淺析表生地球化學數據庫及大數據研究進展

呂允奇 河北省水文工程地質勘查院

對于地球表生化學的研究范圍其實是非常廣泛的，會涉及氣候的演變過程、農業領域、環境科學、地震規律、微生物科學等等。還包括有機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動力學、煤油形成的具體原因等等。站在地質地球化學的研究角度來看，相對狹義的表生地球化學研究在學術的研究范圍上則會縮小很多，其主要的核心研究目標應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。下文將對該方面的研究作出相應的分析和歸納。

一、表生地球化學的研究對象

關于地球表生化學的研究可以說是在地球化學研究中，一類研究歷史較為久遠，同時又比較嶄新的一類學科，該學科的主要研究內容為研究在地表景觀中各種化學元素的實際遷移過程，以及遷移的具體機制。在表生地球化學的研究中，研究的范圍也是十分廣泛的，研究的具體對象為地球上的表生帶。曾有相關的研究學者認為，地下潛水面以上和下方的一小部分都應該歸屬于表生作用的具體范圍，過去幾年，曾有學者認為，表生作用主要可以分為上部和下部兩個地帶，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 米的位置之內都應該歸屬于表生作用的還原改造帶。

一般情況下，表生地球化學的研究主要為研究各種元素在地球表生帶的詳細分布狀況，還包括元素的遷移規律和遷移機制等。表生成礦地球化學是表生地球化學的其中一個研究領域。由于表生地球化學環境相較于內生來說，會更加的復雜且煩瑣，表生地球化學研究是具備非常多學科的，會涉及地理、化學、微生物學以及氣象學等等，重點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，也就是“外生的或者低溫的有水參與到其中的地球化學”涵蓋了處于地球表面的大氣層、生物圈以及海洋等等，以及跟海水進行接觸的各種巖石所能夠發生的化學反應，其中，尤其以出現在各類界面中的化學反應為主，也被人稱之為常溫水巖體系地球化學。常溫富水環境下針對原生的巖石進行改造是表生地球化學在作用上的基礎問題。表生地球化學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，該學科包括風化的淋濾作用，以及海水沉積等等，這個定義具備一定的普遍適應性，能夠包括廣義上和狹義上的表生地球化學研究，表生作用體系所身處的化學環境和內生地球的作用體系是完全不一樣的。

二、表生地球化學的研究對象方法

關于地球化學的研究，是跟整個地球科學領域一樣在時刻發展以及進步的，而針對表生地球化學的研究也正在從傳統的靜態定性描述逐漸的轉變為動態化的綜合性系統研究，也就是進入到了模式化的研究階段。福蒂斯丘曾經提出關于地球化學的環境地球化學整體論方法，和環境地球化學哲學的四類分級組織，也就是空間等級層次和時間等級層次等等，對于全球研究學者在表生地球化學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。不管是站在宏觀還是微觀的角度上，進一步深刻研究關于地質演變過程中的內在動力機制和外在表現模式，同時在研究和發展的過程中不斷地提出相應的假設、猜想以及建立模式，在不斷的論證以及實踐當中去對其進行完善和優化，表生地球化學的相關研究也是不例外的，在傳承元素化學科學傳統研究方式的基礎條件下，需要加強對地理學、生態學等相關學科的借鑒，在研究過程中不斷地引入系統論以及信息論等較為復雜和煩瑣的研究理論，綜合高新技術以及大數據技術等等，更加細化和全面的去展開表生地球化學的研究。現階段關于地球表生化學的研究方式主要分為以下幾類，分別為：勘查地球化學研究法；分析檢測以及實驗模擬法；土壤、地理學、農業等相關學科的研究方法；高新技術研究方法、非常規研究方法。

三、表生地球化學數據庫現狀

表生地球化學數據主要是分為兩種。首先是結構化數據，這些結構化數據大多數的來源是國際上以及個別國家的研究機構所獲得的科學研究成果，這些數據具備較為明顯的結構化特點，通常都是由表格的形式來進行體現，同時始終秉承著方便利用、方便索引、方便引用的原則，數據的整體質量比較高，同時會被很多的研究學者進行引用，相對來說，數據整體比較成熟，同時具備一定的權威性以及公信力。另外一種就是長尾數據，長尾數據主要指的是分布在海量研究文獻數據庫中的半結構化以及非結構化數據，整體的數據獨立性是比較高的，雖然個別的數據庫已經針對發表完成的文獻研究進行了相應的收錄以及匯總等等，但是不同類型的文獻在數據格式在也存在一定的差異性，需要對其進行進一步的資源整合，確保其標準化，這樣才能運用到大數據的分析以信息資源的發掘工作中。另外，表生地球化學的文獻數據庫比較豐富多元化，根據具體的研究對象能夠將其分為海洋地球化學、環境地球化學、考古學以及全球變化科學等，在不同的數據庫中，在研究目的上也存在不同，基于這些研究目的的多元化數據，需要對其進行進一步的識別。

（一）地球化學標準物質數據庫

地球化學標準物質數據庫是馬克思·普朗克研究所進行開發的，并由他們自己進行維護，主要是為了儲存具備價值和意義的標準物質測試值，例如一些巖石的粉末和礦物質以及生物樣品等等。地球化學標準物質數據庫截至2020 年的11 月份為止，共計收錄了11340 篇研究論文，并在數據庫中提交了50410 種物質分析，還包括一些非常具備價值的元數據，舉例來說，不確定性、測試實驗室等等，還能夠給相關的研究學者提供各種物質的信息，以及進行整合的重要參考值，對于表生地球化學指標測試以及分析工作來說，是一個非常重要的數據參考來源途徑。

（二）地球科學綜合數據庫：以PANGAEA 為例

將PANGAEA 作為主要代表的數據庫，在其發展的過程中，逐漸地從單一性的專題類數據庫進行轉變，實現了非常大的進步。其實在很多數據庫的發展過程中，通常都是起步較早且實力較為雄厚的數據庫其中包含的數據比價豐富多樣，在運轉模式以及數據標準化建設上也具備更多的經驗。

PANGAEA 的信息系統，能夠針對個人以及組織進行長久的開放，主要目標為對各種研究地球化學的文獻資料進行收錄和整合。只需要遵守該數據的要求即可，隨后在順利登陸之后，就能針對其中的文獻進行相應的下載。截至2020 年的11 月為止，PANGAEA 已經收錄了477 個關于地球化學的研究幾哈，399283 個數據集，測試數據超過了170 億條，包含了地理、生物、古生物、大氣等多個學科領域的研究專題，同時PANGAEA 還可以根據用戶的需求，針對作者以及測試項目等進行相應的篩選。

（三）海洋地球化學數據庫：以GEOTRACES 為例

關于海洋科學的學術研究可以說是目前實現科研全球化的重要體現，GEOTRACES等數據庫在長時間的試驗以及檢測樣品的過程中，使得全球針對海洋物質循環上的認知不斷刷新。GEOTRACES 是一個專門進行海洋生物地球化學研究的國際性研究計劃，其研究的主要目標是為了了解關鍵痕量元素和同位素在海洋中的分布狀況以及循環規律等，其中的重要參考指標包含了Fe、Cu、Cd 等具備營養的化學元素，還包括各種容易受到人類生產經營活動影響的污染物元素等等，使得全球在海洋生物化學指標上的研究數據得到了創新性的突破。共有大概35個國家參與到了該計劃的研究中，而該計劃的研究目的是為了在未來的十年之內，將關于海洋科學的研究覆蓋到全球的所有大洋盆地中，同時在大洋內循環、全球變化指標以及大洋水汽及水巖界面反應及通量這三項研究中，獲得全新的進展。

（四）全球變化科學數據庫：以PAGES為例

全球變化科學主要是對整個地球的系統性行為展開相應的研究，探索和了解地球這個龐大的系統在過去、現在和未來是如何變化的，以及變化的控制因素，并由此為后續的地球系統管理提供更加真實有效的參考依據，跟全球人類文明的發展來說具備非常重要的現實意義。

PAGES 數據庫目前正在逐漸解決全球變化科學研究數據出版系統數據量過大同時大面積引入數據帶來的質量失控問題，對于全球變化的研究發揮出了關鍵性的作用。該數據庫的建立是由瑞士的科學院以及我國的中科院共同資助的國際性合作項目，建立PAGES 數據庫的主要目的是為了在全球變化的學術研究上能夠更加地協調，同時促進研究進展，更加深刻的掌握地球的環境轉變過程，以便于對環境和氣候溫度等進行科學合理的預測，為全球的可持續發展作出更加合理的研究。PAGES 數據庫在這些年的發展過程中，獲得了非常顯著的研究成果，在庫中積累了大量的研究數據，數據來源主為發表的文獻資料以及會議報告等等，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建大型的地球化學研究數據庫。包括在地球的不同時期，地球上的氣候溫度、降水狀況、地質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現了洞穴次生碳酸鹽數據庫的轉變，將各類分散性的非結構化數據逐漸的轉變為了結構化數據，實現了地球化學研究的全新突破。

四、結語

綜上所述，雖然目前全球性的表生地球化學學術研究在數據庫上不缺乏，但是由于該學科的研究比較復雜，研究范圍也比較廣泛，在數據上比較豐富多元化，橫跨多個學科領域，需要站在大數據資源的角度上，通過大數據來解決各種學術研究問題，進一步強化數據庫的標準化，實現表生地球化學研究的全新進展。