全球矿床数据库建设现状、应用与展望

基于大数据和人工智能技术的数据驱动科学范式推动地球科学研究发生了变革。作为地球科学的重要分支,现代矿床学经历了百余年的发展,已经积累了海量的数据资料,这些数据的流通和共享是发挥其资源价值的关键。文章介绍了中国“地质云”与全球矿产资源储量动态评估数据库、澳大利亚深部地球探测计划AuScope、美国矿产资源在线空间数据库、国际经济地质学家学会(SEG)Geofacets数据库、美国标准普尔公司SNL Metals&Mining数据库等国际主要矿床数据库的情况;同时,列举了应用大数据思维和人工智能方法在区域成矿规律、矿床成因机制、矿床类型判别、资源潜力评价、战略咨询等方面取得的若干重要进展。文章提出,未来在深时数字地球国际大科学计划的平台下,整合全球海量矿床数据,建设开放、共享、统一的矿床大数据平台势在必行。     

面向数据共享的地球系统科学数据分类探讨

地球系统科学数据共享在国际、国内都有迫切的需求。由于地球系统科学固有的学科交叉性和综合性,如何建立科学、通用的数据分类体系是困扰该领域数据共享和服务的难题。首先综合分析了国际上地球系统科学领域主要的数据分类体系,重点对美国全球变化主目录(GCMD)分类系统及其2005—2013年的演变趋势进行分析,指出当前该数据分类呈现扁平化、两极化的显著特征。在此基础上,重点梳理了国家科技基础条件平台———地球系统科学数据共享平台的用户服务记录,揭示了用户访问频次最高的数据集和检索关键词。结合GCMD系统化、结构化的分类思想和国家地球系统科学数据共享平台用户化的数据服务需求,提出扁平化的地球系统科学数据目录分类和规范化的关键词表体系2种分类模式。     

地球系统科学数据共享网络平台的设计和开发

“地球系统科学数据共享网”是国家科学数据共享工程的试点之一,同时也是国家科技基础条件平台的组成部分,其目的是为地球系统科学的基础和前沿研究提供数据支撑服务。该系统平台(GEODATA)是一个分布式的数据交换体系,总体设计思路是利用元数据整合分散的地学数据资源,通过业务逻辑的技术封装提供地学数据的网络共享。设计的GEODATA体系是一个五层结构,即门户层、共享业务层、核心服务层、资源管理层和网络平台层,具体的业务逻辑处理功能被分解为13个功能模块。GEODATA的研发技术路线包括总中心和分中心两大部分,其中总中心采用“地学数据超市”理念进行功能组织;分中心基于Web Services技术,采用分布式数据管理的模式进行设计。两者的业务逻辑基于元数据的生命周期被串联成一个有机的整体。GEODATA原型系统利用J2EE开发,实现跨平台部署。应用实践表明这种平台构架模式非常适用于地球系统科学的学科特点。     

大数据时代下美国地质调查局的科学新观

2010年,美国地质调查局为适应社会需求,将以往以学科为主线的组织架构调整为以重大问题为主线,新增了核心科学体系的科学使命,并于2012年制定和发布了《美国地质调查局核心科学体系科学战略(2013-2023)》,作为其今后10年核心科学研究的纲领.该战略是美国地质调查局在“大数据时代”的背景下提出的地球科学研究的新思维,将临界带视为其重点研究对象,按生态系统的内在逻辑构建了模块式科学框架,突出数据密集型科学研究新范式与地球科学研究的结合,以期形成为变化世界服务的科学体系,以增强地质调查满足社会需求的能力和解决复杂的经济-社会问题的能力,也代表了地球系统科学未来发展的一个新方向.     

大数据科学从信息化、模式化到智能化:现代地球化学应用研究的新范式

地球科学领域处在信息科学与信息化社会时代,基于大数据战略驱动的现代地球科学正在蓬勃兴起。诞生于近代的地球化学具有天然的结构化信息科学属性。提出建立从信息化、模式化到智能化的地球化学大数据信息科学应用研究总体思路,即基于地球化学大数据首先建立信息化系统,运用地球系统科学方法理论建立成矿地球化学分带富集模式与生态地球化学累积效应模式,采用智能系统与智能技术按照模式化思维方式分析、判别和预测大量地质地球化学非线性现象,通过地球化学理论研究和应用评价解决影响国家经济社会发展重要资源环境问题。大数据与地球系统科学构成地球化学应用研究的两大支柱。本文针对目前存在的主要问题,从地球化学大数据信息化、信息模式化及模式智能化等方面进行论述。重要的是以地学模型为主体构建智能化系统,研究成矿系统与生态系统科学问题。世界经济社会发展与资源环境问题处在全球化时代,必须从全球资源配置与全球环境变化高度审视成矿地球化学和生态地球化学问题。地球化学结构化大数据属性的巨大优势,现代计算机关键技术日益成熟及智能化前缘理论研究的不断突破,预示实现地球化学大数据信息科学条件已经具备,可能从地球科学领域脱颖而出,成为具有广博视野和不断进取的新兴科学研究范式。     

自然资源时期:大数据与地球系统科学——再论全面发展时期的勘查地球化学

中国勘查地球化学全面发展的重要标志和本质特征是大数据信息与地球系统科学。勘查地球化学的全面发展坚持资源与环境并重方针,真实生动地反映国家经济社会发展的历史轨迹,在科学技术领域具有典型意义。自然资源时期地质工作关于资源内涵从矿产资源、国土资源到一切自然资源,关于环境内涵从地质环境、国土环境到包括山水林田湖草生命共同体在内的一切自然环境。本文继2008年对此有所评述后,在国家自然资源部成立之际,地质工作面临深刻转型之时,从大数据信息科学与自然资源地球化学调查、建立地球系统科学指导的自然资源地球化学理论体系与自然资源地球化学评价体系,以及针对自然资源领域重大科学问题,深化地球化学应用研究与理论研究,构建完善的科学体系等若干值得注意的方面再次就此议题加以评论。勘查地球化学的长期目标是通过大数据信息与地球系统科学研究揭示自然资源与自然环境状况,实现对地球资源的科学开发、合理利用和整体保护,创造人类与地球和谐共处的生存环境。由此,转型和升级贯穿中国勘查地球化学发展的全过程。地球化学将以形态和内涵的系统性、综合性、整体性作用,以及应用实践的多目标全方位面貌出现在国家行业部门与科技领域,极大地拓展和深入经济社会发展各个方面。勘查地球化学以方法技术优势实行大调查、大数据、大应用战略,建立大环境、大生态、大地球观,向大地质、大资源、大科学转变,为解决自然资源与生态环境问题提供地球化学方案,将全面发展时期的勘查地球化学从大数据信息应用优势和地球系统科学理论高度提升到"大地球化学"境界。     

地球科学大数据的管理与共享：以英国地质调查局为例

大数据驱动的研究范式正在引起地学领域的革命,而海量大数据的有效管理和共享是数据高效利用的前提。英国地质调查局作为最早成立的国家地质调查局,拥有海量的地学数据资源,通过近年来对数字化工作的全面推进,在数据的开放共享方面走在了世界各国的最前沿。文章对英国地质调查局的数据资源管理和数据共享方式进行了分析调研,详细介绍了他们的一站式管理平台——开放地学的主体组成,以及他们与同行合作建设的数据库。开放地学全面汇总了地调局内的数据资源,并通过一系列数据共享将所有数据集有机链接,通过数据和模型的巧妙结合,在满足用户数据需求的同时,对数据的应用进行了全方位的拓展,是地球系统科学研究框架下地球科学数字化工作的良好典范。     

现代地球化学的理论思维结构

地球科学和地球化学的进展,不但加深和扩大了对地球的认识和理论成果,同时也总结提炼出了全新的科学思维方法。复杂性理论和系统思维是科学认识论的一次飞跃。现代地球化学建立了较完整的理论和方法体系,给地质科学认知地球提供了依据和支撑。作者论证了系统思维和逻辑演绎法相结合的思维方式,是研究和认识地球复杂巨系统以及推动地球科学理论创新的指导思想,并提出了运用现代地球化学理论构架和方法体系,综合地球科学系统思维与逻辑思维相结合方向的地球化学认知模型,为深入研究地球物质能量系统的行为和解决人类面临的资源、环境和灾害问题提供新的思路。     

“地球系统探测新原理与新技术”优先领域与地球系统科学

地球系统科学是研究组成地球系统的子系统之间相互联系、相互作用的机制，研究地球整体结构、特征、功能和行为，研究地球系统变化的规律和控制这些变化机理的科学。对地观测、探测与分析技术的发展是地球科学创新思维来源的技术保障，同时对地球科学基础理论研究水平的提高起着重要的作用。21世纪地球科学的发展将更加重视发展地球系统科学的理论、方法与技术体系。“地球系统观测、探测新原理与新技术”被列入国家自然科学基金委员会地球科学部“十五”优先资助领域。回顾“十五”期间的资助情况，探讨该领域和地球系统科学的关系，将有利于“十一五”对该领域资助工作的调整与完善。     

应用地球物理数据处理与分析

从理论和方法技术两个角度讨论了应用地球物理学数据分析当前存在的问题,并对当前学科发展前沿的非线性反演问题进行了重点分析。笔者认为,当前这个领域主要存在８个理论问题,它们影响了学科的发展,同时还存在４个方法技术问题,限制了应用效果。由于从地球物理数据中提取信息和数据处理中不可避免地产生人造假象是相互矛盾的,当前的研究方向是“最大限度地从地球物理数据中提取信息的同时,有效地抑制人造假象”。主要的研究应集中在非线性技术与地球物理反演的结合部上,以开创非线性反演的理论体系。这个体系应突破正则化思维的束缚,引入非线性系统自组织、地球物理场的非线性属性等新概念,融信息科学、数理科学与地球科学为一体,为全球能源资源的勘查开发和环境监控服务。     

关于我国开展地球系统研究战略概念模型的讨论

自20世纪末以来,地球科学开始进入一个新的发展时期,地球系统科学理念逐渐成为引领新世纪地球科学的发展方向。世界各国在制定其地球科学战略时,均基于各自掌握的科学资源和实际需求,形成了各自的特色。我国地球科学发展的优势在于区域自然条件,以及社会经济快速发展产生的需求和机遇。基于我国的实际情况的分析,提出了一个地球系统科学研究的概念模型。在这一框架内,我国可以在两方面选择研究范例,并为地球系统科学的发展做出贡献：一是在地球系统物质、能量循环中关注我国具自然条件优势的关键环节;二是强化区域集成研究。同时,还需要加强地球系统观测和模拟的平台建设。     

浅谈大气科学与地质学的学科交叉

随着新一轮的科技革命蓬勃兴起,大气科学学科正步入地球系统科学的新时代,学科交叉必然产生新的增长点.大气科学的发展经历了观测-理论-模型的三个阶段,很好地践行了“数据-模式驱使科学”的研究范式.然而,地质学具有更深远的时空复杂性,需要更长时间的数据积累.目前,地质学正面临着研究范式由观测向理论和模型的转变.大气科学与地质学的交叉将为这一转变提供经验和启示.同时,大气科学与地质学的交叉,需要研究气候系统上边界(大气顶的太阳辐射)和下边界(固体地球形态)变化导致的大气和海洋环流的响应.研究这些问题,将成为发展同时统辖“分钟、小时”直至“地史”的时间尺度的大气科学理论的关键,也是未来地球系统模式发展的重要方向之一.中国地质大学(武汉)的大气科学专业,作为推动大气科学与地质学交叉的排头兵,任重而道远.      

Development of Geological Science in China in the Twentieth Century

On the occurrence of the celebration of the Fiftieth An-niversary for the establishm ent of the People’s Republic ofChina,we contribute this paper entitled“Developm ent of Ge-ological Science in China in the Twentieth Century”.Thiscomes out from a review of the newly published book aboutthe history of geological disciplines:“Fifty Years of Geologi-cal Science in China”.The draftof the paper was formed aftera discussion between the authors.It deals with the existingstate of geologica…     

地球科学知识图谱的构建与展望

大数据为地球科学研究带来了新的思路和挑战。但由于存在描述规范不统一、共享机制不明、语义异构等问题,在数据集成、共享与复用等方面存在较大困难,使得大数据的众多优势在地球科学相关研究中难以充分发挥。知识图谱能够准确、清晰地表达概念及其相互之间的复杂语义关系,为机器所理解,是实现语义翻译、数据融合和复用的关键技术。文章对地球科学知识图谱的内涵和特点进行了深入的分析,归纳了地球科学知识图谱的主要构建方法,梳理了数据字典、知识体系和知识图谱之间的关系,对与地球科学知识图谱构建相关的专题数据库和领域本体的建设现状进行了回顾,指出了地球科学知识图谱构建中存在的主要问题,并阐述了地球科学知识图谱的应用前景,以期推动和完善地球科学知识图谱的建设和应用。     

Application of solid state nuclear track detectors in fission studies

Journal of Earth System Science - Solid state nuclear track detectors (ssntd) were introduced as an important research tool in nuclear science and technology in the early 1960s. In this paper an...     

沉积记录与白垩纪地球表层系统变化

地球表层系统是由岩石圈、大气圈、水圈和生物圈相互耦合和变化组成的复杂巨系统。白垩纪是地球表层系统研究的典范,在地球表层各圈层发生了众多重大地质事件。晚白垩世巨大的地幔热异常引起海底扩张速度变快,导致大量海底高原和海山的形成;同时,冈瓦纳大陆裂解,南北大西洋贯通,新的大洋水道形成,可能造成大洋环流格局的大变化。洋壳体积的增加可能使白垩纪海平面比现在高出200~300 m,大规模海侵也在晚白垩世中期达到最大范围。在这个过程中,火山作用释放出来的营养物质和火山气体的反馈作用造成的大量陆地营养物质的流入共同促使大洋水体富营养化和普遍缺氧,造成“大洋缺氧事件”。CO2浓度的升高（为现今的4~10倍）是火山排气作用的直接结果,其“温室效应”也被认为可能是促成白垩纪大气和海水高温的重要原因（高于现在10 ℃）。大洋红层（CORB）是最新提出并被广泛接受的白垩纪重要地质事件,被定义为一套分布在从外陆棚到CCD面之下深水盆地的,在富氧、低生产力和贫营养条件下较低速沉积形成的品红-红色-棕色的细粒远洋沉积物。这些发生于地球表层各圈层的重大地质事件以能量循环的方式（具体表现为C、S、P、H、O等元素循环）相互耦合和变化共同支撑着地球表层系统的运转。但是科学界对这些重大地质事件的成因机制及其所引起的全球变化性质还没有形成一致意见,原因之一就是缺乏对陆相沉积记录的研究。陆相白垩系的广泛发育和“松辽盆地白垩系科学钻探”工程的顺利实施共同构成了中国在白垩纪地球表层系统研究上的地域和材料优势,结合中国在白垩纪地球表层系统重大地质事件研究中已经形成的学术优势,从地球系统科学的角度出发,通过多学科交叉研究将是解决以上问题的关键。     

地球系统科学时代的区域地质调查应更加重视古生物资源调查

地球科学研究已进入地球系统科学时代,地球系统科学逐渐成为地球科学各分支学科重要的指导思想。本文论述了古生物资料在地质学诞生和发展中的重要作用及地球系统科学时代古生物资源调查的重要意义,分析了我国目前区域地质调查中存在的问题及其影响,对我国在区域地质调查中加强古生物资源调查提出了具体建议。     

Chinese Earth Science at Its Turning Point

Since 2010, China has become the second biggest publisher of scientific research papers in the world, but remains far behind the global leadership with regards to the ability of creative innovation. Just like its economy, Chinese science is at a turning point, and the key is to avoid the “Middle-income trap”. Instead of blindly going after quantity of SCI publications, Earth science in China is to address major scientific problems and to perform transition to a new level of innovative researches. This is a written speech to the 4^th Conference on Earth System Science,Shanghai.     

浅议学科交叉与地球系统科学

以整体系统的观念认识地球 ,强化学科间的交叉与渗透 ,是 2 1世纪初地球科学发展的主题。各国都十分重视推动学科交叉研究 ,并将学科交叉分为Modidisciplinary、Interdisciplinary、Transdiscipli nary三个层次。地球系统科学的两大前沿为“地球系统的联系”和“地球系统的演化” ,2 1世纪地球科学的突破在于地球系统变化理论的形成。笔者指出 :目前 ,我们的观念还跟不上地球科学的发展 ,尤其是“学科交叉”的理念不强 ,缺乏地球系统科学的思维 ,但我们有开展地球系统科学研究的有利条件     

盐类科学研究的扩展——盐体系研究的思考(代序)

传统的地球科学对于盐类研究主要集中于盐湖和古代盐类沉积,对于其他盐类聚集体,如泻湖、港湾、盐沼泽、泉水等研究较少,更未涉及其他行星的盐类聚集体。成盐元素约25种,由于其作用的广泛性和重要性以及近代科学技术的进步,对于盐类聚集体的研究已冲破单学科领域,不但在地球科学包括盐类资源科技领域日益扩大和深入,而且在生物学、医学、保健和环境生态学等也有了引人入胜的新发现,航天行星科学也开始涉及盐类研究领域,在宏观上已进入全球以至行星研究时期,在微观上已达到分子和基因层次;盐类及盐碱土开发已达到综合利用、整体开发的初始阶段。盐类科学研究已进入多学科交叉、在广度和深度上大为扩展的崭新时代,概称为"盐体系"研究和综合开发与保护管理阶段。