2019年11月15日 星期五
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大變局催生地質工作新范式

——新一輪技術革命與第四次工業革命對地質工作的影響前瞻

2019-8-2 9:24:21 來源:中國礦業報 作者:楊建鋒 王堯 余韻

當前,世界正在經歷新一輪技術革命與工業革命。這將深刻影響地質工作的方方面面,推動地質工作發生前所未有的變革。地質工作如何主動服務和支撐經濟高質量發展與新技術、新產業快速發展,同時在地質科技領域實現全球引領,需要深入思考。

歷次工業革命及其所需的關鍵資源變化

新一輪技術革命和產業變革加速發展

越來越多的跡象表明,世界正在進入技術顛覆性變革新階段。發展過程呈現“一核多翼”的演進格局。“一核”是指以信息技術深度與全面應用為核心,“多翼”包括新能源技術、新材料技術、生物技術、航天技術等不同領域。世界各國紛紛出臺相關戰略推進新技術產業化,驅動第四次工業革命席卷全球。

一是以數字化、網絡化、智能化為核心的信息技術變革引領新一輪科技革命。信息技術深度與全面應用,將成為產業體系發展的核心基礎設施,從根本上改變人類-社會-經濟系統的聯通方式。

二是清潔、無污染、可再生新能源與儲能技術被納入越來越多國家的能源戰略。清潔低碳能源技術可能將改變目前的全球能源供需格局。從前景來看,天然氣水合物、地熱、太陽能、潮汐能、核聚變等非常規能源潛力巨大,一旦技術獲得突破,將比頁巖氣帶來的能源改變更加巨大。此外,儲能技術在能源革命中具有非常重要的作用,近年來氫能技術日益得到重視。

三是新材料與增材制造技術成為各國搶占國際競爭制高點的重要領域。世界各國積極搶占材料領域的國際競爭制高點。新材料與信息、能源、生物等高技術不斷融合,推動了新能源汽車、生物、新能源、高端裝備制造、節能環保等戰略性新興產業的快速發展。

第四次工業革命將推動地質工作發生深刻變革

產業發展所需資源的演變,將深刻影響未來的地質工作。每一次工業革命,由不同的主導技術群驅動,發展興起一批新興產業,帶動不同的資源需求快速增長,同時也導致了不同的環境問題。

前三次工業革命的發生與推進均對地質工作產生了深遠的影響:第一次工業革命,推動地質工作由自由探索轉向服務產業發展;第二次工業革命,推動地質工作進入以服務找礦開礦為重點的階段;第三次工業革命,推動地質工作向環境領域拓展。

目前,人類社會正在經歷第四次工業革命。在它的推動下,大數據、新能源、新材料、生態服務將成為產業發展所需的重要資源。這將加快推進地質工作大變革、大調整和大轉型步伐。

1. 基于大數據的科學研究第四范式將成為地質工作的重要方式。

目前,我國已經形成了巨量的與地質工作相關的數據。這些數據包括:以往地質工作形成的地質數據;各種觀測監測探測網形成的資源環境動態數據;地理、氣象、水利、環境等部門形成的地學與資源環境數據;與人類活動相關的社會經濟數據等。

地質礦產大數據系統 圖片來自網絡

數字化、網絡化、智能化技術的發展與應用,將這些數據有機地匯聚在一起,形成了巨大的“大數據礦山”。這座“山”中,可能隱藏著大量對經濟社會發展有價值的資源,需要地質工作去“勘查和開發”,形成有價值的“信息礦產”,去服務支撐國家重大資源、環境與生態問題的解決。

從發達國家來看,大數據分析研究已經成為地質工作的主體內容。例如,美國地質調查局(USGS)的野外區域調查在其全部工作中所占比例很小,主要工作是基于已有的調查數據、監測數據開展大數據分析研究,構建地球監測分析與預測框架(EarthMAP);英國地質調查局(BGS)將主體工作從調查、監測轉移到了定量建模、預測和預報,基于大數據分析研究構建環境模擬平臺(EMP)。美、英地質調查工作的發展趨勢表明:地質工作將從以野外區域調查為主轉向以大數據綜合分析研究為主。

隨著我國生態文明體制改革的深入,國土空間規劃、自然資源綜合管理、生態環境管理等對大數據分析研究提出了急迫的需求。無論是國土空間規劃、自然資源綜合管理,還是流域、區域生態環境管理,都需要對自然單元內所有的地學要素、資源要素、環境要素、經濟要素等進行綜合分析和統籌考慮。例如,資源環境承載能力評價,既需要對水、土、礦等自然資源進行評價,也需要對大氣環境、水環境、地質環境等自然環境進行評價,還需要對資源開發活動、工程建設活動、人口與物質財富分布等經濟活動進行評價。從知識層面來看,資源環境承載能力評價已經超出了目前各學科科學家的知識能力范圍,對現有的評價方法形成了巨大的挑戰。

筆者認為,大數據分析研究將成為我國地質工作的一項重要內容。地質工作方式將會發生很大變化。以密集數據為基礎的科學研究第四范式將成為地質工作的重要方式。

2. 新能源將成為地質工作勘查開發的重要能源資源

天然氣水合物、頁巖氣、深部地熱和干熱巖等新能源的勘查開發,都依賴于對其所賦存地質條件的深入了解。以干熱巖開發為例,美國早期在新墨西哥州的Fenton Hill開展的干熱巖勘查開發研究表明,干熱巖自然斷裂分布與應力場分布調查填圖至關重要,低壓激發、水力剪切、高壓水力壓裂對儲層建造與水力連通性的影響關系到干熱巖資源的開采,張扭性地質環境比壓性地質環境更易于儲層建造等。這充分說明,對于非常規能源勘查開發,地質工作至關重要,地質條件了解的清楚與否,直接關系到后續非常規能源的開發效果。

新能源的開發可能會誘發新的環境問題,需要地質工作予以重視并提出相應的解決方案。例如,頁巖氣、干熱巖開發均需要采用水力壓裂技術,而水力壓裂技術可能會誘發具有破壞性的地震和深部地層污染問題。2017年11月,韓國慶尚北道浦項市北部發生5.4級地震,是韓國有記錄以來震級排名第二的地震,直接經濟損失546億韓元。韓國政府組建了海外調查委員會和國內調查委員會,對浦項地震進行了調查。2019年3月,兩個調查委員會發布調查報告認為,浦項地熱發電所向地熱井注入高壓水的作業觸發了浦項地震。韓國產業通商資源部據此宣布將永久停止浦項地熱發電所項目運作。

我國地處歐亞板塊的東南部,位于太平洋板塊、歐亞板塊、菲律賓海板塊的交匯處,構造活動與地震活動活躍,地質環境具有先天的脆弱性。地質工作在大力開展頁巖氣、干熱巖等新能源勘查開發研究的同時,需要加強新能源開發誘發環境問題的調查研究,提出相應的解決方案,保障新能源產業的健康發展。

3.新材料、新產業發展所需礦產將成為地質工作勘查開發的重要資源

基于信息技術應用形成的大數據礦山

新材料、新產業發展可能促使經濟社會對礦產資源的需求發生結構性變化,戰略性新興礦產需求將不斷增長。戰略性新興礦產對新材料、新能源、信息技術、航空航天、國防軍工等新興產業具有不可替代的重大用途,美國、歐盟、澳大利亞、日本、英國等發達國家先后制定了關鍵礦產發展戰略,提高關鍵礦產安全和可靠供應程度。地質工作在重視傳統大宗礦產找礦工作的同時,需要對戰略性新興礦產給予更多關注。

戰略性新興礦產的規模化開發利用,可能會誘發新型污染與環境風險,需要地質工作加強評估。例如,應用納米技術所制造的新材料,其物理與化學特性與傳統的制造材料具有很大的不同,納米材料可能會隨著產品的應用與廢棄進入到土壤和水體中造成污染,從而威脅土壤與水資源質量安全。應對新的污染風險與環境風險,地質工作需要超前予以調查研究。

4.生態服務與生態資源需求增長將為地質工作開辟新的空間

自然環境為經濟社會發展提供了兩類資源:一類為有形的自然資源,包括土地、礦產和水等;一類為無形的生態服務,包括涵養水源、保持水土、調控水分、減輕自然災害等。前三次工業革命推動了有形的自然資源的開發利用,而忽視了無形的生態服務的保護,造成了嚴重的生態退化和環境污染問題。第四次工業革命推動綠色化、生態化成為產業發展的革命性方式,從而使生態服務、生態資源上升成為經濟社會可持續發展的重要資源。

為了定量評價自然資源與生態服務對經濟社會的獨特價值,學術界提出了“自然資本”的理念。自然資本研究從理念走向管理實踐還面臨著多個亟待解決的難題:如何定量表征自然資本的生態服務功能?如何權衡自然資本的多種服務功能,協調區域經濟發展與自然資本保護的關系?如何將自然資本定量評估與自然資本管理政策結合起來,保障生態服務的持續供給?可以確定的是,自然資本理念為地質工作樹立了前進的目標:增加或保持自然資本存量的穩定。□

(作者單位:自然資源部中國地質調查局發展研究中心。文章略有刪節)

網站編輯:宮莉

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