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大变局催生地质工作新范式 ——新一轮技术革命与第四次工业革命对地质工作的影响前瞻

发布日期:2019-08-27 来源:《中国矿业报 》 2019-8-2 作者:杨建锋 王尧 余韵

当前,世界正在经历新一轮技术革命与工业革命。这将深刻影响地质工作的方方面面,推动地质工作发生前所未有的变革。地质工作如何主动服务和支撑经济高质量发展与新技术、新产业快速发展,同时在地质科技领域实现全球引领,需要深入思考。

新一轮技术革命和产业变革加速发展

越来越多的迹象表明,世界正在进入技术颠覆性变革新阶段。发展过程呈现“一核多翼”的演进格局。“一核”是指以信息技术深度与全面应用为核心,“多翼”包括新能源技术、新材料技术、生物技术、航天技术等不同领域。世界各国纷纷出台相关战略推进新技术产业化,驱动第四次工业革命席卷全球。

一是以数字化、网络化、智能化为核心的信息技术变革引领新一轮科技革命。信息技术深度与全面应用,将成为产业体系发展的核心基础设施,从根本上改变人类-社会-经济系统的联通方式。

二是清洁、无污染、可再生新能源与储能技术被纳入越来越多国家的能源战略。清洁低碳能源技术可能将改变目前的全球能源供需格局。从前景来看,天然气水合物、地热、太阳能、潮汐能、核聚变等非常规能源潜力巨大,一旦技术获得突破,将比页岩气带来的能源改变更加巨大。此外,储能技术在能源革命中具有非常重要的作用,近年来氢能技术日益得到重视。

三是新材料与增材制造技术成为各国抢占国际竞争制高点的重要领域。世界各国积极抢占材料领域的国际竞争制高点。新材料与信息、能源、生物等高技术不断融合,推动了新能源汽车、生物、新能源、高端装备制造、节能环保等战略性新兴产业的快速发展。

第四次工业革命将推动地质工作发生深刻变革

产业发展所需资源的演变,将深刻影响未来的地质工作。每一次工业革命,由不同的主导技术群驱动,发展兴起一批新兴产业,带动不同的资源需求快速增长,同时也导致了不同的环境问题。

前三次工业革命的发生与推进均对地质工作产生了深远的影响:第一次工业革命,推动地质工作由自由探索转向服务产业发展;第二次工业革命,推动地质工作进入以服务找矿开矿为重点的阶段;第三次工业革命,推动地质工作向环境领域拓展。

目前,人类社会正在经历第四次工业革命。在它的推动下,大数据、新能源、新材料、生态服务将成为产业发展所需的重要资源。这将加快推进地质工作大变革、大调整和大转型步伐。

1. 基于大数据的科学研究第四范式将成为地质工作的重要方式。

目前,我国已经形成了巨量的与地质工作相关的数据。这些数据包括:以往地质工作形成的地质数据;各种观测监测探测网形成的资源环境动态数据;地理、气象、水利、环境等部门形成的地学与资源环境数据;与人类活动相关的社会经济数据等。

地质矿产大数据系统 图片来自网络

数字化、网络化、智能化技术的发展与应用,将这些数据有机地汇聚在一起,形成了巨大的“大数据矿山”。这座“山”中,可能隐藏着大量对经济社会发展有价值的资源,需要地质工作去“勘查和开发”,形成有价值的“信息矿产”,去服务支撑国家重大资源、环境与生态问题的解决。

从发达国家来看,大数据分析研究已经成为地质工作的主体内容。例如,美国地质调查局(USGS)的野外区域调查在其全部工作中所占比例很小,主要工作是基于已有的调查数据、监测数据开展大数据分析研究,构建地球监测分析与预测框架(EarthMAP);英国地质调查局(BGS)将主体工作从调查、监测转移到了定量建模、预测和预报,基于大数据分析研究构建环境模拟平台(EMP)。美、英地质调查工作的发展趋势表明:地质工作将从以野外区域调查为主转向以大数据综合分析研究为主。

随着我国生态文明体制改革的深入,国土空间规划、自然资源综合管理、生态环境管理等对大数据分析研究提出了急迫的需求。无论是国土空间规划、自然资源综合管理,还是流域、区域生态环境管理,都需要对自然单元内所有的地学要素、资源要素、环境要素、经济要素等进行综合分析和统筹考虑。例如,资源环境承载能力评价,既需要对水、土、矿等自然资源进行评价,也需要对大气环境、水环境、地质环境等自然环境进行评价,还需要对资源开发活动、工程建设活动、人口与物质财富分布等经济活动进行评价。从知识层面来看,资源环境承载能力评价已经超出了目前各学科科学家的知识能力范围,对现有的评价方法形成了巨大的挑战。

笔者认为,大数据分析研究将成为我国地质工作的一项重要内容。地质工作方式将会发生很大变化。以密集数据为基础的科学研究第四范式将成为地质工作的重要方式。

2. 新能源将成为地质工作勘查开发的重要能源资源

天然气水合物、页岩气、深部地热和干热岩等新能源的勘查开发,都依赖于对其所赋存地质条件的深入了解。以干热岩开发为例,美国早期在新墨西哥州的Fenton Hill开展的干热岩勘查开发研究表明,干热岩自然断裂分布与应力场分布调查填图至关重要,低压激发、水力剪切、高压水力压裂对储层建造与水力连通性的影响关系到干热岩资源的开采,张扭性地质环境比压性地质环境更易于储层建造等。这充分说明,对于非常规能源勘查开发,地质工作至关重要,地质条件了解的清楚与否,直接关系到后续非常规能源的开发效果。

新能源的开发可能会诱发新的环境问题,需要地质工作予以重视并提出相应的解决方案。例如,页岩气、干热岩开发均需要采用水力压裂技术,而水力压裂技术可能会诱发具有破坏性的地震和深部地层污染问题。2017年11月,韩国庆尚北道浦项市北部发生5.4级地震,是韩国有记录以来震级排名第二的地震,直接经济损失546亿韩元。韩国政府组建了海外调查委员会和国内调查委员会,对浦项地震进行了调查。2019年3月,两个调查委员会发布调查报告认为,浦项地热发电所向地热井注入高压水的作业触发了浦项地震。韩国产业通商资源部据此宣布将永久停止浦项地热发电所项目运作。

我国地处欧亚板块的东南部,位于太平洋板块、欧亚板块、菲律宾海板块的交汇处,构造活动与地震活动活跃,地质环境具有先天的脆弱性。地质工作在大力开展页岩气、干热岩等新能源勘查开发研究的同时,需要加强新能源开发诱发环境问题的调查研究,提出相应的解决方案,保障新能源产业的健康发展。

3.新材料、新产业发展所需矿产将成为地质工作勘查开发的重要资源

基于信息技术应用形成的大数据矿山

新材料、新产业发展可能促使经济社会对矿产资源的需求发生结构性变化,战略性新兴矿产需求将不断增长。战略性新兴矿产对新材料、新能源、信息技术、航空航天、国防军工等新兴产业具有不可替代的重大用途,美国、欧盟、澳大利亚、日本、英国等发达国家先后制定了关键矿产发展战略,提高关键矿产安全和可靠供应程度。地质工作在重视传统大宗矿产找矿工作的同时,需要对战略性新兴矿产给予更多关注。

战略性新兴矿产的规模化开发利用,可能会诱发新型污染与环境风险,需要地质工作加强评估。例如,应用纳米技术所制造的新材料,其物理与化学特性与传统的制造材料具有很大的不同,纳米材料可能会随着产品的应用与废弃进入到土壤和水体中造成污染,从而威胁土壤与水资源质量安全。应对新的污染风险与环境风险,地质工作需要超前予以调查研究。

4.生态服务与生态资源需求增长将为地质工作开辟新的空间

自然环境为经济社会发展提供了两类资源:一类为有形的自然资源,包括土地、矿产和水等;一类为无形的生态服务,包括涵养水源、保持水土、调控水分、减轻自然灾害等。前三次工业革命推动了有形的自然资源的开发利用,而忽视了无形的生态服务的保护,造成了严重的生态退化和环境污染问题。第四次工业革命推动绿色化、生态化成为产业发展的革命性方式,从而使生态服务、生态资源上升成为经济社会可持续发展的重要资源。

为了定量评价自然资源与生态服务对经济社会的独特价值,学术界提出了“自然资本”的理念。自然资本研究从理念走向管理实践还面临着多个亟待解决的难题:如何定量表征自然资本的生态服务功能?如何权衡自然资本的多种服务功能,协调区域经济发展与自然资本保护的关系?如何将自然资本定量评估与自然资本管理政策结合起来,保障生态服务的持续供给?可以确定的是,自然资本理念为地质工作树立了前进的目标:增加或保持自然资本存量的稳定。

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