煤炭地質(zhì)“三個(gè)地球”的理論技術(shù)探討與展望

趙 平

(中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038)

0 引言

地質(zhì)勘查在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中起著重要作用。黨的十九大提出了“一帶一路”建設(shè)、京津冀協(xié)同發(fā)展和長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展三大戰(zhàn)略、推進(jìn)“雄安新區(qū)建設(shè)”和“粵港澳大灣區(qū)建設(shè)”等，其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)大宗礦產(chǎn)資源潛在需求巨大；以航空裝備、衛(wèi)星及應(yīng)用、軌道交通裝備、海洋工程裝備、智能制造裝備等為主的高端裝備，對(duì)我國的戰(zhàn)略性新興礦產(chǎn)保障提出了更高要求[1]。十九大把生態(tài)文明建設(shè)納入新時(shí)代中國特色社會(huì)主義建設(shè)的“五位一體”總體布局，打造美麗中國，為綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐和全方位服務(wù)，對(duì)于清潔能源和綠色勘探提出了新的要求?；趪鴥?nèi)地勘行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，中國煤炭地質(zhì)總局適時(shí)提出了建設(shè)“透明地球”“數(shù)字地球”和“美麗地球”的理念(簡稱“三個(gè)地球”)，本研究從地球系統(tǒng)科學(xué)、大數(shù)據(jù)和人地關(guān)系等角度來探討“三個(gè)地球”，為“三個(gè)地球”的提供理論和技術(shù)支撐。

1 “三個(gè)地球” 理論和技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 理論技術(shù)亟待完善的“透明地球”

地球是一個(gè)不透明的球體。而法國作家儒勒·凡爾納在他1864年出版的科幻小說《地心游記》中從藝術(shù)的角度給讀者呈現(xiàn)出一個(gè)透明的地下世界。與其不同，崇尚科學(xué)的的地質(zhì)學(xué)家們則致力于在理論和實(shí)踐上將地球透明化。

1.1.1 理論基礎(chǔ)與實(shí)踐成果

①理論成果。國外科學(xué)家如南斯拉夫地震學(xué)家莫霍洛維奇、德國科學(xué)古登堡相繼發(fā)現(xiàn)了地殼與地幔分界面(莫霍面)與地幔與地核分界面(古登堡面)，魏格納提出了大陸漂移說，其后發(fā)展為海底擴(kuò)張說和板塊構(gòu)造說；在國內(nèi)李四光等其他地質(zhì)學(xué)家也提出了地質(zhì)力學(xué)說、多旋回構(gòu)造學(xué)說、地洼說、斷塊構(gòu)造說等，豐富了地質(zhì)理論成果。

②深地探測成果。國內(nèi)外的鉆探計(jì)劃在為“地球透明化”做出不懈努力，前蘇聯(lián)在科拉半島歷時(shí)15a完成了12 262m超深鉆，由我國吉林大學(xué)自主研制的“地殼一號(hào)”也完成了7 018m的鉆探。

1.1.2 技術(shù)方向

盡管如此，但是距離“地球透明化”還有巨大的差距。為此1999年澳大利亞Carr博士第一次提出了“玻璃地球”的概念，其他國家也紛紛做出響應(yīng)。如加拿大的巖石圈探測計(jì)劃、美國的“地球透鏡”計(jì)劃、瑞士與意大利的地殼探測計(jì)劃、德國的大陸反射地震計(jì)劃、俄羅斯的深度地殼探測計(jì)劃、以及中國的深部探測計(jì)劃等[2]。

世界各國的“透明地球”建設(shè)大都以三維地質(zhì)填圖和深部探測計(jì)劃相結(jié)合的方式[3]。

(1)國外。澳大利亞的“玻璃地球”計(jì)劃主要采用新一代探測技術(shù)，提高對(duì)風(fēng)化層及下伏基巖中地質(zhì)過程的認(rèn)識(shí)[4]；加拿大的巖石圈探測計(jì)劃所采用的技術(shù)有地震反射測量、地震折射測量、重力和磁法測量、大地電磁測量、地球化學(xué)等[5]；美國“地球透鏡計(jì)劃”主要采用深部鉆探技術(shù)、反射地震技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、激光應(yīng)變計(jì)、加速度計(jì)和大地測量成像觀測以及干涉雷達(dá)衛(wèi)星技術(shù)。

(2)國內(nèi)。我國的“深部探測計(jì)劃”采用了多種技術(shù)集成的方案，具體包括①地球物理探測技術(shù)：“深地震反射剖面法”“寬角反射與折射地震剖面法”“寬頻帶數(shù)字地震移動(dòng)臺(tái)站法”和“大地電磁測深法”等探測技術(shù)，以及大尺度地幔成像技術(shù)；②地球化學(xué)分析技術(shù)：等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)、等離子體光學(xué)發(fā)射光譜儀(ICP-OES)和X射線熒光光譜儀(XRF)等,配合其他專用分析儀器及技術(shù)而組成的技術(shù)體系[6]；③深部鉆探技術(shù)；④數(shù)據(jù)集成和管理技術(shù)。

利用信息技術(shù)建立透明地球，使地質(zhì)過程可視化，將為地質(zhì)勘探帶來巨大變革。劉樹臣指出，玻璃地球計(jì)劃的基礎(chǔ)是技術(shù)開發(fā) ,關(guān)鍵是技術(shù)的融合 ,核心是信息技術(shù)。吳沖龍也認(rèn)為：“玻璃地球”建設(shè)的核心技術(shù)是信息技術(shù)，其中包括能滿足大數(shù)據(jù)一體化儲(chǔ)存與管理的三維地質(zhì)信息系統(tǒng)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)過程快速、動(dòng)態(tài)、精細(xì)和全息構(gòu)建的三維地質(zhì)建模技術(shù)，能支持地質(zhì)時(shí)空大數(shù)據(jù)分析與挖掘的三維地質(zhì)信息處理技術(shù)等[3-4]。采用可視化的方式進(jìn)行三維建模，能讓地質(zhì)學(xué)家直觀地感知和理解地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)過程，更有助于發(fā)現(xiàn)大型隱伏礦床，也將揭示地質(zhì)災(zāi)害孕育機(jī)理[6-7]。

綜上，國內(nèi)外從地球物理、地球化學(xué)、鉆探、地質(zhì)建模、數(shù)據(jù)管理等不同角度推動(dòng)“透明地球”的研究和應(yīng)用。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)的可視化、數(shù)據(jù)挖掘?qū)⑦M(jìn)一步推進(jìn)“透明地球”建設(shè)。然而，也有專家指出“玻璃地球”概念雖然成為目前的研究重點(diǎn)，但相關(guān)理論與方法仍需不斷探索。

1.2 大數(shù)據(jù)造就新一代“數(shù)字地球”

“數(shù)字地球” 是地球觀測、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)、電磁標(biāo)識(shí)符、虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)格計(jì)算等技術(shù)的集成(數(shù)字地球北京宣言，2009 )，本質(zhì)是建立一個(gè)以空間位置為主線, 將信息組織起來的復(fù)雜系統(tǒng)。從1998年美國副總統(tǒng)戈?duì)柕谝淮翁岢觥皵?shù)字地球”的概念到現(xiàn)在已經(jīng)20a，其后“數(shù)字城市”“數(shù)字社區(qū)”“數(shù)字礦山”“數(shù)字油田”等各種概念不斷涌現(xiàn)。

在數(shù)字地球這樣一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)里，集成了海量的對(duì)地觀測數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)、軌跡數(shù)據(jù)、地球物理、地球化學(xué)、鉆探數(shù)據(jù)，還包括傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)，甚至于包括含有空間信息的文本、視頻、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有海量、多源、多尺度、多時(shí)相、多維、異構(gòu)、非結(jié)構(gòu)化、非平穩(wěn)和非線性等特點(diǎn)。

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等信息技術(shù)的不斷發(fā)展，帶動(dòng)數(shù)字地球的不斷革新。新一代數(shù)字地球是利用海量、多分辨率、多時(shí)相、多類型對(duì)地觀測數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，采用相應(yīng)分析算法和模型構(gòu)建的虛擬地球。2012 年 ，美 國《國 家 科 學(xué) 院 院刊》發(fā) 表 了 由 Goodchild 和 郭 華 東等撰寫的題為《新一代數(shù)字地球》的文章。該文提出了大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)字地球面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，賦予了數(shù)字地球新的理解和詮釋，標(biāo)志著大數(shù)據(jù)開啟了新一代數(shù)字地球的序幕[8]。

1.3 “人類世”和綠色發(fā)展觀催生 “美麗地球”

18世紀(jì)末，瓦特改良了蒸汽機(jī)，人類進(jìn)入了工業(yè)文明時(shí)期，人類對(duì)地球的改造達(dá)到前所未有的強(qiáng)度，全球只有不到1/4的土地未受人類影響，人類改變了森林、河流、土壤和大氣，甚至于人類已經(jīng)成為了影響地質(zhì)發(fā)展的主導(dǎo)因素。人類在地球上留下了不可磨滅的印記，正在地質(zhì)記錄中創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)特的標(biāo)志層，使其成為45億a地質(zhì)發(fā)展史中地質(zhì)記錄的一部分。荷蘭諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者保羅·克魯岑因此在2000年提出“人類世”的概念，他認(rèn)為，由于人類對(duì)全球環(huán)境的巨大影響，地球已經(jīng)告別了全新世，已經(jīng)進(jìn)入“人類世”。

2019年5月，“人類世工作組”宣告地球已進(jìn)入新地質(zhì)時(shí)代——“人類世”，正式確認(rèn)了人類發(fā)展對(duì)地球產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。

20世紀(jì)上半葉，在“凱恩斯主義”影響之下，強(qiáng)調(diào)以經(jīng)濟(jì)增長為中心的西方各國，大肆破壞地球自然環(huán)境、狂熱推進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，不但造成自然能源的浪費(fèi)，還直接導(dǎo)致了日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)問題。

嚴(yán)重的環(huán)境污染事件和生態(tài)危機(jī)，迫使人們反思一味強(qiáng)調(diào)社會(huì)高速發(fā)展的舊發(fā)展觀。1987年，世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)發(fā)布《我們共同的未來》報(bào)告，提出了世界發(fā)展的新思路即可持續(xù)發(fā)展。1992年6月，聯(lián)合國在里約熱內(nèi)盧召開環(huán)境與發(fā)展大會(huì)，提出了人類社會(huì)發(fā)展的新戰(zhàn)略：可持續(xù)的發(fā)展戰(zhàn)略，批判和否定了西方近現(xiàn)代化進(jìn)程中形成的“高生產(chǎn)、高消費(fèi)、高污染”的傳統(tǒng)發(fā)展模式[9]。

同年，中國發(fā)布《中國21世紀(jì)議程》，首次把可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略納入我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的長遠(yuǎn)規(guī)劃。黨的十四屆五中全會(huì)正式把可持續(xù)發(fā)展作為我國的重大發(fā)展戰(zhàn)略提了出來，指出“在現(xiàn)代化建設(shè)中，必須把實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展作為一個(gè)重大戰(zhàn)略。要把控制人口、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境放到重要位置，使人口增長與社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展相適應(yīng)，使經(jīng)濟(jì)建設(shè)與資源、環(huán)境相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)”。[10]

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境的變化，黨的十八屆五中全會(huì)確立了創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享五大發(fā)展新理念。其中，綠色發(fā)展觀是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的新形態(tài)，是對(duì)當(dāng)代中國發(fā)展的理性把握，是人與自然和諧共生的發(fā)展模式。

2 三個(gè)地球建設(shè)理論探討

2.1 三個(gè)地球關(guān)系

16世紀(jì)之前，地理學(xué)發(fā)展比較遲緩，這個(gè)時(shí)期的成果只是對(duì)一些地理現(xiàn)象的描述。航海技術(shù)促進(jìn)了地理大發(fā)現(xiàn)。隨著對(duì)地球的更多的了解，地球科學(xué)逐漸分化出地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)、氣象學(xué)等。20世紀(jì)80年代，化石燃料的無節(jié)制使用向大氣中排放了大量CO2，造成的溫室效應(yīng)改變了陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)。這些全球環(huán)境問題所涉及的已不僅僅是地球的一個(gè)部分或者地球的某一個(gè)圈層。因此美國的NASA提出地球系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)應(yīng)該從地球系統(tǒng)的觀點(diǎn)來研究全球環(huán)境變化，將地球的巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈當(dāng)做一個(gè)有機(jī)的整體。

中國煤炭地質(zhì)總局提出的“透明地球”“數(shù)字地球”和“美麗地球”實(shí)際上正是地球系統(tǒng)科學(xué)研究面臨的三個(gè)問題：地球系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)行規(guī)律問題；地球系統(tǒng)信息化問題；自然系統(tǒng)和人類系統(tǒng)相互作用問題，從社會(huì)學(xué)角度也可以稱之人地關(guān)系問題和可持續(xù)發(fā)展問題?！叭齻€(gè)地球”是辯證統(tǒng)一的，三個(gè)地球之間既有區(qū)別又相互聯(lián)系、相互滲透(圖1)[11]。

從內(nèi)容上，透明地球強(qiáng)調(diào)地球系統(tǒng)的整體性及各子系統(tǒng)之間的相互作用，它研究地球的四大圈層(大氣圈、生物圈、水圈和巖石圈)及其三大過程(物理過程、化學(xué)過程和生物過程)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理和運(yùn)行規(guī)律；數(shù)字地球強(qiáng)調(diào)對(duì)地球系統(tǒng)的觀測、模擬和預(yù)測等；美麗地球則強(qiáng)調(diào)人地關(guān)系和可持續(xù)發(fā)展問題。

從學(xué)科上，透明地球依托地球科學(xué)(地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、大氣科學(xué)、地球化學(xué)、地球物理學(xué)、生態(tài)學(xué))與系統(tǒng)科學(xué)的交叉滲透，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)來研究系統(tǒng)內(nèi)(外)部的物質(zhì)、能量的相互作用；數(shù)字地球依托地球科學(xué)與信息科學(xué)的深度融合，強(qiáng)調(diào)信息論、計(jì)算機(jī)理論和人工智能理論來研究各種與地球相關(guān)的信息觀測、集成、反演和預(yù)測，以實(shí)現(xiàn)地球的數(shù)字化、可視化表達(dá)，以及多尺度、多分辨率動(dòng)態(tài)交互；美麗地球則依托地球科學(xué)與社會(huì)科學(xué)的交叉滲透，強(qiáng)調(diào)利用社會(huì)學(xué)、哲學(xué)、生態(tài)文明理論等來研究人地關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展問題。

從方法論上，透明地球主要依托“地物化遙鉆”等手段獲得地球系統(tǒng)各圈層相互作用的機(jī)理來實(shí)現(xiàn)；數(shù)字地球通過地球空間觀測、表層監(jiān)測和大陸深部探測等，并利用各類系統(tǒng)模型來實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的觀測和模擬；美麗地球則是在理解自然系統(tǒng)和人類活動(dòng)相互作用的機(jī)理的基礎(chǔ)上，在可持續(xù)發(fā)展觀和生態(tài)文明理論的指導(dǎo)下，通過規(guī)范相應(yīng)的人類活動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

圖1 三個(gè)地球關(guān)系Figure 1 Relationship among “transparent earth”, “digital earth” and “beautiful earth”

2.2 透明地球——傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)向地球系統(tǒng)科學(xué)轉(zhuǎn)變

以遙感技術(shù)為代表的空間信息技術(shù)的發(fā)展讓科學(xué)家的視線從地表觀測轉(zhuǎn)向了太空對(duì)地觀測，地球系統(tǒng)科學(xué)由此逐步形成。地球系統(tǒng)是由巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈組成統(tǒng)一整體，它是多圈層相互作用的復(fù)雜巨系統(tǒng)，具有整體性、層次性、開放性、目的性、突變性、穩(wěn)定性、自組織、相似性等特點(diǎn)。地球系統(tǒng)科學(xué)是地球科學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)深度交叉的一門學(xué)科，其主要的理論包括系統(tǒng)論、耗散結(jié)構(gòu)、非線性理論等，所采用方法包括傳統(tǒng)地質(zhì)方法、地球物理、地球化學(xué)、鉆探和遙感等方法(圖2)。

圖2 透明地球理論與技術(shù)體系Figure 2 Theoretical and technological systems of “transparent earth”

透明地球建設(shè)應(yīng)在地球系統(tǒng)科學(xué)的指導(dǎo)下進(jìn)行，著眼于多圈層、多尺度、多學(xué)科集成的研究手段，通過大跨度的學(xué)科交叉，構(gòu)建地球系統(tǒng)演變框架，了解當(dāng)前正在發(fā)生的過程和機(jī)制，揭示全球資源生態(tài)環(huán)境社會(huì)多要素協(xié)同過程與機(jī)理，為我國可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)文明建設(shè)及全球生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)支撐。

2.2.1 多圈層作用和地質(zhì)

地球的板塊運(yùn)動(dòng)生成了不同的地質(zhì)構(gòu)造和巖石，造就了高原丘陵和高山峽谷，產(chǎn)生了迥異的地理、植物分區(qū)，形成了空間分異的土壤，也孕育了不同的地質(zhì)災(zāi)害類型。地球深處的巖漿動(dòng)力過程驅(qū)動(dòng)著淺表的生物地球化學(xué)過程，在淺表部分，又受到人類活動(dòng)的改造，巖石圈-土壤圈-水圈-生物圈形成一個(gè)系統(tǒng)，相互作用，塑造出當(dāng)今的地球。

2019年，中國煤炭地質(zhì)總局提出了“地質(zhì)+”的理念，致力于構(gòu)建大地質(zhì)、大產(chǎn)業(yè)的“地質(zhì)+”新格局，內(nèi)容涵蓋了資源綠色勘查、民生地質(zhì)、礦山地質(zhì)、城市地質(zhì)、農(nóng)業(yè)地質(zhì)、生態(tài)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、海洋地質(zhì)、軍事地質(zhì)、地質(zhì)旅游、地下管廊、國土整治、地理信息、地災(zāi)預(yù)測與治理、生態(tài)環(huán)境建設(shè)等方面(圖3)。

圖3 透明地球與地質(zhì)+Figure 3 “Transparent earth” and “Geology +”

2.2.2 局地-區(qū)域-全球思想

唯物辯證法主張任何事物都不能孤立存在，都與其他事物處于一定的相互聯(lián)系中。地球系統(tǒng)觀認(rèn)為地球各要素是關(guān)聯(lián)的。地理學(xué)第一定律主張“任何事物都是與其他事物相關(guān)的，只不過相近的事物關(guān)聯(lián)更緊密”。

由于技術(shù)限制，傳統(tǒng)的地質(zhì)勘探側(cè)重局地規(guī)律的認(rèn)識(shí)。在實(shí)際勘探中通過露頭、鉆探等方式獲取出露或深部的巖礦情況，然而露頭、巖心等只是復(fù)雜巖礦的“一孔之見”，這種方式通常會(huì)造成“管中窺豹”的結(jié)果。我國推進(jìn)“一帶一路”、京津冀協(xié)同、長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)等重大戰(zhàn)略，為地勘企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重大機(jī)遇，也是地勘理論轉(zhuǎn)型的重大機(jī)遇。地勘企業(yè)發(fā)展需要建立局地-區(qū)域-全球的研究戰(zhàn)略，以地球系統(tǒng)科學(xué)為指導(dǎo)，對(duì)區(qū)域礦產(chǎn)資源、生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害的宏觀格局、形成演化規(guī)律、勘查和治理等開展系統(tǒng)研究，為區(qū)域協(xié)同發(fā)展提供支撐。

2.3 數(shù)字地球——地質(zhì)勘探向人工智能轉(zhuǎn)變

數(shù)字地球是地球科學(xué)與信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)的交叉融合。來源于地球系統(tǒng)的信息流在加工、處理、分析和模擬過程中，信息形態(tài)經(jīng)歷了數(shù)據(jù)-信息-知識(shí)-數(shù)據(jù)的變化，信息屬性也經(jīng)歷了客觀信息-主觀信息-客觀信息的變化，地球空間認(rèn)知在這種信息轉(zhuǎn)變過程中完成[12]。數(shù)字地球的相關(guān)理論是信息科學(xué)理論在地球科學(xué)中的應(yīng)用，包括信息流、自組織、自相似、突變和混沌、相關(guān)性和異質(zhì)性等(圖4)。1998年戈?duì)柍醮翁岢觥皵?shù)字地球”時(shí)，數(shù)字地球技術(shù)主要指空間信息技術(shù)(遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng))、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字地球的內(nèi)涵也在不斷發(fā)生變化。

圖4 數(shù)字地球理論與技術(shù)體系Figure 4 Theoretical and technological systems of “digital earth”

2007年，圖靈獎(jiǎng)得主吉姆·格雷在“科學(xué)方法的革命” 的演講中將科學(xué)研究分為四類范式：分別為經(jīng)驗(yàn)科學(xué)、理論科學(xué)、計(jì)算科學(xué)和數(shù)據(jù)密集型科學(xué)，其中 “數(shù)據(jù)密集型”科學(xué)，現(xiàn)在也被我們稱之為 “大數(shù)據(jù)科學(xué)”。

1956年，在達(dá)特茅斯學(xué)院的一次會(huì)議上首次提出了人工智能的概念，其后人工智能滲透到各個(gè)行業(yè)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展催生了大數(shù)據(jù)概念，大數(shù)據(jù)概念使得人工智能重新成為熱點(diǎn)。機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都可以歸納為人工智能的范疇。

中國煤炭地質(zhì)總局已經(jīng)積累了60多年的煤炭、化工等礦產(chǎn)資源海量數(shù)據(jù)，以及區(qū)域地質(zhì)、遙感、物探、水文地質(zhì)等專業(yè)數(shù)據(jù)。雖然這些數(shù)據(jù)在地質(zhì)填圖、數(shù)據(jù)建模、可視化方面發(fā)揮了作用，但與對(duì)地球系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理解方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。通過利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)為發(fā)展趨勢(shì)的人工智能，是大數(shù)據(jù)時(shí)代地質(zhì)發(fā)展的重要方向。未來地勘行業(yè)要基于大數(shù)據(jù)理念，運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等新一代信息技術(shù)，加快推進(jìn)龐大地質(zhì)數(shù)據(jù)的智能處理和分析、可視化步伐，逐步實(shí)現(xiàn)勘查技術(shù)手段智能化、精細(xì)化、快捷化，加快推進(jìn)由“數(shù)字地質(zhì)”向“智慧地質(zhì)”轉(zhuǎn)變，加快“數(shù)字礦山”、“智慧礦山”研發(fā)建設(shè)步伐；提高資料數(shù)字化率，建立煤炭、化工礦產(chǎn)資源信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)，提高地質(zhì)信息資料綜合利用率和社會(huì)化服務(wù)水平。

2.4 美麗地球——協(xié)調(diào)的人地關(guān)系

在早期地質(zhì)勘探和礦山開采時(shí)，常常以資源為導(dǎo)向，未能充分考慮可持續(xù)發(fā)展和協(xié)調(diào)“人地關(guān)系”，對(duì)人類生存空間造成了不同程度的危害。如日本富士縣1955—1972年的骨痛病事件是由于神通川上游的鉛鋅礦在采礦和冶煉中排放未處理的廢水，導(dǎo)致大量含鎘廢水污染了周圍的耕地和水源。油氣鉆探過程中的井噴會(huì)造成毀滅性的災(zāi)害，殘留在地面上鉆井液中，其含有的化學(xué)藥劑，能夠造成較長時(shí)間的生態(tài)影響。石油開發(fā)和煉制過程中泄露的原油、天然氣、排出含有化學(xué)藥品的污水和廢泥漿等，構(gòu)成了生態(tài)環(huán)境惡化的一個(gè)重要因素[13-15]。

2.4.1 人地關(guān)系的發(fā)展

人地關(guān)系是人類和自然環(huán)境間關(guān)系的簡稱。在漫長的人類歷史中，人地關(guān)系的思想經(jīng)歷了崇拜自然、改造自然、征服自然和人地協(xié)調(diào)的幾個(gè)過程。

在人類社會(huì)的早期，生產(chǎn)力極為低下，人類依靠采摘和狩獵生存，只能被動(dòng)地適應(yīng)自然，這個(gè)階段人類對(duì)自然恐懼和崇拜。

新石器時(shí)期人類文明進(jìn)入了刀耕火種時(shí)代, 產(chǎn)生了原始農(nóng)牧業(yè)。人與自然的關(guān)系由先前的完全依賴轉(zhuǎn)化為順應(yīng)自然規(guī)律進(jìn)而利用自然的階段。其人地關(guān)系思想主要表現(xiàn)為 “環(huán)境決定論”“或然論”[16]。古典時(shí)期地理環(huán)境決定論，如希波克拉底認(rèn)為人類特性產(chǎn)生于氣候,氣候和季節(jié)變換可以影響人類的肉體和心靈；近代地理決定論，如：黑格爾將地理環(huán)境看作是精神的舞臺(tái),是歷史的“主要的而且必要的基礎(chǔ)”,不同的環(huán)境會(huì)有不同的歷史進(jìn)程；美國歷史學(xué)家巴克爾的歷史學(xué)，認(rèn)為地理、氣候條件影響人的生理,生理差異導(dǎo)致人的不同精神和氣質(zhì),從而有不同的歷史進(jìn)程[17]。

18世紀(jì)中葉，人類進(jìn)入了工業(yè)文明時(shí)期，隨著生產(chǎn)工具的革新和生產(chǎn)力的提高，人類利用和改造自然的能力大大增強(qiáng)。此時(shí)人類從順服自然轉(zhuǎn)為征服自然，這個(gè)階段的人地關(guān)系論轉(zhuǎn)變?yōu)?“人定勝天論”和“人類中心論”。

2.4.2 生態(tài)文明思想

“美麗地球”作為專業(yè)概念是新近才出現(xiàn)的。20世紀(jì)中葉，西方發(fā)達(dá)國家相繼發(fā)生一系列環(huán)境事件，促使人們反思人與自然的關(guān)系，警惕工業(yè)化、城市化、現(xiàn)代化過程中地球環(huán)境破壞的危險(xiǎn)。慢慢地，原先多少帶有一些浪漫主義色彩的“美麗地球”審美，開始越來越多滲透進(jìn)環(huán)境評(píng)價(jià)中，“美麗”的藝術(shù)框架里融入環(huán)境保護(hù)的內(nèi)容。

21世紀(jì)初，習(xí)近平總書記在浙江工作時(shí)提出 “兩山理論”，強(qiáng)調(diào)：綠水青山就是金山銀山，科學(xué)處理了環(huán)境與發(fā)展、生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系。2012年，黨的十八首次提出了“美麗中國”執(zhí)政理念。2015年，十八屆五中全會(huì)又把“美麗中國”納入“十三五”規(guī)劃。2019年4月28日，國家主席習(xí)近平在北京出席世界園藝博覽會(huì)開幕式，并發(fā)表題為《共謀綠色生活，共建美麗家園》的重要講話，首次提出了“美麗地球”的理念。

可持續(xù)發(fā)展的要求地勘進(jìn)行轉(zhuǎn)變，構(gòu)建一種和諧的人地關(guān)系。中國煤炭地質(zhì)總局提出在地勘領(lǐng)域開展“美麗地球”建設(shè)，是對(duì)習(xí)近平總書記“美麗地球”理念的貫徹落實(shí)與行業(yè)實(shí)踐。地勘行業(yè)應(yīng)該在可持續(xù)發(fā)展理論、生態(tài)文明理論、人地關(guān)系理論的指導(dǎo)下，開展綠色勘探、環(huán)境監(jiān)測與修復(fù)和災(zāi)害防治，以實(shí)現(xiàn)地勘領(lǐng)域的“美麗地球”(圖5)。

圖5 美麗地球理論與技術(shù)體系Figure 5 Theoretical and technological systems of “beautiful earth”

3 結(jié)論

地勘行業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)的重大關(guān)鍵時(shí)期，中國煤炭地質(zhì)總局提出了建設(shè)“透明地球”“數(shù)字地球”和“美麗地球”的戰(zhàn)略愿景，本文從地球系統(tǒng)科學(xué)、大數(shù)據(jù)時(shí)代、生態(tài)文明等角度探討了“三個(gè)地球”的理論和技術(shù)，明確了“三個(gè)地球”的相互關(guān)系，并探討了“三個(gè)地球”的未來發(fā)展方向。主要的結(jié)論包括：

(1)“三個(gè)地球”是新時(shí)代背景下，地勘行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要戰(zhàn)略；

(2)“三個(gè)地球”在地球系統(tǒng)科學(xué)框架下，相互區(qū)別，相互聯(lián)系；

(3)在地勘領(lǐng)域，傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)應(yīng)該向地球系統(tǒng)科學(xué)轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)地勘應(yīng)該向人工智能轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)地勘應(yīng)該向協(xié)調(diào)的人地關(guān)系轉(zhuǎn)變，共同促進(jìn)地球系統(tǒng)的透明、數(shù)字化和美麗。