科创中国

问题描述

从时间尺度上来看，地球物质（包括岩石和矿物）都是演化的。如何定量刻画地球矿物和岩石在时间尺度上的演化规律并阐明其控制因素是一个重要的难题。

问题背景

人类对地球的演化历史的探索是地球科学发展的基本动力。构成地球基本物质组成的岩石和矿物的演变规律一直没有得到精确刻画，其控制因素也就众说纷纭。随着矿物、岩石等深时大数据的不断积累，随着岩石学、矿物学、沉积学、地层学、古生物学、地球化学、地质年代学、地球观测等学科高质量数据的快速增长，测试分析、数据整合、分析技术的不断突破，计算模拟能力大大增强，高质量深时数据量呈指数级的增长，同时也由于人类对太空、行星地质的认识进一步增强，这使得从全球视野、时间演化历史角度来认识地球物质演化与循环变为了可能。

最新进展

按照矿物的发展历史，可以大致将地球的演化划分成三个主要阶段：首先是地球从太阳系原始星云盘内形成、增生和分异，这个过程中物理作用占主导，外来星体碰撞引起的早期岩浆作用与行星地壳演化共同作用，形成的矿物种数仅有约250种；其次是壳幔相互作用阶段，岩浆作用、变质作用等开始发挥作用，火成岩不断演化、花岗岩和伟晶岩形成，板块构造活动对矿物演化产生了显著的影响，矿物种数发展到约1500种；最后是生物作用阶段，大氧化事件及生物活动不仅使得海洋和大气的成分逐渐变化，局部微环境受改造，同时也提供了生物矿化作用这一新成矿途径；在这个阶段，矿物种数跃至4400种。可见，现今地球矿物呈现出惊人的多样性，是其与地球各圈层在数十亿年内协同演化的结果。 地球上矿物的多样性是由一系列物理、化学以及生物作用导致的，这些过程自地球形成于星际尘埃开始，贯穿了整个地质历史。地球上的矿物多样性受必然因素和随机事件控制。一方面，一些矿物必然随着地球演化而出现，对应着行星演化中基本的地质历程，而另一方面，地球表面矿物的多样性以出现概率极小的事件（种属）大量分布为特征，使得大量稀有矿物源于偶然，对应地球历史中相应的特殊事件。 深时沉积物质的演化与循环忠实地记录了地球的演化过程。地球表层沉积物质的总量、类型、通量、时空分布等直接反映了岩石圈、生物圈、水圈、沉积圈的动态演化过程，是探讨大尺度时空模式下构造、气候、生物、环境及其演化过程的重要参数和基本条件。 前人对地质历史时期沉积物质总量的循环规律主要有两种认识。传统观点认为：由于侵蚀作用的累积，沉积岩总量必然随年龄增长而减少，并且具有指数衰减的趋势。第二种观点认为：大陆尺度下的沉积物总量是由总净沉积物累积速率决定的，并且具有周期性波动的规律。最新的研究表明，沉积物质总量的演化主要受控于超大陆的旋回，侵蚀作用驱使沉积物总量随年龄增长而呈指数衰减；不同岩性的沉积物具有不同的沉积、侵蚀和埋藏条件；不同的沉积环境下，沉积物的沉积、保存以及演化模式也各不相同。因此在研究沉积物质循环问题时，应对不同岩性、不同沉积环境的沉积物进行分别审视。这对我们理解地球历史时期沉积物质的演化提出了进一步挑战。 与沉积物质类似，地球历史时期岩浆岩和变质岩的演化与循环的认识由于缺乏大数据的综合分析而导致其认识模糊不清。日益发展的大数据技术和人工智能技术使得统一整合地球历史时期的地球物质成为了可能。

重大意义

利用大数据平台和地球深时大数据系统的综合分析，可以在矿物、岩石、生物、环境演化历程与行星地质演化的基本历程和特殊事件之间建立联系，从而从地球物质演化的角度来厘清行星地球及其多圈层演化规律和耦合关系，并解答行星地球如何演化、地球宜居性获得、地球各圈层是否存在共演化关系的基本科学问题。一旦这些基本科学问题取得突破，将极大提升人类对过去地球演化（包括生物、环境、气候）的认识，同时也将极大地促进对异常富集的地球物质（矿产和化石能源）的认识，提高资源勘探能力。同时也将直接促进我国地球科学面对大数据和人工智能时代的研究范式的革命，推动我国地球科学的大发展。