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    大数据是新一轮信息技术革命与经济社会发展融合的产物。在全球信息化快速发展的背景下,大数据与云计算、物联网、人工智能等新技术相结合,已经上升为国家战略,处于国家基础性战略资源的重要地位。

    作为继物联网、云计算、移动互联网等一系列智能化技术后的又一次创新,区块链集成了分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术,创造了数据和信息流通在互联网时代的新型应用模式。地质大数据具有多元化、海量、异构的特点,且极具价值。加强地质大数据知识产权保护,促进地质大数据深度挖掘和广泛应用,是地质工作的重中之重。目前以水印技术、数据出版、数据加密与跟踪技术为核心的地质大数据产权保护体系正在逐步构建,如何结合新兴区块链技术,快速推进与完善数据共享与产权保护体系建设是个值得探究的重要问题。

    区块链技术的优势

    区块链(BlockChain)本质上是一种链式数据结构。区块链技术是一种集体维护一个可靠数据库的技术方案。区块链包括三个基本要素,即:区块(Block,记录一段时间内发生的交易和状态结果,是对当前账本状态的一次共识)、链(Chain,由一个个区块按照发生顺序串联而成,是整个状态变化的日志记录)和交易(Transaction,一次操作,导致账本状态的一次改变)。随着应用场景的不断丰富,区块链逐步发展为一种去中心化基础架构与分布式计算方式,其利用加密的链式区块结构来验证与存储数据、分布式节点共识算法生成与更新数据,同时支持自动化脚本代码来编程与操作数据。

    与传统中心集成化管理的网络相比较,区块链拥有明显的优势。

    区块链智能合约运行机理

    从技术原理上来看,区块链是一项全新的“分布式记账系统”,是分布式数据存储、点对点传输等技术的集成体,具备去中心化、时序性、不可篡改、可编程性等特征,因此造就了其成本低廉、安全性高、透明性强、扩展性大等诸多优势。

    大数据时代的到来为地质信息化建设提供了良好的发展机遇,但真正落实到数据的共享利用与产权保护等方面,仍存在种种技术壁垒和思维瓶颈。

    目前,阻碍地质大数据使用的首要问题还是数据共享,它的核心是观念问题。由于地质数据的专业性、复杂性和高知识密度等特点,一些地质数据及产品(地质图等)生产者、开发者或产权所有者担心自己的成果共享后权益得不到保障,不愿意将相关数据及成果进行共享,导致数据保存在书架、库房或计算机硬盘上,未能共享出来发挥数据最大价值,数据产权拥有者也不能获得应有利益和权益。

    在互联网中,利用区块链技术可以将数据及产品等按虚拟数字资产等方式进行加密传输,数据和产品一经产权拥有者发布后,通过互联网传播,采用分布式记账系统,永久宣布数据产权者的产权,并可以按需进行交易,数据使用者使用记录等也将详细记录,充分保护了产权拥有者知识产权,可以有效打消产权拥有者顾虑,解决数据共享中“不愿共享”的理念问题。

    区块链在地质大数据知识产权保护中的应用探讨

    地质大数据应用所涉及的过程一般为数据获取、数据存储、数据更新、产品的专利或产权认证、交易等。从本质上讲,可将地质数据当作一种无形资产,利用区块链对数字货币、资产交易与管理、数据存储与验证方面的核心技术,实现对地质信息资源的存储、确权、授权和实时监控。

    1. 地质大数据的区块链架构探索

    基于区块链的应用模式,结合地质大数据应用的参与主体多元化、多层级的特点,可构建公共链、联盟链、私有链融合共生的地质数据共享区块链架构。其中,公共链针对地质调查中公共开放的数据资源,应用主体为社会公众、各类企业和科研人员;联盟链针对以单位形式参与地质数据共享的组织机构,如地调机构、科研院所、高校等,共享数据涉及核心地质数据资源、自主研发的软件和技术等;私有链针对机构内部对涉密数据的交换共享目的。

    基于此架构模式,可在地质数据公共链、联盟链及私有链内部构建去中心化、可信任的共享交换环境,同时引入数据交互审计节点,便于不同链网之间交互信息、自动互转,形成跨链模式的资源信息共享。

    这种混合型架构模式是一种目前理论上可行的大数据区块链框架,可构建地质大数据去中心化、可信任的共享交换环境,为地质数据信息的共享、交换与相应的产权保护提供实现基础。

    2. 区块链在地质知识产权保护中的应用探讨

    由于区块链的共识机制重构了信任体系,消除了对中间机构的信任风险,运转过程算法化、智能化,区块链在地质知识产权保护中具备实施的技术可行性。地质知识产权保护大致可分为产权确权、产权交易两个方面,以地质图为例,区块链在其具体的确权与交易的应用场景描述如下。

    (1)地质数据产权确权

    由于区块链技术能够在每一次数据记录中加盖时间戳,且因其去中心化、去信任化等特征,保障了数据记录不易被篡改,整个区块链系统的可靠性高,因此区块链技术能够在地质数据知识产权确权和保护中发挥作用。

    (2)地质数据产权交易

    产权交易技术基础是区块链的智能合约技术。该技术在区块链可编程性基础上设计,核心是存储于区块链上的一组编码,它规定了产权交易的预定义状态、转换规则、触发合约的条件、特定情景下的应用措施、违约条件及违约责任等。

    智能合约无需第三方介入执行,其编码程序类似于普通计算机程序的“if x then y”语句构成,即当条件x发生时,智能合约自动执行程序,产生y的结果,无需第三方的监督执行。

    以一幅地质图为例,某智能合约规定“在某个时间点前,此地质图的购买者甲支付一定金额数字货币给地质图所有者乙,则甲能获取乙的这幅地质图”,那么单位甲于规定时间内支付足够额度的数字货币时,就能自动获取乙的这幅地质图的公钥和网络地址,从而使用这幅地质图。

    由此可见,智能合约最显著的特征为其自动执行性。另外,因合约无需仲裁机构督促执行,不会因为合约双方对条款有的不同理解而造成麻烦,也排除了跨境产权交易中法律、语言、政治经济政策差异所产生的影响,可促进知识产权交易低成本的同时更加便捷、高效、准确地执行。

    其他行业的应用案例

    区块链技术的研究与应用近年来呈现了爆发式增长的态势,已延伸到金融科技、数字资产交易、物联网应用、供应链管理、知识产权保护等多个领域,引起了政府部门、金融机构、科技企业和资本市场的广泛关注。

    1. 金融领域

    区块链在金融领域的应用场景主要有数字货币转账、支付、借贷;跨境支付与结算;证券发行与交易;供应链或贸易金融等。分布式账本技术保证了数字货币支付流通的安全可靠、公开透明;交易结算的自动化和瞬时效果。目前的主要应用案例有: Circle点对点消费金融网络和BTCjam比特币借贷平台;Ripple公司的区块链跨境支付与外汇结算系统;招商银行的区块链跨境直联清算业务系统;提供投票、交易、众筹等各种定制性开发功能的以太坊(Ethereum)智能合约平台。

    2. 数字资产管理领域

    区块链提供不可逆转、安全和有时间戳的记录,可以登记、清除、控制和跟踪数字知识资产,并通过智能合约建立和执行数字知识资产协议来提供使用证据、许可证、独家分销网络和传输付款记录。目前,在数字资产管理方面,逐渐浮现出众多利用区块链技术进行数字知识资产管理的平台和公司,例如原本公司的Primas版本保护平台,中国电信天翼创投的微位科技所创造的数字身份认证平台,通付盾公司的区块链身份认证识别体系,美国Binded公司的艺术作品版权登记平台、Monegraph数字知识资产登记系统等。

    3. 物流供应链领域

    区块链技术可保证物流中商品防伪认证、智能化供应链管理、合同认证加密、物流货运全程跟踪,提供全方位、高效、精准的物流管理服务。未来的智慧物流全过程,包含原材料供应链、生产供应链、运输供应链、销售供应链、金融平台都会受到区块链技术浪潮的推动。

    此外,区块链在医疗卫生方面的应用主要体现在医疗电子病历管理、医疗耗材、药品供应链管理和医疗数据隐私保护;在电子政务方面的应用主要为土地确权登记、市民身份认证、政府信息共享传播与民众无记名投票等。

    展 望

    基于地质大数据应用现状,结合地质调查“十三五”信息规划目标任务和世界一流地质调查局对信息化建设要求,针对区块链技术在地质调查中应用需求,提出以下建议与思考。

    1. 提高战略认知,加强顶层设计

    面对区块链技术带来的网络技术变革,我们应提前布局,早做规划。在地质大数据共享层面,系统解决“不愿共享”(理念)、“不能共享”(保密)和“不会共享”(技术)的“三不”问题,建立包括区块链技术、水印技术、数据跟踪与加密技术、数据出版技术等的地质大数据知识产权保护技术体系,解决地质大数据不愿共享问题;积极接受保密部门指导,按涉密数据管理要求和地质数据共享管理相关办法,认真做好数据分级分类工作,确保“涉密数据不上网,上网数据不涉密”,解决数据不能共享问题;积极研发地质大数据共享技术,持续推进国家地质大数据共享服务平台——地质云建设,加大相关培训,解决地质大数据不会共享问题。同时,在离线数据使用方面,从制度上加强地质大数据知识产权保护,合理利用法律及相关政策对数据滥用、产权侵犯等行为进行管理与惩戒,促进数据在风险可控原则下最大程度的开放。

    2. 积极开展区块链技术研究与应用示范

    目前,大数据已上升为各国基础战略资源与核心创新要素,区块链等新兴技术研究和应用逐渐从金融领域扩展到其他行业,证明该技术具有一定的适用性。我们应认真学习新技术,了解其优势与不足,结合地质大数据特点及地质信息化具体应用需求,紧紧抓住互联网中地质大数据知识产权保护需求,加强区块链技术研究与探索,不断挖掘区块链与地质大数据管理的契合点,突破瓶颈,促进区块链等新技术与地质信息化应用结合,开创网络环境中地质数据知识产权保护新模式。

    3. 做好风险评估,确保利弊了然于胸

    新兴技术是把双刃剑,区块链技术的去中心化、自主性和自治性在带来便捷的同时,也存在着种种潜在风险与未知挑战。应深入探索相关技术,做到综合完善的研判分析,重点针对结构化数据与非结构化数据的不同应用场景做出具体的区块链技术应用研究,综合评估区块链技术对在线/离线地质数据的应用风险。针对地质调查领域的专业性与特殊性,整合区块链技术的优缺点。培养忧患意识和底线思维,真正将信息化技术运用起来,为地质调查工作创造价值。面对信息化浪潮,只有不盲目跟从,结合地质调查实际需求深入思考谋划,针对地质信息化建设中主要矛盾和薄弱环节,补短板、强弱项,真正将新兴技术为我所用,以务实高效的工作推动高质量服务,才能拨云见日,长远发展。

    打通构建地质数据管理服务大格局的关窍

    为增强地质工作对成渝城市群沿江发展带重要城镇规划建设支撑服务的针对性,地调局成都地调中心成渝经济区宜宾-万州沿江发展带1:5万环境地质调查项目组加强同沿线山地城市地质工作对接。继重庆丰都县县城城市地质工作交流后,于6月19日赴重庆市忠县开展了对接与交流,忠县国土资源与房屋管理局、规划局、移民局、环境保护局、城乡建设委员会、水务局等相关单位参加交流会,项目组宋志博士做专题汇报。

    座谈会上,各参会部门针对城市地质调查工作需求和城市规划发展服务提出了明确建议。座谈会取得了以下成效:一是结合忠县城市规划、建设和发展需要,进一步明确了以忠州街道等6个乡镇密集发展区为主要调查范围,以城区边坡发育特征与工程地质特征为调查重点,提高了忠县县城地质调查工作的针对性;二是初步建立了忠县城市地质工作沟通小组和协调通道,为忠县城市地质工作开展提供了规划、水文、地质等数据资料;三是研讨了城市地质调查的支撑定位和服务形式,明确了成果将主要支撑服务城市总体规划,成果重点为地质适宜性评价区划和三维地质结构模型建设,为下一步城市地质成果表达和转化奠定了基础。

    交流汇报现场

    成渝经济区沿江发展带城市地质工作对接延伸至忠县

    近日,中国地质科学院地质力学研究所李建华副研究员在国际权威地学期刊《Tectonics》上发表了题为“Mesozoic tectonic evolution of the Daba Shan Thrust Belt in the southern Qinling orogen, central China: constraints from surface geology and reflection seismology 中国中部南秦岭大巴山造山带中生代构造演化:源于地表地质和深反射地震剖面的约束)论文,这是继董树文研究员团队2013年首次在《Geology》发表大巴山深反射地震剖面后的新进展。

    大巴山造山带是一个远离板块边缘的陆内造山带,位于我国中部秦岭造山带的南缘,几何特征为向南西的弧形凸起。这样一个造山带的成因和演化一直为地质学家所关注。如何将地表与深部资料结合,建立深部-浅部构造变形样式耦合的地质剖面,是理解这一构造带构筑格局及演化的关键。在动力学机理上,大巴山构造带的形成与华北、华南陆块的三叠纪碰撞和晚侏罗世的持续汇聚作用有关。值得注意的是,古特提斯洋在晚三叠世就已经关闭,由此衍生的科学问题是:晚侏罗世华北、华南陆块陆-陆汇聚的驱动力是什么?

    围绕这些科学问题,在中石化海相油气专项和深部探测技术与实验专项联合支持下,中国地质科学院董树文研究员团队完成了横穿大巴山的深地震反射剖面和详尽地表构造研究,对反射地震剖面进行了特殊处理和解释,于2013年上发表了地壳结构与构造模型(Dong et al., 2013, Geology)。李建华副研究员在董树文研究员(通讯作者)等老师指导下对大巴山深反射地震剖面进行了进一步解译,通过平衡地质剖面的制作,精细地揭露了大巴山陆内造山带的深部地壳结构和演化过程(图1),重建了大巴山深-浅变形相耦合的中-上地壳几何样式(Li et al., 2015, Tectonics)。研究表明:

    1. 北大巴山以地表韧性剪切、紧闭褶皱和深部双重推覆构造变形为主,南大巴山以具多层滑脱特征的冲断-褶皱变形为主。总体来看,大巴山构造带的变形强度由北东向南西呈减弱趋势(图1)。

    2. 新元古代-中生代,大巴山构造带经历了五阶段的构造-岩浆演化(图2)。中三叠世,华北、华南陆块的碰撞作用导致了北大巴山韧性剪切和双重推覆构造的形成;晚侏罗世,华北、华南陆块的持续陆-陆汇聚作用进一步奠定了北大巴山的构造格局,并导致南大巴山前陆褶皱冲断带的形成。

    3. 大巴山构造带中-上地壳陆内变形的总缩短量大于130 km,这一缩短量足以使向北俯冲的华南陆块北缘镁铁质下地壳发生由麻粒岩相向榴辉岩相的转变,导致密度和重力增大并进一步诱发板片拖拽作用,其为三叠纪古特提斯洋关闭后,导致华北和华南陆块持续陆-陆汇聚作用的关键。

         大巴山造山带地壳结构与成因研究,丰富了陆内变形的理论,是我国陆内造山带研究的典型实例。

    1 大巴山构造带深反射地震剖面解释(A)中、上地壳精细变形样式解析图(B)

    2 大巴山构造带新元古代-中生代五阶段构造-岩浆演化重建模式图

    大巴山深部地壳结构与平衡剖面研究取得新进展

    近日,由中国地质调查局青岛海洋地质研究所吴能友研究员团队著作的《海洋天然气水合物开采基础理论与模拟》一书,由科学出版社出版。中国科学院高德利院士、中国工程院孙金声院士为本书作序。

    本书为“海洋天然气水合物开采基础理论与技术丛书”的第一卷,在梳理和总结海洋天然气水合物开采面临的科学与技术挑战基础上,基于地质-工程一体化理念和实验模拟与数值模拟,建立海洋天然气水合物开采基础理论与技术体系,系统开展天然气水合物开采跨尺度仿真模拟,进行开采产能潜力评价,研究开采过程中储层多物理场演化规律及地质、开采工艺和井型结构等因素对开采产能的影响,提出天然气水合物开采增产理论与技术,为我国天然气水合物勘探开发提供科学理论和技术指导。

    全书分八章。第一章绪论,主要梳理和总结海洋天然气水合物开采面临的科学与技术挑战;第二章海洋天然气水合物开采基础理论与技术体系,从开采传质传热角度进行机理研究,进而引出其多尺度仿真模拟与实验测试技术方法,最后阐述上述理论和技术方法研究的应用出口——实现天然气水合物试采地质-工程一体化调控;第三章海洋天然气水合物开采仿真模拟技术,分别从多物理场演化、三维模拟、钻采一体化模拟、井筒工艺参数模拟和开采数值模拟等方面,系统阐述了天然气水合物开采的仿真模拟进展;第四章海洋天然气水合物开采产气潜力评价,主要介绍基于数值模拟技术开展全球不同类型水合物藏产能模拟的情况;第五章地质因素对天然气水合物开采产能的影响,着重以我国南海神狐海域为例,分析了天然气水合物成藏类型、储层物性、地质构造等主要地质因素对产气潜力的影响;第六章开采工艺对天然气水合物开采产能的影响,基于实验模拟和数值模拟结果,重点讨论不同开采方法与技术工艺下,天然气水合物开采产能特征及主要影响因素;第七章井型结构对天然气水合物开采产能的影响,以我国南海北部水合物储层地质特征为依据,获得系列实验模拟和数值模拟数据,探讨了直井、水平井、多分支井等井型开采时的储层多物理场演化规律、产气产水特征及其主控因素等问题;第八章海洋天然气水合物开采增产理论与技术,围绕实现天然气水合物产业化开采目标、提高产能的需求,从增产理论和技术方面分析现状和短板,提出了未来发展方向。

    本书涵盖了吴能友研究员团队近10年来的研究成果,提供了大量翔实的实验模拟与数值模拟结果,并结合我国海洋天然气水合物试采实践,综合研究形成了一批原创性天然气水合物开采基础理论和技术成果,可为从事天然气水合物勘探开发研究的科研人员和相关专业的研究生提供参考。

    本书出版后,科学出版社将陆续出版吴能友研究员团队著作的“海洋天然气水合物开采基础理论与技术丛书”其他卷,分别为《海洋天然气水合物开采储层渗流基础》《海洋天然气水合物开采岩石物理模拟及应用》《海洋天然气水合物开采热电参数评价及应用》《海洋天然气水合物开采出砂管控理论与技术》与《海洋天然气水合物开采力学响应与稳定性分析》。

     

     

     

    《海洋天然气水合物开采基础理论与模拟》出版发行

    中国地质调查局青岛海洋地质研究所滨海湿地科研团队利用辽东湾164个表层沉积物样品和5条流入河流的39个类似表层沉积物样品进行孢粉分析,深入探讨了辽东湾海域表层沉积花粉和孢子的分布特征、传播方式和可能来源。结果表明,表层沉积物中的孢粉组合与区域植被分布有很好的相关性,辽东湾不同部位孢粉组合的变化反映了沿岸局部植被的变化。高花粉浓度主要分布在流入河流的河口、沿海水域和海洋泥质区。河流冲积样品的花粉组合特征与水深< 8.5 m的近岸海域表层沉积孢粉相似。河流冲积物和近岸海域表层沉积物孢粉主要以草本花粉为主,且草本花粉的百分比和浓度随着水深的增加而降低,表明辽东湾沿岸水域的花粉和孢子主要由流入的河流搬运而来。然而,水深> 8.5 m的海域表层沉积孢粉组合与河流冲积物明显不同。在水深>8.5米表层样品中,乔木花粉占主导地位,尤其以空气传播的松属花粉为主,同时还有大量水流携带的卷柏孢子,这两类孢粉来源范围较广。在辽东湾,风和的输送决定了深水区的孢粉分布格局,而河流和沿岸流的输送决定了浅水区的孢粉组合特征。辽东湾孢粉由陆向海的变化特征为该海域化石花粉组合和过去海平面变化的解释提供了理论依据。

    相关成果论文《Pollen distribution and transportation patterns in surface sediments of Liaodong Bay, China》(辽东湾表层沉积物孢粉分布和传播机制)已在线发表在环境科学顶级期刊《Science of the Total Environment》(中科院分区1区top,影响因子6.551)上。

    1 研究区孢粉样点地理位置以及区域植被图

    2 辽东湾海域表层沉积物孢粉浓度与平均粒径、沉积物运移趋势以及主导风向关系图

    该项研究得到了国家自然科学基金项目(41876057, 41506062, 41406069, 41706057)、国际科技合作重点项目(2016yfe0109600)、地质调查项目(DD20160144, DD20189503)以及泰山学者项目(ts201511077)的支持,该成果是我国海域表层沉积孢粉研究领域发表的首篇一区文章,相关研究显著提高了我国在海洋孢粉传播与沉积过程研究的国际影响力。

    青岛海洋所辽东湾表层沉积孢粉研究取得重要成果

    西昆仑造山带是青藏高原的重要组成部分,地处特提斯北缘,是中亚和特提斯域之间的一个重要构造连接带。西昆仑古生代的形成与演化与原特提斯洋俯冲和闭合密切相关,因此研究西昆仑早古生代的岩浆记录对限定原特提斯洋的初始俯冲时限和动力学过程至关重要。近日,自然资源部中国地质调查局地质研究所尹继元研究员、陈文研究员与合作研究者者重点针对西昆仑-喀喇昆仑寒武纪原特提斯洋俯冲相关的弧岩浆岩展开研究,揭示了原特提斯洋俯冲不同阶段的岩浆岩组合和同位素组成变化、初始俯冲时限和方式,限定了从后撤式俯冲转换为前进式俯冲的造山过程和岩浆响应,建立了不同动力学过程与岩浆组合的关联性,为深入认识大陆地壳的生长机制提供新的约束。

    研究确定了大洋俯冲过程中不同阶段(前进式和后撤式俯冲)岩浆组合与时空分布(图1)。早期甜水海地块的I-型花岗岩形成于533-530 Ma,是西昆仑造山带原特提斯洋南向俯冲最老的岩浆记录,表明原特提斯洋初始俯冲发生在533 Ma以前。其亏损的Sr-Nd-Hf-O同位素组分锆石Hf-O同位素平衡估算表明,存在地幔物质的的加入,加入量达到22%;而其弧岩浆沿北东向(海沟方向)不断变年轻,而同时期花岗质岩墙和双峰式火山岩组合反映一个拉张、伸展背景。

     

     

    图1 西昆仑-喀喇昆仑区域地质简图

      研究还提出上述岩石组合及时空分布特征为原特提斯洋板片北向后撤过程的产物(图2A)。514 Ma以后,岩浆活动减弱,具有高Sr/Y比值和高的Sr含量,但低Yb,Y,Cr和Ni含量的闪长岩来源于加厚下地壳的深熔作用,而最富集Sr-Nd-Hf-O同位素的I型花岗岩则是来自西昆仑古老基底的部分熔融。这是原特提斯洋前进式俯冲过程促使地壳加厚的结果(图2B)。

     

    图2 原特提斯洋交替的前进式和后撤式俯冲模型图

      本本研究受国家自然科学基金项目(41573045, 41873060和41830216)和自然资源部深地动力学重点实验室开放课题基金(J1901-5)等项目的支持,成果近期发表在国际SCI期刊《GSA Bulletin》上:Yin, J.Y., Xiao, W.J., Sun, M., Chen, W., Yuan, C., Zhang, Y.Y., Wang, T., Du, Q.Y., Wang, X.S., Xia, X.P. 2020. Petrogenesis of Early Cambrian granitoids in the western Kunlun orogenic belt, Northwest Tibet: Insight into early stage subduction of the Proto-Tethys Ocean. Geological Society of America Bulletin, https://doi.org/10.1130/B35408.1.

    原文链接:https://doi.org/10.1130/B35408.1 

    原特提斯洋的初始俯冲时限和动力学过程研究取得新进...

    在广东罗定河口开展红土壤野外调查。 卜建军 摄

    近日,中国地质调查局地质力学研究所组织相关人员在北京进行下一年度地质调查项目立项论证时,一项有关南方红土的基础地质调查项目引起了人们的关注。那么,广泛分布于我国南方地区的红土有着怎样的地质生态意义?即将推进的地质调查工作,将对开发这类土地资源、解决红色荒漠化等地质环境问题发挥哪些作用?请看地质力学所有关专家的解读——

    探寻红土水热、植被、母质条件与水、气、生物、岩石圈层物质循环的关系

    “南方红土是我国热带、亚热带以各类岩石和第四纪松散沉积物为母质发育的红色风化壳,也是我国分布最广的第四纪土状堆积之一。它与我国西北地区深厚的黄土—古土壤沉积物相对应,精确记录了第四纪的古气候环境信息。”

    地表作用与系统演变基础地质调查工程首席专家、地质力学所研究员胡健民介绍说,“早中更新世以来,在中国南方自秦岭—淮河以南、青藏高原以东广大地区发育红土沉积物,据推测面积达220万平方公里。它们是我国中、低纬度地区受第四纪季风气候影响下形成的特征沉积物,其分布、成因、来源及理化特征与新构造运动的发展、东亚季风系统的建立及第四纪全球气候变化的纬度效应均有着潜在耦合关系。”

    比如,南方网纹红土属富铝红色沉积物,呈强酸性,高度风化,主要形成于中更新世—晚更新世早期,经历了长期相对湿热的气候环境。但从沉积物颜色变化、粒度组成、化学成分、孢粉组合等指标看,网纹红土并不是在持续湿热背景下形成的,其间可能经历了相对冷湿或凉干的气候。这样说明中国南方古气候存在多个“沉积—成土—构造”过程的旋回。

    可见,红土中隐藏着反映气候周期性变化的“密码”,记录了全球气候变化、青藏高原隆升所引发的季风环流的形成与发展的过程,特别是中更新世全球气候和环境巨变等构造—气候事件,并且可与北方黄土—古土壤序列以及深海沉积记录相对比。

    那么,为什么与西北地区的黄土沉积相比,有关南方红土的研究相对薄弱呢?

    专家指出,中国南方湿热气候导致的强化学风化作用,使得红土的原始沉积学信息在成土过程中被显著改变。而正是由于红土成因的多元性、物质来源及沉积模式的不确定性,阻碍了科学家对中国南方红土的认识以及对其所含古气候信息的提取,阻碍了对第四纪全球变化及区域气候相应的认识。

    地球系统科学是地质调查工作的理论基础。

    近年来,地学界已开辟红土成土过程与全球变化研究的新方向,将红土的成土过程与宏观时空变化相结合,探寻红土水热、植被、母质条件与水、气、生物、岩石圈层物质循环的关系,以及红壤物质循环对环境和全球变化的影响。“目前,亟需获得中国南方红土沉积物地球化学信息及有效物源指标,探究南方红土表生风化特征及沉积物的来源,从而认识南方红土蕴含的有关圈层相互关系的地质记录。”胡健民说。

    探查红土区生态地质环境演变规律,助力南方红土丘陵区生态脆弱性的改善

    自然资源部成立之后,基础地质调查工作正在从支撑矿产资源向自然资源转变。只有查明自然资源的物质基础和空间载体,才能为支撑自然资源管理、经济社会发展、生态文明建设提供基础信息资料和科学决策依据。

    “在当前和今后一段时间,基础地质调查工作将着力解决自然资源和生态环境关键基础地质问题,深化多圈层交互作用调查,全面支撑服务自然资源管理和生态文明建设。”胡健民告诉记者,红土分布区涉及多种类型重要生态系统,是生态环境比较脆弱的地方,人地关系矛盾极为突出。

    这与红土区地形起伏多变、降水时空不均匀等自然条件和红土自身酸、瘦、黏的性质有着很大关联。加上人类的不合理开发利用,导致中国南方红土生态系统面临着水土流失、土壤酸化、肥力退化、季节性干旱、土壤污染、生物退化、石漠化及土地沙化、耕地面积缩减和系统功能衰减等一系列生态环境问题。

    红土区的生态环境脆弱性表现为:土层较薄,肥力贫瘠;人口密度大,人为活动强烈、土地严重过垦,土壤质量下降明显;自然植被破坏严重,雨量多而集中,暴雨强度大,水土流失严重。

    资源潜在的生产能力得不到应有的发挥,整个地区农业及经济持续发展必然受到严重影响。

    目前,我国对红土的认识尚存在一些不足:一是对红壤肥力的现状及其分布认识的不足;二是对红土质量的评价指标和保护认识不足,评价指标上偏重于土壤化学和物理性质的评价;三是对红土的认识缺乏系统性和整体性,未将其看成一个生态系统。

    认识上的不足,也大大限制了人类对红土区自然资源的合理开发和利用。

    “因此,我们在明年的地调项目中特地安排了有关南方红土覆盖区的基础地质调查项目,着重对红土与环境变化进行研究。”胡健民说。

    地质力学所副研究员傅建利告诉记者,当前国际土壤学围绕环境与农业问题,形成了以研究土壤与环境保护、土地覆被与土地利用、土地评价、土地退化与修复、全球变化与区域治理等重大问题为核心的综合研究趋向。我国也应加强对红土的综合性研究,尤其要关注自然和人为活动影响下红壤生物地球化学循环、红壤丘陵区地表侵蚀速率及其动力学、红壤退化的时空变化和退化机理、土壤温室气体及其源汇领域研究,从而揭示现代生物气候条件和人类活动对红土表层的影响与改变,为现代生态环境恢复奠定基础。

    深化对“红土荒漠化”等灾害的认识,服务区域经济发展规划和防灾减灾工作

    严重的水土流失还会造成红土覆盖区“红土荒漠化”等地质灾害。

    华南红土区具有中亚热带优越的生物气候条件,是我国热带和亚热带经济及粮食作物的重要生产基地。由于该区雨量丰沛但时空分布极不均匀,洪涝与干旱并存,同时坡面分布广泛,加上长期对土地资源的不合理开发与利用,整个地区水土流失十分严重,其严重程度并不亚于黄土区。

    据统计,长江流域以南的红土丘陵地区水土流失涉及琼、粤、桂、湘、赣、闽、鄂七省( 区 ),水土流失面积已达 220万平方千米,仅长江上游地区就达35.2万平方千米,水土流失区的土壤流失量高达15.6亿吨。

    另据国家林业局统计,我国南方的湿润沙化土地分布面积达到0.88万平方千米,范围包括浙江、福建、江西、湖南、湖北、广东、广西、海南、贵州、云南、四川、重庆等12个省(区、市)的260个县(市、区)。

    红土荒漠化是中国南方湿润区水土流失的一种重要形式。如东南沿海及江南丘陵山地区的花岗岩、红色岩系和红土分布区等生态脆弱带出现的土地荒漠化,其基本特征为基岩裸露和生态功能丧失,其中劣地式红层荒漠是通过表土层被流水侵蚀,造成红层基岩或其风化壳斑点状暴露作为开始,进而形成大面积的裸露的红层基岩或密集侵蚀沟的劣地式红色荒漠,俗称“红砂岭”或“牛肝地”。这些地区植被演替脱离湿润区的生态发展轨迹,形成旱生灌丛群落,并最终失去生物生产力,土壤含水量降低,有机质减少直至完全检测不到有机质,变成寸草不生的裸地。

    红土荒漠化不仅造成大量的水土流失,而且也存在严重的地质灾害、水资源和水环境以及土地退化等问题,对区内的道路建设与养护、城镇建设、工农业生产和居民区安全也构成隐患。

    “严重的水土流失,已严重影响了人民的生存环境,不仅危害人类的健康和生命,也严重影响了人类的生产和生活活动。加深对红土区地质灾害发育规律的认识,不仅能有效服务于区域的防灾减灾工作,而且对于国土资源的合理开发利用、城市建设和区域经济发展规划等提供科学依据。”胡健民表示。

    加强现代化地质调查,促进人类对红土区自然资源的合理开发和利用

    人地矛盾的解决,依赖于该区基础地质调查资料的支持,特别是对反映地区特点的自然资源和地质环境条件,综合评价地区资源环境承载能力的综合调查。

    虽然,之前地质工作者曾对南方红土区进行过基础地质调查等多方面的区域地质工作,对红土区分布区的基岩和构造等基础地质有了清晰的认识,对长江下游流域的红土层的沉积结构和元素地球化学特征及成壤作用过程和古气候记录等也开展了大量研究,但是对于不同红土类型的划分和空间分布及其与之相关的生态环境问题方面的研究仍显不足,无法满足当前区域经济发展和生态文明建设对基础地质调查工作的要求。

    自然资源部成立之后,地质调查工作积极拓展工作领域,将开展数量、质量与生态“三位一体”的多门类自然资源综合调查。不仅将针对山水林田湖草共同体,大力加强资源环境承载能力调查评价、监测预警和国土空间适宜性评价,而且将加强地球多圈层交互作用研究,提供地球系统科学解决方案。

    傅建利说:“地球表层系统是一个相互作用的耦合系统,红土作为地球表面最表层的地质体,是深、浅部和人类及大气等圈层综合作用的结果。红土的形成演化既受母质基岩岩性控制,又受到气候的影响;同时,红土的发育受地表水圈和人类活动的影响,同时又影响地表水圈的演化和人类的活动。加强对地表红土层为重心的综合调查,深化对红土成因机理的认识,将对科学合理、绿色高效开发利用红土区资源有着重要意义。”

    “地质力学所正在组织力量,从统一的生态系统整体角度,针对南方不同类型红土地层记录的热带亚热带地区古气候古环境演变过程、南方红土区水土流失和红色荒漠化等地质灾害发育规律、不同类型红土的理化性质和发育过程对地球表层系统的响应等三个方面开展地质调查和研究,为优化国土空间开发格局、构建可持续的山水林田湖草生态体系提供基础地质图件及科学理论依据。”傅建利介绍说。

     

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    南方红土是我国热带、亚热带以各类岩石和第四纪松散沉积物为母质发育的红色风化壳, 也是我国分布最广的第四纪土状堆积。因此,南方红土大致可以划分为两种类型:一类是以第四纪松散堆积物为母质发育的红色风化壳,另一类是以各种基岩为母质发育的红色风化壳型。

    加积型红土是以松散沉积物为母质的红色风化壳,一般称为南方红土,其中分布在长江中下游地区的加积型红土,主要包括网纹红土、下蜀土和成都黏土等。

    风化残积型红土以各类基岩为母质发育的红色风化壳也可称为风化残积型红土,主要分布在长江以南地区。按照其母质的分布,大致又分为两个区域,第一个区域以碳酸盐岩为母质发育的风化壳,主要分布在我国西南的云贵高原、四川东部、广西、广东北部、湖南西部及湖北西部的岩溶山区,厚度一般较小;第二个区域以花岗岩、砂岩、变质岩、玄武岩为母质发育的风化壳,主要分布在我国华南的广大区域,厚度不一。

    另外,在我国浙江、福建、广东等地的沿海岬湾地区的向岸风岸段台地上断续分布着一种红色、棕红色半胶结的中细砂风成沉积物,经后期风化,这些沉积物的上部呈红色、棕红色甚至出现网纹红土,地质调查中一般泛称这些砂质沉积为“老红砂”。

    破译环境气候周期性变化“密码”