张必敏, 王学求, 周 建, 王 玮,刘汉粮, 鲁岳鑫
(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000；
2.联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心，廊坊 065000；
3.自然资源部地球化学探测重点实验室，廊坊 065000)
人与自然和谐相处，需要从大尺度、大范围、大数据上系统认识地球，获取全球地学数据，解决全球重大的资源环境问题。地球化学填图是对地球表层化学元素的空间分布和变化进行研究的一种重要手段，可以为资源环境问题的解决提供基础数据和图件[1]。开展全球性的地球化学填图可以使我们从宏观上了解尽可能多的元素跨大陆、跨国界的地球化学特征，必将为解决全球性的资源环境问题提供重要参考依据。
关于绘制全球地表一张地球化学图的想法源自上世纪80年代。1984年国际原子能机构在瑞典召开了一个专题讨论会，为查明全球自然界放射性水平，首次提出了世界地球化学图的概念。随后国际上以加拿大Arthur G.Darnley为代表的地球化学家开始谋划开展全球尺度地球化学填图[2]，并于1988年和1993年，陆续实施了经联合国教科文组织及其下属国际地质对比计划(IGCP)批准的国际地球化学填图计划(IGCP 259，International Geochemical Mapping，1988-1992)和全球地球化学基准计划(IGCP 360，Global Geochemical Baselines，1993-1997)。1998年为使该项工作长期持续进行下去，国际地质科学联合会(IUGS)同意设立全球地球化学基准工作组，并于2016年升级为IUGS下属的科学委员会。可见开展全球尺度地球化学填图受到国际广泛重视。两个计划实施对标准化国际地球化学填图方法起到了重要作用，特别是IGCP 259出版了全球地球化学填图工作的蓝皮书-《用于环境和资源管理的全球地球化学数据库》[2]。在这两个计划推动下，欧洲、美国、澳大利亚、中国相继实施了全球尺度地球化学填图项目，在服务资源环境评价方面发挥了重要作用[3-8]。尽管如此，相对全球庞大的陆地面积而言，这四个国家或地区所覆盖的面积所占比例还非常小，蓝皮书的作者们认识到，由非政府组织领导的全球地球化学基准工作组，要管理和建立全球地球化学数据库的国际采样工作，实际上是不可能的。
在此背景下，2016年联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心(国际中心)在自然资源部中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所成立，标志着国际/全球地球化学填图走向了新的阶段。近年，国际中心制订了6份国际地球化学填图技术指南，搭建了有40多个国家400余位科学家共同参与的国际合作网络。在中心成立的同时发布了“化学地球”国际大科学计划[19]。目前，初步建立了覆盖全球约1/3陆域面积的地球化学基准网，构建了具有自主知识产权的“化学地球”大数据平台，为全球资源环境评价和可持续发展提供了权威数据[9]。
国际地球化学填图计划发起于1987年，同年在法国奥尔良召开的第12届国际地球化学勘查学术研讨会上通过决议同意。1988年，在法国巴黎举行的国际地科联咨询委员会和IGCP年会上，该计划被列入国际地质对比计划(IGCP 259)[10]。
国际地球化学填图计划的目标是鼓励和促进政府、国际组织通过选择地表最佳采样介质进行采样和分析，系统编制元素地球化学图，以此反映各种元素的地球化学趋势和大规模的异常特征，圈定地球化学省。国际地球化学图能够为已有的国际地质和地球物理的系列图件提供补充，从而服务于矿产勘查、基础地质和环境评价。
IGCP 259计划建立了专门技术委员会以解决有关国际标准技术问题，其中两个技术性难题争议最大：①具有代表性采集介质的选择；
②元素周期表上难分析元素分析方法的选择。中国的谢学锦院士与来自芬兰的A Bjorklund博士以及挪威的B Boviken博士主张将泛滥平原沉积物或河漫滩沉积物作为全球地球化学填图的统一采样介质，通过在全球陆地实施极低密度采样，在短时间内制作出全球地表一张地球化学图[11]。
考虑到建设全球地球化学数据库的重要性，1993年IGCP执行局破例批准了IGCP 360计划，以作为IGCP 259的一个延续，该项计划又称为“全球地球化学基准”计划。
IGCP 259和IGCP 360计划的最大成果是编制出版了全球地球化学填图工作的蓝皮书-《用于环境和资源管理的全球地球化学数据库》。1995年，该书在国际地科联、勘查地球化学家协会、国际原子能机构等资助下正式出版[2]，目前该书仍然是全球地球化学填图最基本的参考资料[6]。蓝皮书建议将全球陆地按160 km×160 km划分成约5 000个采样网格，每个网格中采集一个组合样，可以根据经济承受力将160 km×160 km的一级网格划分为更小的采样单元，如80 km×80 km、40 km×40 km等，所有样品分析71种元素以上并制作地球化学图以用于资源评价和环境问题的解决。
2.1 欧洲地球化学基准填图计划(FOREGS计划)
1996年，欧洲地质调查所论坛批准开展欧洲地球化学基准填图计划[3,12]，共有26个欧洲国家参加。FOREGS计划主要目的是使用标准化的采样、分析和数据处理方法制作全欧洲地球化学图，同时将参考网络数据作为欧洲各个国家基准值数据库标准[13]。该计划1998开始实施，2001年完成。其按照大小为160 km×160 km的全球基准网格(Global Reference Network, GRN)采样，每个格子布置5个采样点。在欧洲大陆26个国家(除俄罗斯以外)420×104km2土地上合计布置了808个采样点，平均采样密度约为每4 700×104km21个采样点。每个采样点采集水系沉积物、土壤、河漫滩沉积物、河水和腐殖质。与此同时，采集了750个点的泛滥平原沉积物样品。其中土壤同时采集浅层和深层两个样品，深度分别为0 cm～25 cm和50 cm～200 cm(C层)。泛滥平原沉积物采自大的汇水域盆地(1 000 km2～6 000 km2)出水口，采样深度为0 cm～25 cm。样品分析指标为56项～61项。
2.2 北美土壤地球化学景观计划(NASGLP计划)
2007年北美三个国家的地质调查局共同启动了北美低密度地球化学和矿产勘查项目-“北美土壤地球化学景观计划”，共部署13 323个采样点，采样密度为1/1 600 km2。2003年～2004年召开了数次研讨会，2004年～2007年开展了试验研究，在此基础上确定了NASGLP计划的采样和分析方案[14-15]。美国2010年完成采样工作，2012年完成样品分析工作；
墨西哥2012年完成采样工作，2013年年底完成分析工作；
加拿大于2010年在完成472个采样点的采样工作后退出了该计划。NASGLP的采样密度为1个样/1 600 km2，但三个国家用不同的方法布置采样点。其中美国用空间均衡布样法布置采样点，共布置了5 813个采样点(图1)，其中阿拉斯加州942个采样点，美国48个州4 871个采样点。NASGLP计划共分析了47项指标。
图1 北美土壤地球化学景观计划美国采样点位图Fig.1 Sample location of north American soil geochemical landscape program
2.3 澳大利亚国家地球化学调查计划(NGSA计划)
2007年～2011年澳大利亚实施了“国家地球化学调查计划”(NGSA)，主要目的是为澳大利亚的矿产和能源勘查提供数据。该计划在澳大利亚共部署了1315个汇水域采样点(图2)，覆盖面积达617×104km2，占澳大利亚国土总面积78%，采样密度约为每5 500 m21个采样点[16]。该计划主要采集汇水域沉积物样品，每个采样点采集浅层和深层两个样品，样品深度分别为0 cm～10 cm和60 cm～80 cm，并在野外测试样品的pH值。NGSA计划共分析了60项指标。
图2 澳大利亚国家地球化学调查计划采样点位图Fig.2 Sample location of Australian national geochemical survey programme
3.1 中国全球尺度地球化学基准计划
2008年～2014年，在“深部探测技术与实验研究”国家专项经费的支持下，我国开展了“中国地球化学基准值建立与综合研究”项目(China Geochemical Baselines，CGB)，该项目为IGCP 360计划的延续。参照全球地球化学基准网，以1:200 000图幅为中国的地球化学基准网格单元，建立了覆盖全国的地球化学基准网，共计3 382个基准点(图3)，分析了81个元素指标，建立了包括8个重金属元素(Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn)和放射性元素(U、Th、K)地球化学基准，为我国资源环境评价和持续监测未来环境变化奠定了基础[17-22]。
图3 中国地球化学基准计划采样点位图Fig.3 Sample location of China geochemical baselines
3.2 中国实施的国际地球化学填图合作
中国是IGCP 259和IGCP 360计划的发起者之一，起着积极而关键的作用，在为国际地球化学填图计划出谋划策的同时，积极开展与其他国家的地球化学填图合作。1997以来，中国在地球化学填图国际合作方面取得了一系列成果，搭建了国际合作网络。
1997年与巴西合作，在巴西Parana州按40 km×40 km采样网格开展了地球化学填图合作，分析了71种元素。2001年与哥伦比亚合作，在中国专家技术指导下，按40 km×40 km采样网格采样，分析了76种元素，制作了整个哥伦比亚1:5 000 000地球化学图[11]。2003年与哈萨克斯坦合作，在中哈边界楚-伊犁成矿带哈方一侧，以10 km×10 km为采样网格，开展了超低密度地球化学填图，分析了71种元素，制作了1:1 000 000地球化学图[23]。2005年开始，与蒙古合作开展了中蒙边界地区1：1 000 000地球化学填图，工作范围是东西方向(经度)86°～120°，南北方向沿边境线向两国境内各延伸约100 km，填图面积约为1.3×106km，分析了69种元素，编制了中蒙边界地区1：1 000 000地球化学图，并圈定10种主要成矿元素地球化学异常500余处[24]。2010年后陆续与蒙古、老挝、柬埔寨、乌兹别克斯坦、吉尔吉斯坦、塔吉克斯坦、哈萨克斯坦、巴基斯坦、马达加斯加、坦桑尼亚、埃塞俄比亚、墨西哥合作，完成国家尺度地球化学填图面积约3.5×105km2。编制了合作国家第一套69种元素地球化学图，推动发布各国首张地球化学图，实现从0到1的飞跃，成果获得合作国政府高度肯定。此外，根据不同国家的地理景观特点，制定了有针对性的采样方法和技术标准，并还先后为亚洲、南美、非洲等50余个发展中国家的技术人员举办了十余次国际地球化学填图培训班。
4.1 联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心成立
IGCP 259项目实施以来，尽管全球的地球化学家开展了大量开创性工作，但要绘制一张覆盖全球陆地地球化学图，可谓任务艰巨。由于需要全球所有国家参与，每个国家的情况千差万别，协调的难度极其巨大，必须将其作为一项庞大的系统工程。为了实现改目的，必须在国际上建立一个永久性机构，承担起协调参与国、筹措资金、技术指导、项目管理等使命。2008年谢学锦院士提议与联合国教科文组织合作，在中国建立全球地球化学填图国际中心。2009年7月IGCP中国委员会主席的刘敦一教授向访问中国的联合国教科文组织助理总干事Walter Ed Aaron博士提议在中国设立全球地球化学填图国际中心。2009年10月，来自全球十多个国家的地球化学家参加了在中国举行的全球地球化学填图国际研讨会，大家一致支持建立全球地球化学填图国际中心的提议。随后，谢学锦院士、王学求博士和美国的David Smith博士共同起草了的科学家建议书，建议在中国廊坊建立联合国教科文组织支持的全球地球化学填图国际研究中心，原国土资源部、中国地质科学院、廊坊市人民政府以及多个国际学术组织也对该建议书给予了全力支持[25]。
2010年2月，王学求博士在教科文组织IGCP第38届学术委员会会议上作了关于在中国建立地球化学国际中心建议的报告，获得国际地质科学联合会主席Alberto Riccardi博士以及IGCP生态地学部秘书长Robert Missoten博士支持。2010年11月Robert Missoten博士来华参观考察，形成可行性研究报告。2011年2月IGCP第39届执行局会议审查了该报告，并形成支持建立国际中心的决议草案和协定草案。2013年11月教科文组织第37届大会正式批准在中国建立地球化学国际研究中心提案。2015年9月国务院正式批准了由原国土资源部经外交部、教育部、财政部、科技部等会签的建立国际中心的申请。通过不懈努力，2016年5月12日，国际中心正式揭牌成立，成为教科文组织唯一一个提供全球地球化学观测数据的权威研究机构，为全球自然资源与环境可持续发展提供服务，为联合国2030年可持续发展议程和教科文组织中长期战略的实现提供支撑。国际中心的建立实现了1988年实施的“国际地球化学填图”计划及1993年出版的“蓝皮书”提出的愿景，即建立一个协调全球地球化学填图的永久性机构[25]。
4.2 “化学地球”大科学计划提出
2016年，在国际中心成立之际，向世界发布了“化学地球”国际大科学计划。其总体目标是系统获得全球地球化学权威观测数据，绘制地球化学元素图谱，建立“化学地球”大数据平台，创新地球系统科学知识，支撑全球自然资源与环境可持续发展，架起决策者、科学团体和社会公众的桥梁，贡献中国力量[26]。大科学计划发布以来，得到了俄罗斯、美国等30余个世界一流地质调查机构和国际学术组织的认同和支持。国际地质科学联合会、国际地球化学家协会、国际应用地球化学家协会、东亚东南亚地学计划协调委员会等国际科学组织等均给予了积极支持。已初步建立了有40个国家400余位科学家参与的国际合作网络。
4.3 国际地球化学填图取得新进展
2016年以来，通过实施“化学地球”大科学计划，国际地球化学填图取得重大进展[9]。
建立了覆盖全球约1/3陆域面积的地球化学基准网，为全球资源环境评价和可持续发展提供了权威数据。2016年以来，中国陆续与老挝、缅甸、土耳其、蒙古、坦桑尼亚、俄罗斯、哥伦比亚、秘鲁等国合作开展了全球尺度地球化学填图合作。截止2022年，全球地球化学基准网已覆盖全球陆域面积的32%，累计覆盖面积约为3.6×107km2。建立了“化学地球”大数据平台，编制了“化学地球”系列图集，使得全球有了第一张覆盖全球陆地面积1/3的地球化学基准图，为全球战略矿产资源分布、重金属环境状况、全球土壤碳库、全球环境变化等研究提供了权威数据。
建立了“化学地球”大数据平台，入库全球16个国家数据2 742 413条，数据量达30 TB。“化学地球”大数据平台是由8层数据构成的数字地球，这是目前全球唯一具备化学属性的数字地球平台。通过该平台可浏览化学元素在全球的分布，通过缩放呈现不同尺度下的元素分布信息，同时支持通过行政区划、元素含量、采集时间等多种属性信息进行筛选查询。在地球化学图发布系统上，实现了数据接入处理、栅格数据展示、矢量数据展示等功能。完成了“化学地球”WEB系统结构调整，由三维结构调整为二三维并行结构，实现二三维系统切换，速度和用户体验得到显著提高。
2022年6月24日国家主席习近平主持全球发展高层对话会，会议发表了对话会主席声明，其中32项成果清单中的第8项内容为：实施“化学地球”大科学计划，推动共建全球地球化学基准网，为发展中国家绿色土地保护利用、提高农作物产量与品质提供大数据支撑。
绘制全球一张地表地球化学图是当今人类社会地质领域中最迫切的任务之一，获得的基础数据和图件可在资源环境评价、全球变化、绿色可持续发展等方面发挥巨大作用，实现这项任务是全球地球化学家的一个共同梦想。目前，“化学地球”大科学计划仍处于初始阶段，全球地球化学基准网覆盖面积仍较小，必须倡议更多的国家和地区加入到该计划中，在共享中国地球化学填图先进技术同时，推进全球地球化学基准网建设，为全球资源环境可持续发展做出中国贡献。
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