淺析表生地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫及大數(shù)據(jù)研究進(jìn)展

呂允奇 河北省水文工程地質(zhì)勘查院

對(duì)于地球表生化學(xué)的研究范圍其實(shí)是非常廣泛的，會(huì)涉及氣候的演變過程、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、環(huán)境科學(xué)、地震規(guī)律、微生物科學(xué)等等。還包括有機(jī)物在地球淺部位置的演變以及在形成巖石的早期過程中，各類地表生物的化學(xué)動(dòng)力學(xué)、煤油形成的具體原因等等。站在地質(zhì)地球化學(xué)的研究角度來看，相對(duì)狹義的表生地球化學(xué)研究在學(xué)術(shù)的研究范圍上則會(huì)縮小很多，其主要的核心研究目標(biāo)應(yīng)該為研究各種各樣的元素在地球表層的遷移以及演變過程。下文將對(duì)該方面的研究作出相應(yīng)的分析和歸納。

一、表生地球化學(xué)的研究對(duì)象

關(guān)于地球表生化學(xué)的研究可以說是在地球化學(xué)研究中，一類研究歷史較為久遠(yuǎn)，同時(shí)又比較嶄新的一類學(xué)科，該學(xué)科的主要研究內(nèi)容為研究在地表景觀中各種化學(xué)元素的實(shí)際遷移過程，以及遷移的具體機(jī)制。在表生地球化學(xué)的研究中，研究的范圍也是十分廣泛的，研究的具體對(duì)象為地球上的表生帶。曾有相關(guān)的研究學(xué)者認(rèn)為，地下潛水面以上和下方的一小部分都應(yīng)該歸屬于表生作用的具體范圍，過去幾年，曾有學(xué)者認(rèn)為，表生作用主要可以分為上部和下部兩個(gè)地帶，地下水的潛水面上部分屬于原生作用的氧化改造帶，而地下水面下方的一小部分，也就是200-300 米的位置之內(nèi)都應(yīng)該歸屬于表生作用的還原改造帶。

一般情況下，表生地球化學(xué)的研究主要為研究各種元素在地球表生帶的詳細(xì)分布狀況，還包括元素的遷移規(guī)律和遷移機(jī)制等。表生成礦地球化學(xué)是表生地球化學(xué)的其中一個(gè)研究領(lǐng)域。由于表生地球化學(xué)環(huán)境相較于內(nèi)生來說，會(huì)更加的復(fù)雜且煩瑣，表生地球化學(xué)研究是具備非常多學(xué)科的，會(huì)涉及地理、化學(xué)、微生物學(xué)以及氣象學(xué)等等，重點(diǎn)研究的是表生帶常溫以及常壓情況下，有水參與其中的地球化學(xué)，也就是“外生的或者低溫的有水參與到其中的地球化學(xué)”涵蓋了處于地球表面的大氣層、生物圈以及海洋等等，以及跟海水進(jìn)行接觸的各種巖石所能夠發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，其中，尤其以出現(xiàn)在各類界面中的化學(xué)反應(yīng)為主，也被人稱之為常溫水巖體系地球化學(xué)。常溫富水環(huán)境下針對(duì)原生的巖石進(jìn)行改造是表生地球化學(xué)在作用上的基礎(chǔ)問題。表生地球化學(xué)主要指大氣圈和生物圈等等互相作用的情況下的一種地球化學(xué)，該學(xué)科包括風(fēng)化的淋濾作用，以及海水沉積等等，這個(gè)定義具備一定的普遍適應(yīng)性，能夠包括廣義上和狹義上的表生地球化學(xué)研究，表生作用體系所身處的化學(xué)環(huán)境和內(nèi)生地球的作用體系是完全不一樣的。

二、表生地球化學(xué)的研究對(duì)象方法

關(guān)于地球化學(xué)的研究，是跟整個(gè)地球科學(xué)領(lǐng)域一樣在時(shí)刻發(fā)展以及進(jìn)步的，而針對(duì)表生地球化學(xué)的研究也正在從傳統(tǒng)的靜態(tài)定性描述逐漸的轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)化的綜合性系統(tǒng)研究，也就是進(jìn)入到了模式化的研究階段。福蒂斯丘曾經(jīng)提出關(guān)于地球化學(xué)的環(huán)境地球化學(xué)整體論方法，和環(huán)境地球化學(xué)哲學(xué)的四類分級(jí)組織，也就是空間等級(jí)層次和時(shí)間等級(jí)層次等等，對(duì)于全球研究學(xué)者在表生地球化學(xué)上的研究來說具備非常重要的意義，能夠給他們以參考和依據(jù)。不管是站在宏觀還是微觀的角度上，進(jìn)一步深刻研究關(guān)于地質(zhì)演變過程中的內(nèi)在動(dòng)力機(jī)制和外在表現(xiàn)模式，同時(shí)在研究和發(fā)展的過程中不斷地提出相應(yīng)的假設(shè)、猜想以及建立模式，在不斷的論證以及實(shí)踐當(dāng)中去對(duì)其進(jìn)行完善和優(yōu)化，表生地球化學(xué)的相關(guān)研究也是不例外的，在傳承元素化學(xué)科學(xué)傳統(tǒng)研究方式的基礎(chǔ)條件下，需要加強(qiáng)對(duì)地理學(xué)、生態(tài)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的借鑒，在研究過程中不斷地引入系統(tǒng)論以及信息論等較為復(fù)雜和煩瑣的研究理論，綜合高新技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)等等，更加細(xì)化和全面的去展開表生地球化學(xué)的研究。現(xiàn)階段關(guān)于地球表生化學(xué)的研究方式主要分為以下幾類，分別為：勘查地球化學(xué)研究法；分析檢測(cè)以及實(shí)驗(yàn)?zāi)M法；土壤、地理學(xué)、農(nóng)業(yè)等相關(guān)學(xué)科的研究方法；高新技術(shù)研究方法、非常規(guī)研究方法。

三、表生地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫現(xiàn)狀

表生地球化學(xué)數(shù)據(jù)主要是分為兩種。首先是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)大多數(shù)的來源是國際上以及個(gè)別國家的研究機(jī)構(gòu)所獲得的科學(xué)研究成果，這些數(shù)據(jù)具備較為明顯的結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)，通常都是由表格的形式來進(jìn)行體現(xiàn)，同時(shí)始終秉承著方便利用、方便索引、方便引用的原則，數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量比較高，同時(shí)會(huì)被很多的研究學(xué)者進(jìn)行引用，相對(duì)來說，數(shù)據(jù)整體比較成熟，同時(shí)具備一定的權(quán)威性以及公信力。另外一種就是長尾數(shù)據(jù)，長尾數(shù)據(jù)主要指的是分布在海量研究文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫中的半結(jié)構(gòu)化以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，整體的數(shù)據(jù)獨(dú)立性是比較高的，雖然個(gè)別的數(shù)據(jù)庫已經(jīng)針對(duì)發(fā)表完成的文獻(xiàn)研究進(jìn)行了相應(yīng)的收錄以及匯總等等，但是不同類型的文獻(xiàn)在數(shù)據(jù)格式在也存在一定的差異性，需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的資源整合，確保其標(biāo)準(zhǔn)化，這樣才能運(yùn)用到大數(shù)據(jù)的分析以信息資源的發(fā)掘工作中。另外，表生地球化學(xué)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫比較豐富多元化，根據(jù)具體的研究對(duì)象能夠?qū)⑵浞譃楹Ｑ蟮厍蚧瘜W(xué)、環(huán)境地球化學(xué)、考古學(xué)以及全球變化科學(xué)等，在不同的數(shù)據(jù)庫中，在研究目的上也存在不同，基于這些研究目的的多元化數(shù)據(jù)，需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的識(shí)別。

（一）地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫

地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫是馬克思·普朗克研究所進(jìn)行開發(fā)的，并由他們自己進(jìn)行維護(hù)，主要是為了儲(chǔ)存具備價(jià)值和意義的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)試值，例如一些巖石的粉末和礦物質(zhì)以及生物樣品等等。地球化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)數(shù)據(jù)庫截至2020 年的11 月份為止，共計(jì)收錄了11340 篇研究論文，并在數(shù)據(jù)庫中提交了50410 種物質(zhì)分析，還包括一些非常具備價(jià)值的元數(shù)據(jù)，舉例來說，不確定性、測(cè)試實(shí)驗(yàn)室等等，還能夠給相關(guān)的研究學(xué)者提供各種物質(zhì)的信息，以及進(jìn)行整合的重要參考值，對(duì)于表生地球化學(xué)指標(biāo)測(cè)試以及分析工作來說，是一個(gè)非常重要的數(shù)據(jù)參考來源途徑。

（二）地球科學(xué)綜合數(shù)據(jù)庫：以PANGAEA 為例

將PANGAEA 作為主要代表的數(shù)據(jù)庫，在其發(fā)展的過程中，逐漸地從單一性的專題類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了非常大的進(jìn)步。其實(shí)在很多數(shù)據(jù)庫的發(fā)展過程中，通常都是起步較早且實(shí)力較為雄厚的數(shù)據(jù)庫其中包含的數(shù)據(jù)比價(jià)豐富多樣，在運(yùn)轉(zhuǎn)模式以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)上也具備更多的經(jīng)驗(yàn)。

PANGAEA 的信息系統(tǒng)，能夠針對(duì)個(gè)人以及組織進(jìn)行長久的開放，主要目標(biāo)為對(duì)各種研究地球化學(xué)的文獻(xiàn)資料進(jìn)行收錄和整合。只需要遵守該數(shù)據(jù)的要求即可，隨后在順利登陸之后，就能針對(duì)其中的文獻(xiàn)進(jìn)行相應(yīng)的下載。截至2020 年的11 月為止，PANGAEA 已經(jīng)收錄了477 個(gè)關(guān)于地球化學(xué)的研究幾哈，399283 個(gè)數(shù)據(jù)集，測(cè)試數(shù)據(jù)超過了170 億條，包含了地理、生物、古生物、大氣等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的研究專題，同時(shí)PANGAEA 還可以根據(jù)用戶的需求，針對(duì)作者以及測(cè)試項(xiàng)目等進(jìn)行相應(yīng)的篩選。

（三）海洋地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫：以GEOTRACES 為例

關(guān)于海洋科學(xué)的學(xué)術(shù)研究可以說是目前實(shí)現(xiàn)科研全球化的重要體現(xiàn)，GEOTRACES等數(shù)據(jù)庫在長時(shí)間的試驗(yàn)以及檢測(cè)樣品的過程中，使得全球針對(duì)海洋物質(zhì)循環(huán)上的認(rèn)知不斷刷新。GEOTRACES 是一個(gè)專門進(jìn)行海洋生物地球化學(xué)研究的國際性研究計(jì)劃，其研究的主要目標(biāo)是為了了解關(guān)鍵痕量元素和同位素在海洋中的分布狀況以及循環(huán)規(guī)律等，其中的重要參考指標(biāo)包含了Fe、Cu、Cd 等具備營養(yǎng)的化學(xué)元素，還包括各種容易受到人類生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)影響的污染物元素等等，使得全球在海洋生物化學(xué)指標(biāo)上的研究數(shù)據(jù)得到了創(chuàng)新性的突破。共有大概35個(gè)國家參與到了該計(jì)劃的研究中，而該計(jì)劃的研究目的是為了在未來的十年之內(nèi)，將關(guān)于海洋科學(xué)的研究覆蓋到全球的所有大洋盆地中，同時(shí)在大洋內(nèi)循環(huán)、全球變化指標(biāo)以及大洋水汽及水巖界面反應(yīng)及通量這三項(xiàng)研究中，獲得全新的進(jìn)展。

（四）全球變化科學(xué)數(shù)據(jù)庫：以PAGES為例

全球變化科學(xué)主要是對(duì)整個(gè)地球的系統(tǒng)性行為展開相應(yīng)的研究，探索和了解地球這個(gè)龐大的系統(tǒng)在過去、現(xiàn)在和未來是如何變化的，以及變化的控制因素，并由此為后續(xù)的地球系統(tǒng)管理提供更加真實(shí)有效的參考依據(jù)，跟全球人類文明的發(fā)展來說具備非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

PAGES 數(shù)據(jù)庫目前正在逐漸解決全球變化科學(xué)研究數(shù)據(jù)出版系統(tǒng)數(shù)據(jù)量過大同時(shí)大面積引入數(shù)據(jù)帶來的質(zhì)量失控問題，對(duì)于全球變化的研究發(fā)揮出了關(guān)鍵性的作用。該數(shù)據(jù)庫的建立是由瑞士的科學(xué)院以及我國的中科院共同資助的國際性合作項(xiàng)目，建立PAGES 數(shù)據(jù)庫的主要目的是為了在全球變化的學(xué)術(shù)研究上能夠更加地協(xié)調(diào)，同時(shí)促進(jìn)研究進(jìn)展，更加深刻的掌握地球的環(huán)境轉(zhuǎn)變過程，以便于對(duì)環(huán)境和氣候溫度等進(jìn)行科學(xué)合理的預(yù)測(cè)，為全球的可持續(xù)發(fā)展作出更加合理的研究。PAGES 數(shù)據(jù)庫在這些年的發(fā)展過程中，獲得了非常顯著的研究成果，在庫中積累了大量的研究數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源主為發(fā)表的文獻(xiàn)資料以及會(huì)議報(bào)告等等，具備非常高的更新頻率。還包括一些專題工作研究小組，其主要的工作目的就是為了整合以及構(gòu)建大型的地球化學(xué)研究數(shù)據(jù)庫。包括在地球的不同時(shí)期，地球上的氣候溫度、降水狀況、地質(zhì)載體元素以及同位素組成等等。其中，更有SISAL 工作小組在研究過程中逐漸地實(shí)現(xiàn)了洞穴次生碳酸鹽數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)變，將各類分散性的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)逐漸的轉(zhuǎn)變?yōu)榱私Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了地球化學(xué)研究的全新突破。

四、結(jié)語

綜上所述，雖然目前全球性的表生地球化學(xué)學(xué)術(shù)研究在數(shù)據(jù)庫上不缺乏，但是由于該學(xué)科的研究比較復(fù)雜，研究范圍也比較廣泛，在數(shù)據(jù)上比較豐富多元化，橫跨多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，需要站在大數(shù)據(jù)資源的角度上，通過大數(shù)據(jù)來解決各種學(xué)術(shù)研究問題，進(jìn)一步強(qiáng)化數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)表生地球化學(xué)研究的全新進(jìn)展。