人才同步规划、同步实施、同步考核,坚持加强项目和资金管理,通过不懈努力,各项工作成效明显。

     

    图为中国地质调查局在贵州省遵义市正安县实施的安页1井

    2016年,中国地质调查局紧紧围绕地质调查工作服务国家能源资源安全保障,服务促进生态文明建设,服务防灾减灾,服务新型城镇化、工业化、农业现代化和重大工程建设,服务海洋强国建设的“五大服务”,深入实施陆域能源矿产地质调查、重要矿产资源调查、重要经济区和城市群地质环境调查、地质灾害防治和地质环境保护支撑、国土资源开发与保护基础地质支撑、“一带一路”基础地质调查与信息服务、地质调查科技支撑、地质数据更新与应用服务、海洋地质调查“九大计划”,坚持中央公益性地质工作定位,坚持围绕国家重大需求和国土资源中心工作、坚持实行“大项目”机制,坚持以科技创新与进步为引领和支撑,坚持出成果与出人才同步规划、同步实施、同步考核,坚持加强项目和资金管理,通过实施不懈努力,各项工作成效明显。

    在解决能源、资源、环境、灾害和地球系统科学问题方面成效显著,地质调查的基础性、先行性作用得到进一步体现。页岩气、油气、铀矿等能源矿产取得重大成果,锂、锰、铅锌、钾盐、石墨等矿产资源调查评价取得一批新进展。环境地质调查、地质灾害调查为京津冀非首都功能疏解区、长江经济带等重点地区规划建设提供有效地学信息服务。

    陆域能源矿产地质调查

    在常规能源领域,地质调查取得了一系列进展。在羌塘盆地、尼玛盆地、松辽盆地外围、塔里木盆地、武威盆地、银额盆地、二连盆地都取得了不同程度的油气发现。其中,在羌塘盆地已完成靶区优选,并发现天然气水合物良好显示;在尼玛盆地地表首次发现厚大规模沥青显示,表明盆地南部凹陷经历了大规模油气生成、运移、聚集和散失的过程,具有一定油气勘探前景;在松辽盆地外围获得一系列油气新发现,确定了该区具有油气资源勘探前景;地质调查与油气勘探紧密结合,促进银额盆地发现了高产工业气井和工业油流井;塔里木盆地地震大剖面综合处理解释取得新认识,该重大项目的开展突破了塔里木盆地两大石油公司油气矿权限制,搭建了产学研综合研究公关平台,获得的地质成果揭示了塔里木盆地深层地质特征,提升了盆地整体认识,推动了油气勘探工作,同时有利于稳定新疆社会经济发展、提高南疆少数民族地区生活水平,具有重要的社会意义。河西走廊武威盆地北部首获良好油气显示,该区石炭系一旦获得突破,将建立河西走廊资源接替领域,对促进甘肃和“一带一路”经济建设具有非常重要的战略意义;二连外围盆地群新发现铀矿层、油气显示及有利储层。

    在非常规能源领域,地质调查成果丰硕。页岩气、页岩油、煤层气、砂岩型铀矿、干热岩都获得了一批重大成果。

    中国地质调查局在贵州省遵义市正安县实施了安页1井,一举获得4个地质层系的页岩气、油气重大突破性成果,并对其中一个层系进行了气量测试显示,每日稳产超105m3,属高产天然气井。安页1井重大发现意义深远,实现了“五新”的重大突破。即油气新区的重大突破、油气新类型的重大突破、油气新层系的重大突破,油气新理论的重大突破。安页1井重大突破能够以“三促”带动地方经济和社会发展,即支撑长江经济带战略,促进沿江清洁能源产业发展;服务精准脱贫,促进地方经济发展;支撑油气体制改革,促进企业勘探开发。

    另外,湖北宜昌鄂阳页1井在牛蹄塘组钻获页岩气流;湘中地区发现多个非常规气新层系;川东高陡构造带获得页岩气资源调查重大发现;安徽宣城水东向斜调查发现多种类型油气资源;六盘山盆地调查发现中生界页岩油气资源。同时,中国地质调查局在2016年南方地区1∶5万页岩气基础地质调查中获得一批基础地质资料,形成了页岩气地质资料包,并在湖北秭归、重庆龚滩和贵州斑竹地区获得页岩气重要发现。

    通过煤层气基础地质调查,初步证实了新疆准南、黑龙江鸡西、四川南部及贵州六盘水地区具有勘探开发煤层气的地质条件和资源基础。勘探开发煤层气,可有效地缓解当地天然气资源紧缺的局面,改善当地环境保护,有效地促进产业转型,解决当地煤炭产业人员的就业问题,促进经济发展。

    干热岩地质调查查明了青海共和盆地地热地质特征及资源潜力。

    2016年,中国地质调查局创新机制,推动北方砂岩型铀矿地质调查工程,开展我国煤田勘查区、油气田勘查区铀矿地质调查工作,开辟铀矿找矿新区,取得了一批成果。为夯实我国核电发展的资源基础、保障能源安全发挥了关键性、基础性、先行性作用。“油铀兼探”在多地取得明显进展。

    重要矿产资源调查

    2016年,中国地质调查局矿产资源调查评价工作取得一批重要进展。

    其中,“三稀”矿产方面,贵州获得铁-稀土矿、富锂铝土矿新发现。贵金属方面,青海、黑龙江分别发现金矿床。黑色金属方面,新疆、湖南、广西等地取得锰矿勘查新进展;山东取得富铁矿新发现。有色金属方面,藏南、黔西北、新疆等地发现铅锌矿产地,科技引领促进藏南扎西康新增铅锌资源20万吨,进一步夯实藏南地区铅锌资源基地资源基础;冈底斯成矿带西段发现斑岩铜矿找矿新线索;云南新发现一处铝土矿;湖北新发现一处钨矿。重要非金属方面,塔里木盆地发现钾盐岩层,河南;祁连成矿带发现石墨矿产地。

    重要经济区与城市群综合地质调查

    2016年,各重要经济区与城市群地质调查成果斐然。

    京津冀协同发展区方面,地调成果服务北京新机场、北京副中心、天津滨海新区、津保高铁、京张交通干线规划等重大工程建设;地面沉降地裂缝调查发现宋庄地裂缝;燕山-太行山水文地质调查服务地方经济社会发展。

    长江经济带地区方面,地调成果支撑苏南现代化建设示范区、江苏省沿海办规划建设,并为嘉兴和台州城市生态红线划定提供可靠依据;发布《支撑服务长江经济带发展地质调查报告》;圈定沿长江傍河水源地,保障皖江经济带供水安全;长江中游城市群咸宁-赤壁和南昌-怀化段高铁沿线1∶5万环境地质调查初步摸清区内环境地质问题;研究重大水利工程对长江下游地质环境影响,并向有关部门提交建议。粤港澳湾区完成镉、汞、砷环境风险评价。

    丝绸之路经济带境内段方面,关中-天水城市地质调查成果支撑西咸新区规划发展;柴达木盆地找水支撑水资源保障及四省连片藏区解困脱贫。

    东北经济区方面,长吉经济圈地质环境综合调查助力长春新区发展建设。

    地质灾害防治与地质环境保护支撑

    2016 年,中国地质调查局安排1∶5万水文地质调查4.4×104km,1∶5万地质灾害调查2.1×104km。在洮河流域、安宁河断裂带、青藏高原东缘重大工程区等地质灾害高易发区,选择典型地区开展 1∶5万崩塌滑坡泥石流调查与风险评价示范,显著提高了地质灾害早期识别准确率和评价精度, 为地方地质灾害防治管理提供了重要依据。

    洮河流域下游地质灾害调查实践新技术新方法。为“地质灾害野外调查数据采集系统”开展全面测试工作。全面采用了手持PAD端的“地质灾害野外调查数据采集系统”进行野外调查数据采集,为该系统完善后在地质灾害调查领域中全面铺开应用打下坚实基础。开展无人机倾斜摄影在地质灾害调查工作中的试用,探索了地质灾害快速调查评价新技术、新方法。探索了无人机高精度三维倾斜摄影在地质灾害调查领域应用的可行性,探索不同分辨率影像对地质灾害解译的适用性,最终筛选出适用于新一轮地质灾害调查评价工作的最优化方案。

    新技术拓展地灾调查与监测成果服务链。将多旋翼无人机航拍技术与传统地面调查手段相结合,建立了基于无人机技术的地质灾害调查新模式,优势主要表现在:一是利用“无人机”遥感影像图作为临灾避险底图,提升了图件的可读性、易懂性,形成了地质灾害群测群防工作的新特色;二是协助当地国土资源部门,对多处隐患点及其灾害链进行了排查,精准、直观、快速地划分了危险区,拓展了地质灾害应急调查思路;三是以“无人机”调查为先导,有助于调查人员从直观上掌握灾害体及灾害链发育特征,切实提高野外调查效率,开辟了地质灾害快速调查新方法。

    长江经济带活动断裂与区域地壳稳定性研究取得新进展,厘定和发现对区域地壳稳定性具显著影响的重要活动断裂带32条。

    积极推进革命老区、贫困地区以及西南岩溶区和西北干旱区等生态脆弱地区1∶5万水文地质调查。初步提出了地下水及湖泊水的补给来源,建立了巴丹吉林沙漠南部地下水循环模式。

    通过实施2016年“长江、珠江、黄河岩溶流域碳循环综合环境地质调查”项目,结合历史资料的综合研究,建立了流域尺度岩溶动力系统中碳循环的概念模型。模型阐明了大型流域中碳元素由“无机碳→有机碳→内源有机碳”的迁移过程,有力地回答了针对“地质碳汇中碳酸盐岩化学风化碳汇稳定性”的质疑,为碳汇通量计算、模型研究等提供依据,有助于提升我国在气候变化会议上的话语权。

    国土开发与保护基础地质支撑计划

    2016年,中国地质调查局开展了土地地球化学调查、国土资源利用与保护基础支撑、地质矿产调查战略规划支撑和国土遥感综合调查等工作,进一步加大支撑服务力度。

    在土地地球化学调查领域,在不同区域部署1∶25 万多目标区域地球化学调查和1∶5万土地质量地球化学调查。调查区包括乌蒙山区、滇西边境地区、滇黔桂石漠化区3个集中连片特殊困难区,165个国家级贫困县,占全国总贫困县的27.9%,涉及贫困人口约2398万人,约占全国总贫困人口的34%。调查发现的绿色富硒土地资源已成为当地政府帮助贫困地区农民精准脱贫的重要抓手,四川屏山县、广西横县、云南昭通等地通过合理开发利用富硒土地资源,发展天麻、苹果等富硒农产品,取得了显著的社会经济效益。

    在国土资源利用与保护领域,支撑国土资源部发布《国土资源环境承载力评价技术要求》(试行);开展青海格尔木大型水源地、西藏多龙矿床技术经济与环境综合评价,助力绿色矿山建设;部署了全国重要地质遗迹调查,统筹开展了省级调查评价和全国综合集成两个工作层次工作,摸清地质遗迹资源家底,服务经济社会发展。

    在地质矿产调查战略规划支撑方面,中国地质调查局2015年立题“中国能源与矿产资源安全动态评价与决策支持系统建设”,综合评判未来中国经济走势、能源和主要矿产资源需求趋势。(1)发达国家100年来GDP增速变化趋势研究表明,随着工业化过程经济快速发展,GDP增速显现早期GDP增速快速上升、中期增速放缓并逐渐到达峰值、之后呈缓慢下降直至平稳的“S”形变化轨迹。(2)近年来中国GDP增速减缓的趋势与发达国家相同发展阶段GDP增速减缓的“S”形轨迹相一致,是工业化中期发展阶段大宗商品需求增速放缓背景下产业结构调整的必然。(3)根据人均矿产资源与人均GDP的关系,判断未来15年重要矿产资源需求趋势。中国主要大宗矿产资源已经进入了消费增速减缓时期,预计中国主要矿产资源将在2017年至2025年间陆续到达消费峰值点或零增长点。强调尽管GDP增速下降将导致中国主要矿产资源需求增速放缓,但资源消费总量在未来5~8年时间内仍然会持续缓慢增长,并保持较高的人均消费水平。

    在地质矿产调查战略规划支撑方面,还初步构建中国物质流研究框架与信息平台,地质调查业务管理启动一站式服务模式;地质勘查进展年报及时提供行业最新动态。

    在国土遥感综合调查领域,形成了2016年度矿产卫片执法监督检查工作图件数据;分析了年度全国矿产资源开发利用状况;国边海防基础地质遥感调查成果为国防建设提供了服务;发现和总结典型冰湖溃决灾害的三种成因模式;形成了全国自然资源本底数据和系列图件。

    “一带一路”基础地质调查与信息服务

    2016年,国际对比研究与编图成果斐然,1∶1000万亚洲成矿图、1∶2500万世界海洋矿产资源图等图件编制完成。

    《1∶2500万世界海洋矿产资源图》通过编制世界海洋地貌背景图和构造背景图,在全球4大洋厘定3类、161个海洋地貌单元和3类、36个海洋构造单元。采集世界海洋矿产资源数据2334组,建立包含17个属性的世界海洋矿产资源数据库。首次在国际上编制完成数字化的、展示7种海洋矿产资源空间分布的1∶2500万世界海洋矿产资源图,填补了国内外空白。对世界海洋石油、天然气、天然气水合物、磷酸盐岩、铁锰结核、富钴结壳、多金属硫化物资源的调查研究及勘查开发概况、分布特征、地质特征及成因进行了全面论述,初步总结了世界海洋矿产资源的形成和分布规律,为21世纪开发利用海洋矿产资源、维护我国海洋权益奠定了地质科学基础。该项成果对我国实施海洋强国战略和推进“一带一路”建设具有重要意义。

    《1∶1000万亚洲成矿图》通过编制亚洲构造背景图,在亚洲大陆及毗连海域划分出6个构造域、71个构造单元。采集大型超大型矿床数据891组,建立由24个属性构成的亚洲矿床数据库。首次在国际上编制完成数字化的、包含25种矿产的1∶1000万亚洲成矿图,填补了国内外空白,获得世界地质图委员会的国际认可。对亚洲石油、天然气、煤炭、铀、铁、锰、铬、铜、铅、锌、铝、镍、钨、锡、钼、汞、锑、金、银、铂、锂、稀土、磷、钾盐、金刚石等25种矿产的资源概况、地质特征、分布特征进行了论述,在亚洲大陆及毗连海域划分出4个成矿域、10个成矿区、26个成矿省,初步总结了亚洲成矿规律。该项成果是继1∶2500万世界大型超大型矿床成矿图和世界海洋矿产资源图后又一个具有国际影响的矿产资源编图成果。

    地质调查合作填图与研究取得一系列成果,中国地质调查局援摩洛哥地球化学和地质填图项目受到摩洛哥政府表彰;制作了“一带一路”64个国家/地区不同比例尺的三维遥感影像图。

    全球尺度地球化学国际研究中心落户中国。中国地质调查局全球矿产资源地球化学与遥感调查工程实施的全球地球化学基准网建立子项目,中国牵头与30余个国家开展了合作研究,建立了覆盖面积近3200×104km2地球化学基准网和化学地球大数据平台。中国在全球地球化学基准网建立中发挥了核心作用。牵头制定了全球地球化学基准技术指南、实验室分析指南、数据管理与图件编制指南。中国还承担了大国责任,举办了4次国际地球化学填图培训班,让世界共享了我国先进技术。以该计划为基础,经联合国教科文组织和中国政府批准建立全球尺度地球化学国际研究中心,体现了中国在该领域取得的国际领先地位。2016年5月12日中心正式成立和运行。目前为止,完成全球陆地面积22%的全球地球化学基准网建设,对全球地球化学基准数据80万条数据进行收集整理、校对和入库。全球地球化学基准网持续记录全球化学基准与变化等科学数据,以此为基础设立了“化学地球大科学计划”,为编制全球地球化学一张图,绘制地球化学元素图谱,建立“化学地球”大数据平台,支撑全球自然资源与环境可持续发展,提供权威数据,为决策者、科学团体和社会公众提供共享服务,为世界贡献中国力量。

    信息集成与服务成果显著。以国产卫星数据为主要数据源,初步制定了《“一带一路”资源环境卫星遥感解译技术指南》,制作了“一带一路”64个国家/地区不同比例尺的三维遥感影像图;在此基础上,开展了泰国、蒙古、哈萨克斯坦、波兰等35个国家(总面积达1300×104km2)的城镇、交通、水系、构造、地层、岩性、矿业活动区、林地、耕地、荒漠化、湿地等11个资源环境要素的遥感解译,形成1∶100万遥感解译中间图件近40幅;初步开展了中蒙俄、新欧亚大陆桥、中伊土、中巴、孟中印缅和中新等6条经济走廊沿线重点地区的资源环境遥感解译2×104km2,形成1∶25万遥感解译中间图件10多幅等等。通过对“一带一路”地区35个国家的遥感地质解译,快速有效地获取了大范围、多要素、多尺度的资源环境信息,为国家“一带一路”倡议、多家“走出去”企事业单位资源勘查和投资决策提供了信息服务,发挥了重要先导作用。

    完成了中巴经济走廊工程地质调查服务重大工程建设;“丝绸之路经济带”地质矿产信息综合数据库建设。

    国际合作与交流日益频繁,圆满完成了蒙古铜金矿床地质矿产考察。

    地质调查科技支撑

    2016年以来,在地层、古生物、地质构造、地质勘查技术、科学钻探等方面取得了新成果和新进展,充分发挥了地质科学技术的引领和支撑作用。

    四川昭觉地区发现白垩纪恐龙足迹化石,长羽毛恐龙及翼龙研究取得新发现;发现剑头翼龙属新材料,骨组织研究取得进展。

    印度-亚洲碰撞带由挤压到走滑的构造转换的重大发现及机制破解;高演化页岩油气地质条件评价热解分析仪初步研制成功;海域天然气水合物钻探取样装备完成优化试制;地质灾害应急调查有了新型便携式工具箱;南海天然气水合物试采技术形成创新体系;软硬交错复杂地层钻进技术的改进为深部隐伏矿体找矿提供了有效的技术支撑;创新成矿理论、找矿模型及勘查方法;矿产地质志完成多项阶段性成果;铜陵地区典型Cu-Au矿床成矿分带及三维建模已初步完成。

    地质数据更新与应用服务

    2016年,全国地质资料馆共提供各类地质信息服务超过240万人次。

    新增20万个钻孔数据提供服务,总服务量超过60万个;获取50余万景高分辨率国产卫星数据,形成基础遥感地质解译产品;完成中国陆域1∶25万~1∶500万区域地球化学系列图;完成1∶150万华北、东北、华东、中南、西南和西北六大区基础地质数据和图件更新;正式出版1∶250万中国大地构造系列图、1∶500万中国变质地质图;编制完成中国海及邻域1∶500万布格重力异常图、中国海-西太平洋1∶300万均衡重力异常图;构建了我国阿尔金成矿带“地质云”示范模型;利用移动服务应用和微信公众服务平台使地学文献信息获取更加便捷。

    海洋地质调查

    2016年海洋地质调查总体进展顺利,取得了一系列丰硕成果。

    1∶25万海洋区域地质调查为三亚新机场建设提供重要地质依据;高取心率钻孔精细厘定东海外陆架晚第四纪地层框架;海陆统筹综合地质调查助推海岸带协同发展;围绕舟山绿色石化基地等重大工程,开展浅层气相关地质灾害影响评估;海岸带综合地质调查提高了重大工程建设保障能力;建成多个海岸带地质环境监测示范区;南黄海科学钻探CSDP-2井揭示前新生代海相地层并发现油气显示;圈定东沙中生代13个有利圈闭构造及西沙海槽盆地5个重点构造;神狐海域新发现高饱和度、高渗透率水合物储层;冷泉探测发现目前我国海域规模最大的冷泉羽流;发现“海马”冷泉生态系统复杂,历史甲烷渗漏量大;“高富强”地震勘查新技术落实了调查参数井井位;创新形成了天然气水合物试采技术体系;初步建成天然气水合物数据集成及共享服务平台;整合推出海洋地质新数据并提供服务;海洋地质数据成果三维展示提升海洋地质信息服务水平。

    科技创新成就累累硕果

    作为国家首批十大地质文化村之一,山东省泰安市曹家庄村正在着力打造“地质﹢生态农业”的新型乡村——

    岩石标本展览墙

    曹家庄河道里的岩石

    “画入水中秀,水在画上流”,位于泰山西麓的彩石溪景区,具有“北方小九寨”的美誉,是我国著名的观光休闲胜地。而泰山脚下与之毗邻的山东省泰安市曹家庄村,得益于地质文化村建设工作的推进,也正在从默默无闻的小村庄,变身成为一个产业兴旺、生态宜居、以地质文化为底色的新型美丽乡村。

    融入地质文化

    调整村庄产业结构

    曹家庄位于泰安市的西北缘,地处泰山自然保护区外围。2020年,自然资源部中国地质调查局全力推进落实建设“中国十大地质文化村”,会同地方政府建设10处地质文化村(镇)示范样板。在中国地质调查局地质环境监测院古生物化石与地质遗迹调查工程团队的指导下,在中国地质调查局天津地质调查中心的推动下,曹家庄村被列为国家首批十大地质文化村之一。

    驱车前往曹家庄,刚进入村口便感受到了浓郁的乡土气息。沿着蜿蜒的水泥路一路行进,道路两旁郁郁葱葱,一边是大片的茶园,一边是各式的林木,远处的晨雾柔美地飘荡在片片青翠之上。

    村子的最中央是一处科普文化广场,陈列着各种地质标本,里面除了有泰山本地的山石标本,还有一些来自其他产地的代表性岩石。广场中最引人注目的是一面记事墙,墙上的《曹家庄赋》道尽了曹家庄的发展历史。

    据记载,清朝乾隆年间,曹氏祖先从外地迁居到泰山脚下,“天工开物,靠山吃山”,村子里的人以开采泰山石材谋生。“凿凿以开石,兢兢以创业,孜孜以守成,欣欣以立村”。曹家庄村支部书记曹运强介绍说,曹家庄村紧邻泰山,早期村庄的经济来源主要以开采加工泰山石材为主,旅游相关经济产业起步较晚,属于泰山景区周边发展较滞缓的村庄。近些年来,随着人们对生态环境的重视,禁止开山采石、保护泰山地质景观,曹家庄开始逐步调整产业结构,探索新的村庄经济发展模式。

    泰山是世界文化与自然双重遗产,其独特的自然风光和厚重的人文底蕴吸引着来自世界各地的游客,随着高铁经济圈的日益成熟,泰安市的旅游经济总量逐年增长。如何将泰山的游客吸引过来,发展村庄经济、调整村庄产业结构,成为曹家庄人日思夜想希望破解的一个难题。2019年,正在泰山进行地质调查研究的中国地质调查局天津地质调查中心的科研人员给曹家庄提出了建设“地质﹢生态农业”型地质文化村的建议,并为其提供了具体的技术支撑。

    天津地质调查中心的地质专家不仅查明了曹家庄的地质遗迹资源,还经过多方调研梳理了村庄的人文历史脉络,通过地质调查、地质测试等手段明晰了曹家庄前寒武纪基底岩石对土壤、水和农作物品质的影响,建立起地质文化与生态农业之间的有机联系,不仅丰富了泰山地质文化的内涵,也健全了泰山全域旅游的地学科普内容,为曹家庄生态文明发展、实现经济产业转型提供了有效支撑。

    到2020年底,曹家庄完成了地质文化村的建设,并进行了首批地质文化村的申报。

    发挥地质优势

    打造新型特色村庄

    曹运强介绍说,目前曹家庄有居民986人,主要经济来源为种植、加工女儿茶和人工养殖螭霖鱼,其中茶叶种植年产值达560余万元,是曹家庄的支柱产业。

    曹家庄的女儿茶颜色碧绿娇嫩、晶莹剔透,叶片肥厚坚结,口感甘甜清新,非常受喜爱品茶之人的欢迎。曹运强感慨说,曹家庄有多个家庭制茶工坊,还有一个村集体茶厂,村民们按照传统工艺从种植到生产最大限度地保持原生态。然而,尽管茶叶的品质极好,却一直卖不上好价钱,村民们也只能勉强维持生计。

    天津地质调查中心的地质专家李怀坤等人在曹家庄进行地质调查时告诉村民,曹家庄地质条件非常好,不仅适合种植茶叶等经济作物,而且水质还适合养鱼。

    据李怀坤介绍,曹家庄坐落于中低山区的河谷阶地之上,村庄地势顺河谷自西而东逐渐升高。曹家庄的地质特征与泰山主景区基本相同,主要以约25亿年前形成的傲徕山序列的花岗岩为主,其中的二长花岗岩属相对富钾的母岩类型,而“富钾”使其土壤肥力对于种植茶叶等经济作物具有天然优势。此外,花岗岩地区的基岩裂隙水一般水质都较好,并富含各种矿物质,适合进行农业种植和养殖。

    天津地质调查中心的科技人员还对曹家庄内的农田土壤、新鲜茶叶以及水样进行了测试分析,结果显示该村土壤土质良好、无重金属污染,女儿茶符合我国有机茶、绿色食品和无公害茶叶等各项标准,且村内源自泰山的山涧水符合饮用富锶水国家标准。

    良好的地质环境条件以及优良的水质对于养殖鱼类具有天然优势。螭霖鱼是一种产于泰山山涧溪流中的小型鱼类,在自然条件下,野生螭霖鱼长不足20厘米、重不超过100克,属于国家二级保护动物,极为珍贵。由于螭霖鱼养殖难度和成本较高,属于食用鱼市场上的高价鱼类。曹家庄因为良好的地质环境,在养殖螭霖鱼方面走在了前面,目前已经成功培育了从鱼苗到5年期的螭霖鱼,人工养殖已初具规模。

    充分了解曹家庄的地质优势,让村民们对自身的发展有了底气。曹运强高兴地说:“现在我终于可以告诉别人为啥曹家庄的茶叶好喝,种出来的粮食香,养出的鱼也好吃了。”曹运强认为,发展“地质﹢生态农业”型地质文化村,不仅为曹家庄指明了发展方向,更为曹家庄的发展植入了灵魂,让一个曾经只会“靠山吃山”的村庄走上了科学且可持续发展的特色之路。泰山管委会的工作人员说,曹家庄地质文化村的建设,也为泰山周缘地区乡村振兴战略的落地实施探索了一条新的路径。

    发展特色旅游

    承接大众科普需求

    “泰山石是什么样?为什么中国人对泰山石如此喜爱?为什么泰山脚下的女儿茶口感更好……”,这一连串的疑问来自一位8岁小游客洋洋。今年五一假期,洋洋跟随爸爸妈妈一起到泰山旅游,旅程中毕业于地质院校的父母被路旁的地质文化村的标牌吸引,便带着洋洋来到了曹家庄。

    在曹家庄,洋洋玩得不亦乐乎,一会穿梭于“冥古宙”,一会爬上了“太古宙”,没过多久洋洋就已经对“冥古宙”“太古宙”“中生代”等地质年代记忆深刻。原来曹家庄的几处古院落被修葺为地质时代特色民宿,分别以“冥古宙”“太古宙”等地质年代命名,目前已经有6座小院正式对外营业。洋洋母亲王女士说,这几间特色民宿太火了,早早就被预订满了,这一次她只能带孩子参观参观,下次有机会再来入住体验一下。

    参观中,洋洋一家看到了很多蕴含地质元素的陈设,有摆放在桌椅旁边的地质类科普图书,有院落里陈列的泰山石,还有房间里悬挂的一张张地质景观画等等。参观一圈下来,洋洋关于泰山石的疑问终于解开了。王女士很感慨,以往旅游经常去一些名山大川,但这种将地质景观和地质文化知识结合起来的旅游还是第一次,这次曹家庄游览不仅对小孩子是一次难得的科普之旅,对她来说也是一个全新的体验。

    谈起曹家庄的地质科普旅游,泰山管委会副主任马生平介绍说,创建地质文化村、系统规划曹家庄地质研学的特色旅游形式,除了可以发展泰山周边乡村经济,对于承接泰山景区的文化旅游服务功能也具有重要意义。泰山地区的新太古代地质记录完整、清晰,是国内典型的花岗—绿岩带,具有较高的科学研究和科普研学价值。曹家庄村紧邻以高级变质作用为特色的彩石溪景区,村内的花岗岩地貌和地质现象,是对泰山景区现有科普内容的补充和完善。

    针对这种情况,在建设曹家庄地质文化村的过程中,天津地质调查中心的地质专家不仅从物质基础、成景条件和成景过程3方面对地质遗迹资源进行系统研究和科普解析,而且针对典型地质现象和特色景观开展细致的成因剖析,注重提升游学景观科学内涵,还特别加强了对地学科普产品的设计和宣传推广工作。目前,曹家庄内已建立地质文化广场、泰山岩石家族实物影壁、三大岩类典型样品景观墙、地质遗迹解说牌、生态农业和人文历史解说牌、特色民宿—地质时代小院等,强化了对地质文化知识的科普。此外,天津地质调查中心地质专家融合女儿茶等特色资源,为曹家庄设计了地质文化村村标,并根据曹家庄的地形地貌、可通达性等特点,规划了3条研学游览路线,同时还结合村内地质和生态农业资源制作了科普推广图册和宣传视频。

     

    山水文化里的乡村振兴

    汉中天坑群的发现,曾一度引发媒体的高度关注,也引起了全球新一轮天坑研究热潮,因其独特的科学价值和旅游价值,深受国内外地貌学者和地质学者高度关注。中国矿业报记者也多次随科考人员入天坑考察,并进行了跟踪报道。

    尽管名声在外,但其真正的价值尚未发掘出来。记者获悉,2020年,陕西省发改委将“汉中天坑群保护利用投资项目咨询策划”列入省级文化旅游发展工程重点项目计划,投资总额200亿元。这意味着,不久的将来,汉中天坑群将成为旅游打卡新地标。

    记者注意到,汉中天坑群的调查研究正向地理学、生物学、水文学、环境学、灾害学、景观学、旅游学等多学科深入发展。实际上,围绕汉中天坑群,国家自然科学基金、自然资源部中国地质调查局中央财政资金、陕西省人民政府公益性地质调查资金、汉中市地方财政资金先后部署实施科研项目12个,投入了大量的科研经费,对加大汉中天坑群调查研究力度,助力汉中天坑群取得科学研究重大突破,挖掘汉中天坑群的美学价值,促进地方绿色发展提供了有力保障。

    资料显示,2019年汉中天坑群调查研究团队在科学理论创新、技术方法创新、解决资源环境问题、成果转化应用和人才培养等方面取得了一系列新的突破。

    坚持创新引领发展,构建技术方法体系

    在汉中天坑群地质遗迹调查研究过程中,创新构建了“空-地-洞”三位一体的天坑调查研究技术方法体系,解决了天坑发现-探测-形成演化-生态环境研究等系统工程技术问题,对全球天坑调查研究具有示范引领作用。

    通过集成GNSS和移动通信核心技术,联合西北工业大学杨建华教授团队,研发成功了新型地下河示踪计。示踪剂能够直观可视化地反映洞穴地下水的走向。解决了传统技术多种缺陷,为研究地下河和岩溶洞穴提供了新工具,在岩溶地质遗迹调查、城市地下管网建设和工程前期勘察等领域具有重要的推广价值。

    探测天星岩洞穴

    坚持正确科学导向,调查研究取得突破

    通过与国际洞穴协会、捷克洞穴协会合作对南郑小南海天星岩洞穴系统开展探测,累计探测洞穴长度15606米,深度556米。使天星岩竖井地下洞穴系统总长度超越宁强禅家岩地洞河天坑,为我国北亚热带及其以北最大洞穴系统,新发现陕西最大的洞穴大厅(长300余米、宽100米、高20~30米)和世界级地下岩溶湖(长约500米,宽5~50米,深6~8米)。

    采用石英宇宙成因核素26Al/10Be埋藏年龄、剥蚀速率和溶蚀速率等参数,计算出汉中天坑群代表性洞穴在242万年前开始出现,在18.9万~12.6万年前形成天坑(群),突破了以往根据地貌演化历史对天坑年龄的定性推断,建立了洞穴-天坑(群)形成演化年龄谱系,标志着天坑形成时代从定性推断到定量化年代学研究质变的里程碑。

    通过对汉中天坑群的调查研究与规律总结,创新建立了汉中天坑群“内源水窗式”天坑形成演化模式,揭示了多元内外因条件和形成要素相互耦合作用形成天坑(群)的演化机理,奠定了天坑理论研究的基础,解决了马达加斯加、巴布亚新几内亚等地和我国天坑形成演化的全球性关键技术,对全球天坑理论研究具有重要指导意义。

    基于汉中天坑群研究成果,完善和发展了天坑定义与发育演化阶段,修订后的“天坑”定义被收录于2019年出版的《洞穴百科全书(第三版)》中。确定了汉中存在塌陷-冲蚀复合型成因类型天坑,丰富了传统天坑成因类型划分方案,使汉中天坑群成为世界天坑研究的天然实验室。 以汉中天坑群为研究样本,重新厘定了天坑发育演化期次,分为孕育期(天星岩竖井)、发育期(伯牛天坑)、成熟期(天悬天坑)、衰退期(圈子崖天坑)、消亡期(黄家山天坑)5个期次。

    积极对接发展需求,有效推动成果转化

    为了更好地保护和利用汉中天坑群这一世界级珍稀资源,发展全域旅游,实现生态文明建设。2019年6月,汉中市人民政府委托陕西省地质调查院开展了《汉中天坑群省级地质公园申报与规划编制》项目,该项目成为地质遗迹调查研究成果转化的重大突破,引入市场资金499万元。先后完成了汉中天坑群省级地质公园申报、省级地质公园规划、国家地质公园申报、天坑群地质遗迹评价与保护规划等工作内容。项目总成果通过专业技术评审。

    2020年,陕西省发改委将“汉中天坑群保护利用投资项目咨询策划”列入省级文化旅游发展工程重点项目计划,投资总额200亿元。

    陕西省地质调查院汉中天坑群调查研究团队长期以来开展了大量富有成效的汉中地区地质遗迹调查研究、区域生态环境调查评价、成果转化研究工作,致力于提升项目研究成果的科学性与实用性,达到自然资源的合理利用,科学有效地保护生态环境,实现生态经济、生态社会与生态人文的可持续发展,构建人与自然和谐发展的共赢大局。下一步,项目团队将按照陕西省委省政府的有关部署,在自然资源部中国地质调查局、陕西省自然资源厅的指导下,继续加强汉中天坑群科学研究与开发利用工作,为陕西省地质调查事业高质量转型发展作出积极贡献。

     

    汉中天坑群调查研究取得新突破

    捷克团队在小南海地下河做示踪试验。翟秀敏 摄

    天星岩“T”字大厅主洞地下河下游方向,受洞道崩塌块石的淤塞,因而在崩塌体上游一侧堆积大量砾石。更为奇特的是在崩塌体之上,有水平层理保存完整的古砾石层,说明崩塌体年代较久。 扬·斯洛特克 (捷克) 摄

    中外科考队在天星岩主洞和支洞交叉的“T”字大厅合影。扬·斯洛特克 (捷克) 摄

    占据全球天坑总数1/4的陕西汉中天坑群,一经发现便引起国内外的广泛关注。

    中国地质调查局岩溶地质研究所、中国地质环境监测院、陕西省地质调查院联合开展天坑和洞穴普查,发现典型的天坑和漏斗54个,其中口径大于500米的超级天坑2个、大型天坑7个、常规天坑45个,其他地质遗迹473处。中国科学院院士袁道先一行对汉中进行实地考察后认为,这是在北纬32°~33°范围首次发现的、我国岩溶台原面上发育数量最多的天坑群,这一发现将我国湿润热带—亚热带岩溶地貌区界线显著北移,对中国南北方乃至全球古地理环境及气候变化的对比分析具有重要科学价值。

    为了更好地保护和利用汉中天坑群地质遗迹资源,通过岩溶水文地貌系统的深入调查进一步揭示汉中天坑群的演化机理,中国地质调查局于2018年下达了《陕中南岩溶区水文地质环境地质调查》项目,由岩溶所承担,并作为“全球岩溶动力系统资源环境效应”国际大科学计划的组成部分。4月28日~5月9日,岩溶所通过自然资源部第四次邀请捷克科学院地质所和捷克洞穴协会的专家,协助开展了汉中南郑洞穴调查;同时,与陕西省地质调查院、中国地质环境监测院共同组织精兵强将,开展了区域地质、水文地质、地下水示踪、洞穴年龄、第四纪古环境等方面的调查与研究。

     

    中捷联合科学考察新发现

    张远海 翟秀敏 陈伟海

     

    这是中国—捷克第四次对汉中天坑群进行联合科学考察。

    捷克团队11人共分3组,分别利用地下潜水、橡皮艇漂流、洞穴单绳技术对小南海观音洞地下河系统、天星岩洞穴系统、伯牛坑洞穴系统进行了洞穴探测。中方团队29人,承担了大佛洞洞穴系统、西沟洞洞穴系统的补充探测工作,并就小南海台原地区的洞穴沉积物进行了系统的采样。

    此次科考新发现洞道15.3千米,其中天星岩新发现洞道6224米,包括2处溶洞大厅;伯牛坑新发现洞道407米;小南海观音洞新发现洞道1036米,它是大佛洞主要的地下河排泄系统;吊洞新发现洞道584米;新发现大佛洞支洞5547米,探测西沟洞1442米。大佛洞地下河系统新发现洞道超过1000米,并与多个洞穴大厅相连,说明大佛洞洞穴系统发育期次之多,规模之大超于早期认知。

    科考团队采集了重砂样品5件,其中洞内3件、地表样2件,为揭示洞内砾石来源和地下水运移途径提供了科学依据;采集岩石标本8件和草测地质剖面4条,以揭示南郑台原地区的天坑、洞穴发育的构造、岩性的控制作用,分析天坑洞穴的成因规律;采集宇生核素石英样品8件,以测定洞内石英的埋藏年龄和洞口石英沉积物的曝露年龄,推理洞穴发育时间和崩塌时间;采集洞穴石笋4根,分析了南郑地区末次冰期DO18事件的区域特殊性,是北半球驱动的特殊响应。

    科考团队在伯牛坑投放荧光素钠示踪剂,并于大佛洞地下河出口、观音洞、白水洞、龙王庙洞进行了样品的接收,实验结果将揭示南郑台原地区洞穴系统的排泄途径和地下分水岭情况,为揭示岩溶洞穴、天坑发育提供又一有力证据。

    此次科考在陕西最大溶洞大厅发现,地下分水岭成因揭示和天坑演化地貌背景研究等3个方面取得新成果。

    ——发现陕西最大的溶洞大厅。

    2016年5月,第一次中国—捷克联合天坑科考队在汉中市南郑区小南海岩溶台原面西北侧干河沟村发现了天星岩。当时,对天星岩2个消水洞和天星岩漏斗的探测结果是,洞穴长度157米,认为这是一个季节性的消水洞。今年5月1日,科考队再次对消水洞进行勘查,发现150米深处的地下河峡谷,沿地下峡谷1.7千米后,在丁字洞道交叉处发现主洞道,主洞道高大宽敞,沿主洞道行进3.5千米后,发现了长300余米、宽100米的溶洞大厅,而且主洞道仍在延伸。科考团队根据区域地质情况推测,这可能是陕西最大的洞穴大厅。

    岩溶所副所长蒋忠诚指出,一般在岩溶发育条件非常好的热带及亚热带低纬度地区才有洞穴大厅。此次发现的长300米长、宽100米的洞穴大厅,相当于十几个足球场的大小,这在亚热带和温带交界地区是少见的。这说明,这里的岩溶发育程度、岩溶动力条件非常好。

    ——揭示分水岭成因。

    在天星岩探测过程中,科考队发现,洞穴走向完成了一个360度的大拐弯,最后向西北侧的白水洞排泄;而在同纬度的小南海岩溶台原面东北侧却是小南海地下河出口。二者间地下分水岭在哪里?岩溶所教授级高级工程师吕勇在经过仔细踏勘后认为,导致天星岩地下河和小南海地下河分水岭的原因是宽缓褶皱的背斜部位,更重要的是石灰岩众多硅质条带夹层的隔水作用。这个认识也解释了天星岩洞道东侧硅质条带上发育的众多瀑布的机理。

    ——天坑演化地貌背景研究新认识。

    过去在进行天坑演化历史的研究中,关注更多的是洞穴沉积物埋藏年龄研究,寻找洞穴古河流堆积物中的石英颗粒。而此次对大佛洞对岸罗汉洞的古地下河沉积物中石英颗粒的研究,转变为对石英暴露年龄的研究,这样一来,就从单纯洞穴演化历史的研究转变为对整个区域环境演化的研究。

    今后,岩溶所将在中国地质调查局的指导下,以及陕西省地质调查院的支持和配合下,继续加大投入开展《陕中南岩溶区水文地质环境地质调查》项目,用科学数据证实汉中天坑群的科学价值,进而提升岩溶地貌学、岩溶水文地质学的社会应用价值。

     

    汉中洞穴探险记

    张远海

     

    4月底,汉中的雨季尚未完全到来,虽然小南海岩溶台原面龙头山上还残留皑皑白雪,但气候业已回暖,鲜花盛开,正是洞穴调查探险的好季节。我们与来自捷克科学院地质所和捷克洞穴协会的探险家们一起,再次赶赴汉中,开展天坑群联合可科学考察。

    洞里淘砂

    龙洞,位于小南海台原面中东部,是个出水洞穴。5月5日,我们于午后从小南海镇出发前往龙洞。

    车停于洞口下方,我们带上安全帽和头灯,攀援而上。洞口凉风徐徐而来,洞底溪流叮当而出。在入洞50米许,中国地质调查局岩溶所的区域地质调查专家吕勇找到一处回水区,正好是沙砾堆积之处。按照吕勇的指导,我在下游堆一小坝,蓄水淘砂。

    淘砂是为了进行重砂分析,寻找它的地表源头。重砂是相对密度较大、物理和化学性质比较稳定的矿物,因其相对密度较大、呈砂状,故名重砂。根据重砂的矿物组合,进行物源识别,从而判定物源方向和物源区的大致位置。

    吕勇熟练地利用淘砂盆的角度首先将黏土淘洗出去,然后将大颗粒的砾石扔掉,很多遍之后,黑色的粉末状物质浮现出来。这就是重砂。后来我们又在溪流上游、洞穴深处又淘了两处重砂样,差不多1千克,装入塑料袋中,编上号,大功告成。

    接着,我们赶往大佛洞淘砂。大佛洞在1970年代是兵工厂所在地,如今被开发为旅游洞穴。因为做过工厂,洞中沉积物大部分已荡然无存。因此,寻找样品只能在洞穴深处和洞道高处。

    下午的时间所剩不多,我们分为两组分头行动。在距离大佛洞洞口200米东南侧上方、60~70米高处为古佛洞上层洞,2016年在探险过程中发现洞道一侧有古地下河水文边槽,边槽内有古地下河的沙砾堆积。从下层洞到上层的道路为30~40厘米宽的步道,甚是险峻。好在,2016年留下的绳索还在。我抓住绳索,绕右手腕一圈,一步一绕,匍匐上行。步道顶端为乱石堆,越过乱石堆,才至边槽平台。很快采满了一大袋样品,然后背负下洞。

    比起上坡,因为负重,脚底反而更稳,加上绳索护身,倒也不觉艰难。

    山中寻宝

    淘砂只能确定洞内的堆积物从何处来,无法确定沙砾堆积什么时候进入洞穴。要确定沙砾进入洞穴的时间,还要寻找更好的“宝贝”——沙砾堆积物中的石英。

    5月6日清晨,我们从小南海镇出发,到罗汉洞寻找石英。

    与我一同展开寻宝之旅的是陕西省地质调查院教授级高级工程师张俊良。出发之前,老乡告诉我们寻着养蜂人的小道可以方便地找到洞口。

    到达山边,果然看到了一条小道,但并不是养蜂人的羊肠小道。往山上望去,坡度60度以上不仅有浮土,更危险的是碎石,甚至大块石。一旦滚落山下,可能危及谷底的寺庙和香客。

    我们小心翼翼地尽量寻着基岩裸露的谷坡上行。上到一半,幸运地在毛竹林中找到了养蜂人的“之”字形小道。从小道穿过竹林,终于可以一窥洞口的风貌,却发现此洞口好像不是与大佛洞相对应的洞口。带着疑问,张俊良给同伴打电话,同时挥舞手中的强光手电,让同伴看看我们所站的位置是否是大佛洞正对的洞口。果不其然,同伴告知,大佛洞正对的洞口在我们所在洞口的右侧。从我们所在的位置向右望去,完全是悬崖峭壁。借助藤蔓的保护,我们决定翻越峭壁。

    抓住藤蔓,我们不敢上望,也不敢往下看,每移动一下,都思考数分钟,生怕意外发生。但越是小心,越出问题。有时藤蔓挂住背包的带子,有时缠住背包里露出的鎯头手柄,令人进退不得。只好一只手抓住藤蔓,腾出另一只手解开藤蔓,再继续前行。

    越过陡崖,终于到达另一个山坳,洞口就在陡坡上方50米左右的位置。比起峭壁,陡坡因为有许多松动的块石而更难攀援。我跪在陡坡上,寻找着可依附之物,或树根,或兰草,或藤蔓,好不容易上升了20多米,人已气喘吁吁。又前行了20余米,宽大的洞口已近在咫尺。

    仔细环视洞口,洞口呈岩屋状,宽50米左右,洞高15~20米,大洞口西侧还有一个小洞,洞口宽3米,洞高2米,洞深5米多,洞壁四周全是石英沙砾沉积,而且沙砾沉积表现明显的韵律层理,粗砂——较大的卵石和砂——细砂——黏土,如此循环反复。

    张俊良和我,一边讨论砂砾石形成的地质背景,一边测定砂砾石沉积剖面。我从上至下、从左到右依次取样;张俊良则采集10厘米以上的花岗岩砾石样和砂卵石样,回去左切片样,这样做物源分析更有效果。我采集了大约40多斤的样品,背负下山。

    坑底寻洞

    天星岩,是小南海台原面西北侧的一个天坑,于2016年中国—捷克联合科考探险时发现。

    天星岩天坑坑口直径和深度都接近百米,上部是天坑洞口,底部为一条季节性的消水洞。消水洞平时为干洞,下雨的时候,水会充盈溪沟,满灌洞口。

    在消水洞西北方向大约2公里是地下河出口——白水洞;而在消水洞东北方向约3公里也是地下河出口——小南海观音洞。那么,消水洞的水究竟流向何处?为了确定地下水的流向,探险队决定再次对天星岩地下洞穴进行探测。

    前三天,主要是安装单绳系统。探测从第四天开始进行。

    最开始探测数据显示,洞道往东南延伸,于是大家判断洞道往伯牛坑方向延伸,可能与伯牛坑相连。次日,探测数据显示洞道又转向东北方向,于是大家又推断,洞道往西沟洞方向延伸,可能与西沟洞相通。再探测的数据又显示东南向延伸,大家的推断又回到伯牛坑。每天科考回来,无论多晚,我们都要将数据输入电脑,看看洞道的延伸方向。直到第7日探测,探险队发现了一条宽30米、高50米以上的大洞穴,才明白以前探测的不过是天星岩洞穴系统的一个小支洞。

    我是最后一天参加科考的,随行的除了捷克的扬·斯洛特克三人团队外,还有汉中洞穴科考爱好者李辉和余欣。

    我们从路边下到季节性河道,然后顺河道走向天坑,首先是个30米的陡坎,然后横向30米,进入第二个40米陡坎,之后一小段横移,下第三个30米陡坎到地下河床。这三个陡坎,正好验证了天星岩天坑的演化历史阶段,从内往外随着河水侵蚀下切,裂点不断后退形成陡坎。

    到达地下河床后,洞底并非水平,也是一段一段的小陡坎和跌水、水潭。为了探测安全和方便,探险队安装了多种类型的绳索系统,从辅助的绳结式或扁带式攀登,到独木桥式跨越,锚点贴壁横移、悬空横移,甚至绳索桥,绳索桥和保护绳配套的横移,应有尽有。

    3个半小时后,我们终于抵达主洞和支洞交叉的“T”大厅。借助强光手电的光,我们初步估计大厅底的面积有1万平方米左右。我仔细观察洞道形态,主洞完全不同于支洞清晰的溶蚀沟槽、窝穴、流痕等丰富的微形态,主洞洞壁则式清晰可见、深浅相间的微倾斜岩层;与支洞洞底丰富的卵石堆积不同,主洞洞底大部分为黏土堆积和崩塌块石,局部可见河床卵石;与支洞峡谷状洞道不同,主洞洞道为大型廊道状,厅堂状洞道;与支洞倾斜洞底和众多跌水不同,主洞洞底则总体起伏不大,但洞道一侧总是伴随大量的崩塌体和黏土堆积形成的高坡;与支洞地下河占据整个洞底并伴随众多水潭不同,主洞地下河仅在洞道一侧流淌,或左或右,流量为支洞地下河的5倍左右。

    我们在洞道高处寻找古地下河沉积物堆积,看看是否能发现石英颗粒。很遗憾,大部分堆积体为黏土,即使发现卵石,其成分大部分为灰岩,个别为砂岩和硅质岩(燧石),没有发现石英颗粒。

    我们前行了一段距离,在采集两个重砂样后,算一算返回时间,决定先行撤离。经过连续4个半小时的艰难攀行,才看到洞口透进来微弱的光。

    (作者单位:中国地质调查局岩溶地质研究所)

    延伸阅读

    中捷科学家汉中探险

    ■ 2016年5月19日~5月31日

    中国地质调查局岩溶地质研究所通过国土资源部,邀请以捷克科学院地质研究所副所长迈克·菲利皮博士为领队的捷克科学院岩溶洞穴科学考察队,在陕西汉中南郑县开展了第一次岩溶洞穴科考合作,证实在陕西省汉中市南郑县小南海镇台原上存在天坑,并对其地下河进行了初步勘查。这是首次在我国热带—亚热带岩溶区最北界发现的天坑地质奇观。

    随后,岩溶所与中国地质环境监测院、陕西省地质调查院开展密切合作,将天坑理论系统引入地质调查工作,在整个米仓山岩溶台原面展开天坑岩溶地质遗迹调查,更多天坑不断被发现。

    ■ 2016年10月20日~11月1日

    岩溶所组织第二次中国—捷克岩溶洞穴科学考察,对宁强县地洞河地下河系统进入探测,探测长度12千米,为我国北亚热带及其以北最长洞穴。这次科考初步确定地洞河天坑发育的水文地质背景和发育特征方面的独特性;与此同时,组织国内洞穴科考爱好者对镇巴县圈子崖、天玄坑及其附近溶洞进行探测,并对天坑形态进行了系统探测。

    ■ 2017年4月30日~5月12日

    岩溶所组织第三次中国—捷克岩溶洞穴科学考察,对镇巴县风洞系统进行初步探测。

    根据以上调查成果,并通过对全球天坑进行对比分析,科考团队确定汉中小南海天坑群和我国西南大石围天坑群为各具特色的两种演化模式,即大石围外源水穿越型岩溶天坑演化模式和小南海内源水窗式岩溶天坑演化模式,同时将天坑类型确定为溶蚀性崩塌天坑和侵蚀性崩塌天坑两种类型。

    同时,岩溶所与陕西地质调查院开展合作,确定汉中天坑群的国际地位:汉中天坑群成群出现,数量众多,迄今发现4个天坑群54个天坑,集中分布于陕西汉中4个台原面,占据全球天坑总数的近1/4,举足轻重;汉中天坑群是内源水窗式岩溶天坑演化模式的典型范例。汉中天坑群是全球发育在岩溶台原上的最大天坑群,也是我国北亚热带最大的天坑群。

    再探汉中天坑群

    在广西杰出青年科学基金“岩溶生物地球化学”和中国地质调查局“人为干预增加岩溶碳汇试验示范及碳汇效应综合评价”的资助下,中国地质调查局岩溶地质研究所李强研究员等在广西桂林毛村地下河江流域和桂林五里峡水库,利用高通量测序和荧光定量PCR技术,结合传统水化学特征,首次揭示了好氧不产氧光合细菌对岩溶水体有机碳的贡献。相关成果分别发布于《岩矿测试》和《FEMS Microbiology Ecology》上。

    传统观点认为:岩溶水生植物光合固定溶解无机碳产生的内源有机碳是岩石风化碳汇的重要组成部分,而光合微生物的贡献通常不予考虑,导致风化碳汇被低估。因此,岩溶水体中有机碳溯源研究是风化碳汇计算和调控的关键。

    好氧不产氧光合细菌(AAPB)是一类具有好氧异养生存通性,能利用光能进行光合作用补充自身能量需求特性的异养微生物。好氧不产氧光合细菌独特的光能利用能力使其在水圈物质循环过程中扮演着重要角色。水体营养状态、电导率、pH等环境因子能改变好氧不产氧光合细菌的摄食压力并影响其相对丰度。结果表明:好氧不产氧光合细菌等光合微型生物是岩溶水体有机碳的重要贡献者,并与pH等环境因子有关。因此,好氧不产氧光合细菌对水体有机碳的贡献意味着我们必须对已建立在产氧光合作用基础上的岩溶水圈碳和能量循环重新认识,并为寻找遗失碳汇提供了一个潜在方向。

    此外,《岩矿测试》编辑部还对桂林五里峡水库研究成果进行了评述。

     

    好氧不产氧光合细菌对岩溶水体有机碳的贡献得到证实