导读：本文为中国海洋大学教授李三忠等人所写论文，发布在《地学前缘》刊物上。该文提出“通过数字孪生技术,实现真实地球与虚拟地球的融合,构建一个真实地球与数字地球的虚实共同体,即‘元地球’。”
美国副总统戈尔于1998年1月发表了题为“数字地球:认识21世纪我们所居住的星球”演说[1],提出了一个涵盖地理信息系统(GIS)、网络(Internet)、虚拟现实(VR)等当时高新技术的全新概念:数字地球(Digital Earth)(图1)。1999年,首届“数字地球国际会议”在北京召开,来自20多个国家的500多位代表共同发表了《“数字地球”北京宣言》。同年,谷歌地球(Google Earth)借助美国在卫星遥感对地观测和全球卫星定位导航等领域的先发优势,成为发起最早和目前最为成熟的数字地球产品,但其主要是针对现今地球开展数字化描述。20年后的2018年,历史有点惊人相似,再次由中国科学家倡议、13个国际组织与机构共同发起了国际大科学计划——“深时数字地球”(Deep-time Digital Earth,DDE),DDE致力于搭建全球地球科学家与数据科学家合作交流的国际平台,推动地球科学在大数据时代的创新发展。在DDE计划的框架下,基于全球地质大数据与更加高效的超算方法,重建完整的地球生命演化历史有望得以实现。随后,2019年中国国家自然科学基金委资助发展“深时数字地球(DDE)”,这里,深时(deep time)是指岩石记录的地球历史时期,不同于沉积物记录的地史时期,故常指第四纪(200万年)之前的地史时期。“深时数字地球(DDE)”就是针对过去或前第四纪地球的数字化再现,得到国际学术界广泛响应。可见,谷歌地球是针对现今地球的,而深时数字地球是针对过去地球的,且两者最初都没有对“未来地球”做出规划。
图1 地球新理念和数字孪生的发展历程
2018年青岛海洋科学与技术试点国家实验室推动“透明海洋”工程计划,以通过现代海洋观测与探测技术,再结合移动平台、物联网、区块链、人工智能和大数据技术,预测未来特定时间内海洋环境变化,实现海洋的状态透明、过程透明、变化透明。目前,随着“透明海洋”计划的实施,再得益于实时立体观测、高分辨率与超高分辨率数值模拟以及大数据、人工智能技术的综合发展,使得构建“海洋数字孪生”成为可能。海洋数字孪生,就是在“透明海洋”的基础上,构建虚拟的数字海洋系统,将历史以及实时观测数据和人类认识完全整合在这个系统中,形成具有实时模拟、推演分析地球前世今生的系统。通过海洋数字孪生系统,将实现海洋环境的精细化监测、预测,以及海洋精准化开发、使用和治理,全面提升人类认识海洋与经略海洋的能力。
与青岛海洋科学与技术试点国家实验室拟构建的“海洋数字孪生”不谋而合,欧洲航天局2020年也宣布了“目标地球(Destination Earth)”计划,计划2021—2030年期间在虚拟空间中构建现实地球的数字分身,即“数字孪生(Digital Twin)”的虚拟地球,以期更好地了解行星地球的过去、现在与未来,在过去地球与现今地球基础上,增加了对“未来地球”的数字化预测。该计划还将利用人工智能、量子计算、大数据分析预测等领先技术,不断输入现实世界的数据,创建一个覆盖海洋、陆地、大气、生物等广泛对象的高精度数字地球模型——孪生地球。这个模型尽可能真实地代表地球表面几乎所有的过程,包括人类对水、食物和能源管理的影响等等,从而用于预测由气候变化引起的极端天气事件、帮助人类“监测地球的健康状况”并模拟人类行为对环境的影响、为能源环境政策制定与实施提供支持、为各行各业提供地球级公共服务等。
为顺应这场数字孪生带来的地球系统科学数字革命和范式变革,助力国家“海洋数字孪生”计划,打破和超越欧盟数字孪生地球仅关注“地表”过去、现在与未来过程的局限,本文拟以海底深时地貌重建为突破口,新增地球“深部”过去、现在与未来过程的表达,通过攻克海底内外多圈层耦合的数字孪生技术瓶颈,开展4D海底的虚拟透视表达、微板块与海底古地貌重建、海底能源资源模型、深时海底环境模型、海底灾害模型与智能感知的研究,构建覆盖固体与流体多圈层耦合的、深部与浅部协同的、具有“海洋强国”特色的“海底透视”系统,以数字化再现真实海底的微板块-动力地貌-环境-资源-灾害之间时空演化规律,实现研究范式和生产范式的双重变革,推动中国信息时代的新基建,加速中国的海洋系统科学研究进入世界领先行列,并为国家海洋安全、资源开发、海洋健康、生态保护、气候变化应对等提供精准预测与虚拟推演服务。
数字地球实际始于1993年2月美国总统克林顿签署的国家信息基础设施(NII),即信息高速公路和国家空间数据基础设施(NSDI)计划的自然延伸[1]。进入21世纪,数字地球的研究如火如荼地展开,成为了各个国家发展的重大战略,促进了全社会对数字地球的认知,最为直观的解释就是将地球搬进实验室里、放在计算机中,数字地球就是世界上最大的地球图书馆。迄今,数字地球涉及地球系统科学、信息科学、数据科学、人工智能等多学科领域,不再是停留于设想的一种理念或一个非科学术语,而是一个涵盖了地理信息系统、多波段遥感技术、全球定位系统、卫星通讯技术、全球互联网技术、虚拟现实技术等在内的信息集成系统工程和一门包罗性较强的地球信息科学。数字地球的应用也极其广泛,成为各国、各行业激烈竞争的新领域,如数字城市、数字流域、数字小区、数字油田、数字政府、电子商务等应运而生,但总体上,这些应用多数还处于地球表层信息模型,有必要加速发展固体地球深部模型。
“玻璃地球”就是针对固体地球圈层的新工程,是一项基础性的地质信息系统工程,可被看作一种存储在计算机网络上的三维可视化虚拟地壳。它提供地质、地理信息,可供开展地质、资源和环境决策分析。“玻璃地球”(Glass Earth)的概念最初是1999年由澳大利亚地质学家Carr 等[2]提出的,这个概念一经提出,便迅速得到欧美各发达国家的政府、地质调查机构和地质学家们的响应。虽然当时做不到让整个地球透明,最初重点是从矿产勘探角度提出使地表以下3 000 m变得透明[3],便于寻找第二空间的矿床。2014年4月24日,《中国科学报》发表了一篇题为《大数据时代的“玻璃地球”》的文章,这非常符合中国2008年开始实施的“深地”探测(当时叫深部探测)工程,这个工程就是要解决“玻璃地球”构建的关键探测技术难点与核心技术的集成,形成对固体地球圈层立体探测的技术体系,并在不同自然景观、复杂矿集区、含油气盆地深层、重大地质灾害区等关键地带,对这些高新技术进行实验、示范,形成若干深部探测实验基地,推动“玻璃地球”发展。
如今,“玻璃地球”的含义虽然还比较模糊,但其目标是利用地质信息技术建立一个水平分区或连片的、多尺度的、数字化的、透明的地壳浅层模型,其中凝聚了所能采集的全部地质空间信息和属性信息。因此,“玻璃地球”就是一个三维可视化虚拟浅层地壳,是地质信息和地理信息相结合并存储于计算机网络上的、多用户访问和决策分析的三维可视化数字平台,是一个地下-地上、地质-地理、空间-属性数据一体化存储、管理、处理和应用的地质信息系统。
无论是数字地球,还是玻璃地球,从目标到研究手段具有很大的一致性,实际都是“虚拟地球”的一部分。“虚拟地球”这个概念实际在数字地球提出之初就被提出了,其核心思想是:用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题,最大限度地利用资源,并使普通百姓能够通过一定方式便捷地获得想了解的有关地球的信息,其特点是嵌入海量地理数据,实现对三维地球的高分辨率描述。可见,“虚拟地球”与数字地球或玻璃地球不同之处在于:社会活动信息也被数字化,嵌入了“虚拟地球”。
数字地球提出10年后的2008年11月,IBM提出“智慧地球”概念。美国奥巴马总统于2009年1月公开肯定了IBM“智慧地球”思路,随后,IBM于2009年8月又发布了《智慧地球赢在中国》计划书,正式揭开 IBM“智慧地球”中国战略的序幕。“智慧地球”包括三个要素,即“3I”:物联化(Instrumentation)、互联化(Interconnectedness)、智能化(Intelligence)。“智慧地球”应当说是数字地球的一场变革。在“智慧地球”中,真实地球与虚拟地球开始建立起一些关联,这已经从设计理念上具有了数字孪生的构架。
“智慧地球”的概念又发展10年,直到2018年“深时数字地球”被提出。“深时数字地球”将三维空间的数字地球,拓展到了四维时空的数字地球,但其与真实地球之间的“互动”仍然非常有限,可见,“深时数字地球”还具有发展空间,应吸收“智慧地球”的精髓,才会更超越。
2021年初,“元宇宙(metaverse)”成为网络热词[4],其内涵已经超越了1992年Avalanche所承认的“元宇宙”:它吸收了信息革命(5G/6G)、互联网革命(Web3.0)、人工智能革命、VR、AR、MR等成果,特别是游戏引擎中的虚拟现实技术革命,显示了构建一个与传统物理世界平行的全息数字世界的可能性;它将极大地促进地球科学、空间科学、信息科学、量子科学、数据科学和生命科学的学科交叉,改变科学范式,实现技术变革;它还将促进传统哲学、社会学乃至人文学科体系的突破;包括所有数字技术,如物联网、区块链等技术成果;所以,它将进一步丰富数字经济模式,其实质依然是“智慧地球”的延伸。迄今,以metaverse为关键词,在Elsevier数据库搜索,截至2022年5月,也仅有200多篇科学论文,其中最早的相关论文始于2020年,但论文数量正以倍数快速增长。元宇宙本质上是对现实世界的虚拟化、数字化过程,其发展是循序渐进的,是在共享的基础设施、标准及协议的支撑下,由众多工具、平台不断融合、进化而最终成型,所以元宇宙具有三大特征:与现实世界平行、反作用于现实世界、多种高新技术融合。
可能在“元宇宙”的启发下,2021年9月“元地球”一词,首次被元地球(北京)科技有限公司注册,但该公司只是一个软件技术公司,其“元地球”只是一个公司名称,不具有科学内涵。实际上,从地球科学角度,我们率先提出“元地球”作为一个科学概念的时间,与2021年4月“元宇宙”概念开始大范围流行时间大体同步,这始于当时正论证的青岛海洋科学与技术试点国家实验室的海洋数字孪生项目。随后,2022年5月5日又出现一个叫“元地球”的软件,“Earth元地球”App是一款功能强大的3D卫星地图软件,大体与同等功能的谷歌地球相当,由北斗航空公司开发,可以满足各行业对地理测量和地形3D查看的需求。这个“元地球”软件命名更是晚于我们提出的“元地球”科学概念,如2022年3月18日应中国海洋大学研究生院邀请,本文第一作者还专门做了题为“元地球与深时地球系统”的学术解读。
“元地球”科学上要做的,就是超越上述数字地球、玻璃地球、智慧地球、目标地球等各种地球的理念,坚持面向世界科技前沿,坚持面向国家重大需求,要建立一个数字孪生地球,它既不同于“虚拟地球”,也有别于“现实地球”,它不只是现今地球的数字化,而是现实地球的前世今生,不仅是地球表层的数字分身,也是地球深部的数字刻画,是地球的虚实共生体。因此,“虚拟地球”与“现实地球”之间的数字孪生构建,是重组全球地球要素资源、重塑全球深时地貌、实现地球系统模拟全球实验、开展数字预测及精准勘探的关键,推动新基建、新产业、新范式的发展。例如,基于数字的知识经济快速发展,使得强烈依赖于自然资源的传统产业经济在效益上彻底释放,竞争优势凸显。
在当今科学技术背景下,地球系统科学的最高目标:不只是为了理解三大整体涌现性,也不是简单地构建一个孪生地球,而是超越它!去构建“元地球”,元地球不只是真实地球表层的一个数字分身,而是真实地球前世今生、深浅耦合的虚实共生体。因此,元地球计划(Meta-Earth)的终极目标就是超越孪生地球。
为了充分展示元地球的魅力,这里以深时“古地貌”重建为例,来阐明“元地球”需要开展哪些开创性的前沿科学与技术探索。在元地球理念指引下,古地貌重建与传统重建方式方法不同,既基于又超越传统古地貌恢复方法,特别需要关注以下突破:
(1)如何构建微板块过程与海底古地貌演变关联?微板块聚散过程就是海陆格局变迁历史。利用GPlates[5]开展海陆格局重建,利用CitsomS[6]和Badlands[7]开展深部地幔对流与浅表地貌演变的定量分析,分别建立起水平海陆耦合和垂向隆拗关联。
(2)如何动态恢复海底古地貌?古地貌贡献可包括地幔对流的动力地形贡献、岩石圈形变的地貌贡献和地表流体系统修饰的地貌贡献三大组成部分,因此,需要通过物理和数值模拟,探索从地幔到地表的塑性流变-弹性-脆性形变耦合模式和跨圈层或多圈层耦合机制。
(3)如何协同海底古地貌的内外地球动力机制?关键在协调不同时间尺度的流体圈层与固体圈层和小尺度空间的动力过程与大尺度空间的动力机制,从机制上完美吻合反射地震等各种方式、钻井等各种平台获得的盆地地质资料和地质事实。
(4)如何探索海底古地貌的资源-环境-生态效应?聚焦洋陆过渡带的源汇过程、板块循环、岩石循环(成岩作用、岩浆活动、变质作用)、成矿元素循环、水循环、碳循环等,将物质、能量的传递与大规模构造变形相联系,预测资源分布,例如探索深时“沉积过程”与“自然选择”协同驱动的微生物演替机制,发掘多变气候系统下地球生命的繁盛与衰落。
构建“元地球”的技术始于20世纪70—90年代的遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)、地球定位系统(GPS)的发展;如今,“元地球”的发展离不开基于数字孪生的地球观测、探测、模拟、分析技术体系。
数字孪生思想最早始于1992年人工智能专家,耶鲁大学的哥伦特(Gelernter)出版了Mirror World一书。10年后,密歇根大学的格里夫斯(Michael Grieves)于2002年提出“信息镜像模型”(Information Mirroring Model),这一思想逐渐清晰,但直到2011年他与合作者才提出这个新名词“数字孪生(Digital Twin)”。实际上,数字孪生的工程应用比数字孪生的思想要早,始于1970年NASA的阿波罗13号救援计划[8]。数字孪生是基于模型定义(MBD)的基础上,企业实施基于模型的系统工程(MBSE)过程中产生了大量的物理的、数学的模型,这些模型为数字孪生的发展奠定了基础[8]。2012年NASA 给出了数字孪生的概念描述:指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据,集成多学科、多尺度的仿真过程,作为虚拟空间中对实体产品的镜像,反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。
数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念,可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。所以,数字孪生也被称为数字双胞胎和数字化映射。
数字孪生,有时候也用来指代在一个工程建造之前,就完成其数字化模型。从而在虚拟的赛博(信息)空间中对工程进行仿真和模拟,并将真实参数传给实际的工程建设。而工程建成之后,在日常的运维中二者继续进行信息交互。美国国防部最早提出利用数字孪生技术,用于航空航天飞行器的健康维护与保障。首先在数字空间建立真实飞机的模型,并通过传感器实现与飞机真实状态完全同步,这样每次飞行后,根据结构现有情况和过往载荷,及时分析评估是否需要维修,能否承受下次的任务载荷等。
2011年Michael Grieves 教授在《几乎完美:通过PLM驱动创新和精益产品》文章中给出了数字孪生的3个组成部分:物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品、物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。因此,数字孪生不是构型管理的工具,不是制成品的3D尺寸模型,不是制成品的基于模型定义。数字孪生最为重要的启发性在于:它实现了现实物理系统向赛博空间数字化模型的反馈。这是一次工业领域中,逆向思维的壮举。人们试图将物理世界发生的一切,塞回到数字空间中。
数字孪生是个普遍适应的理论技术体系,可以在众多领域应用,在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。在国内应用最深入的是工程建设领域,关注度最高、研究最热的是智能制造领域。智能系统的智能:首先要感知、建模,然后才是分析推理。如果没有数字孪生对现实生产体系的准确模型化描述,所谓的智能制造系统就是无源之水,无法落实。进入21世纪,美国和德国均提出了Cyber-Physical System(CPS),也就是“信息-物理系统”,作为先进制造业的核心支撑技术。CPS 的目标就是实现物理世界和信息世界的交互融合。
在元宇宙的构建中,数字孪生技术体系尤为重要,就当前科学技术体系下,BIGANT(大蚂蚁)已足以实现元宇宙中的各种功能。BIGANT技术体系是区块链技术(Blockchain)、交互技术(Interactivity)、电子游戏技术(Game)、人工智能技术(AI)、网络及运算技术(network)、物联网技术(internet of Things)的总称。同样,实现“元地球”也是可行的,最为关键的是已经具有了完备的地球各个圈层动力学模拟软件,如元地球中古地貌的重建就先后要用到CitcomS地幔对流模拟软件、Move构造恢复软件、GPlates板块重建软件、Badlands古地貌模拟软件、COAWST沉积物输运模拟软件、地球系统耦合模式CESM1.2技术,初步形成了一套动态古地貌恢复的数字孪生技术体系,取这6项技术的首字母,可合称为CMG-BCC技术体系。国际上,开发或掌握这个技术体系的有板块重建领域权威性较高的Earth byte悉尼大学团队、加州理工大学地球动力学团队等,他们开发了GPlates、Badlands、CitcomS等核心软件。本文部分作者也参与了部分软件模块的共同开发与后期改进以及相关全球模型的建立,例如, Cao 等[9]发表了基于GPlates 的内侧洋闭合端员情形下“板块-地幔耦合”的OUC2021版本全球模型。针对古气候模拟领域研究,国内外目前主要根据对现代气候状态的机理分析、基于反映古气候事件的观测证据,进行数值模拟研究,本文部分作者也系统地使用地球系统耦合模式进行了深时海洋大气的模拟研究[10]。在观测体系构建方面,我们团队也参与并已成功在西太黑潮延伸体海域布设浮标搭载磁力观测系统,实现了数据实时卫星回传,初步搭建了海底地质灾害的智能监测平台。
这里以元地球中古地貌动态恢复为例,来说明元地球构建的关键技术体系。针对元地球中不同目标的关键技术体系实际还是存在巨大差异的,需要灵活构架与掌握。
微板块精准划分是动态重建全球深时海陆格局变迁的关键。微板块包括微陆块、微洋块和微幔块。微板块的多样性决定了宏观海陆分布变化及微地貌的复杂性[11⇓⇓⇓-15],现今地貌如此,古地貌也如此。因此,基于地球物理多源数据库的多尺度多界面综合研究,利用重磁处理等软件平台,通过延拓处理、边缘检测、异常分离和反演,综合识别微板块边界和内部特征,制定微陆块和微洋块的关键识别标志体系,开展精度百倍于传统板块划分的微板块识别和划分(图2),这是进行古地貌重建的核心步骤。同时,利用层析成像技术可有效识别深部地幔内部的微幔块(通常为高速体)。
图2 全球微板块划分新方案(OUC2022 版本,据文献[15])
微板块重建的合理性检验,需要海量多源地学数据支撑(见后文),例如,不同地质时代的蛇绿岩分布、高压-超高压岩石分布、金伯利岩-碳酸岩分布、大火成岩省分布、古地磁数据特征等等。其中一些专门数据库实现了全球共享。虽然全球公共数据具有更广的覆盖度但分辨率较低,但船载数据的覆盖率较低但是精度较高,所以各种数据库可以互补方式实现精细刻画微板块边界。可通过多源数据的融合,优势互补,以区域约束局部,深层制约浅层的思想,以深浅结合、线面结合的方法精细刻画全球浅部和深部微板块的三维结构,为微板块精细识别及其演化研究提供可靠的数据支撑。
微板块在运动过程中,其边界或内部也会经历强弱不同的挤压、伸展和走滑等岩石圈尺度变形,这些变形产生的地貌贡献是最为显著的,不仅控制地表盆山地貌形态,也控制源汇格局、盆地内部充填格局和层序堆叠样式。要动态再现这些变形地貌过程,就需要采用Move构造恢复法[16]。该方法遵循封闭体系中基于线长守恒、面积守恒、体积守恒三项基本原则,可以实现二维或三维变形剖面的动态平衡,是一种基于回剥法并直接对二维或三维地形进行构造恢复的方法,它主要恢复的是岩石圈变形产生的地貌贡献。该方法采用剥蚀量恢复、去断层、层拉平、去压实校正和热沉降校正等过程,进行逐层校正和回剥,从而恢复模型在不同构造阶段精确的二维或三维几何结构和构造特征。总之,基于油田海量的盆地中三维地震资料,结合测井数据和平衡剖面等,利用三维平衡恢复法,可精确动态恢复盆地立体古地貌特征(图3)。
图3 渤海湾盆地渤中凹陷的3D Move古地貌恢复
2.1.3 GPlates板块重建技术
GPlates是用于板块运动、海陆格局和构造古地理重建的交互式可视化和模拟的开源软件系统,它实现了基于古地磁等各种地质地球物理数据约束下的板块运动史恢复、古地理再造。通过地理信息系统与栅格数据可视化的有机结合,它能够交互操作和可视化板块构造重建、地震层析成像、地球动力学模型输出。可通过收集古地磁、海底磁异常条带和陆地构造-岩浆记录等,利用GPlates软件修改完善已发表的全球板块重建模型中存在的问题,尽可能提高模型的准确度以及空间分辨率。
传统板块重建模型主要恢复陆地块体的古位置,而忽略了板块边界的类型和位置以及板内变形。GPlates在此方面做出了突破,可用来创建含板块边界的连续闭合的板块模型。连续闭合板块模型的创建原理是,为构成板块多边形的每个板块边界分配不同的欧拉极,并通过连接每两个相邻板块边界,以确保板块多边形随时间保持拓扑闭合[17]。每个板块边界可赋予一系列相应属性,例如俯冲带的俯冲极性和活跃时间、洋中脊的左右板块的编号等。较新的GPlates(2.0或更新版本)可以用来建立板块变形模型[18]。板块变形模型是使用随时间演化的拓扑网络(topological network)构建的。拓扑网络由点、线或多边形表示的单个地质构造(例如火山、断层、克拉通等)组成。板块变形由这些点、线或多边形之间的相对运动构成的三角网表示。模型内每个点的速度可通过线性插值三角网法计算得到。而基于速度场可以计算地表应变率(即速度场的散度)以及地壳拉伸/收缩系数[18⇓-20]。如果假设地壳初始厚度,则可基于应变率计算地壳厚度随时间变化。以上相关功能皆已包含于GPlates 中。
地表地貌的形成除了有岩石圈变形诱发的之外,还有深部软流圈的或全地幔的地幔对流、地幔柱等地幔构造过程的贡献,其贡献的地形一般表现为长波长地貌,称为动力地形,也通常被岩石圈变形地貌所叠加。动力地形的动态恢复需要模拟地幔对流的软件,例如CitcomS。CitcomS软件是一种模拟地幔对流的数值模拟软件,它主要基于有限元方法(FEM)与粒子网格法(PIC),受连续性方程、斯托克斯方程、热守恒方程共同约束,需要利用计算机求解微分方程组,并结合粒子点-网格方法(PIC Method),实现岩石信息与有限元网格的信息交换。在模拟过程中,通过求解给定参数和一定边界条件下的基本方程,CitcomS可以详细构建速度、密度、压力、温度、黏度等多重变量之间的相互耦合关系,从而深入研究岩石圈构造变形与深部地幔动力之间的相互作用过程。
前述4项技术都是动态再现地球深部动力过程产生的地貌贡献的技术,但地貌界面也长期受到风化剥蚀、风沙搬运、水流冲刷、波浪侵蚀、泥沙输运等地表动力过程修饰重塑。Badlands数值模型是一款融合盆地浅部构造地形和深部动力地形变化,并结合地表古气候、岩石侵蚀、古海平面变化等因素(图4),模拟盆地“4D”沉积演化过程和盆地地貌景观演变的核心软件。在前述地形演化数据(3D Move构造地貌恢复数据和CitcomS深部动力地形数据)的基础之上,可利用该软件精细刻画盆地或流域相关的源-汇过程,结合地幔动力模型深入探讨地貌演化过程对深部动力地形和浅部构造地形的响应过程。
地表动力系统塑造区域性地貌过程,最为重要的是河流系统和海洋系统。河流系统可以通过Badlands很好地再现,但河流泥沙入海之后在海洋系统如何塑造海岸带过程的模拟依然是一个难题。虽然Badlands还可以通过海平面变化设定,有效纳入层序地层学约束,可以恢复长时间尺度洋陆过渡带的外动力地貌演变,但浪、流、潮、波、涌的微地貌塑造主要表现为短时间尺度的侵蚀、沉积两个方面,需要通过COAWST模拟软件进行动态模拟。因此,有必要使用多重嵌套网格技术,对典型边缘海进行加密网格化,并基于国际先进的海洋模型(ROMS),耦合大气模型(WRF)、波浪模型(SWAN)、泥沙输运模型(CSTMS),开展多重网格嵌套下的边缘海海洋环流、物质能量交换和输运研究。其中,海洋模式ROMS的初始温盐场和表面强迫场可分别由SODA和ERA5提供。
基于搭建的三维高精度耦合数值模式,对海洋水动力和沉积物输运进行模拟研究,阐明海洋基本动力结构和沉积物输运特征,揭示其时空变化规律和控制因素;基于典型地质历史时期古海岸线和古水深地形、古海表温度研究成果,开展历史典型地质时期海洋动力和沉积物输运与沉积过程的数值模拟;对比分析现代和地质历史时期的海洋动力格局和沉积物输运过程的异同,结合沉积记录分析,进而可以探究海洋沉积物输运对地貌地形塑造与演化过程的贡献。
气候-构造、洋流-构造耦合过程是地球表层系统动力学的一个核心话题,因此,聚焦研究关键时期典型构造-流系耦合、典型构造-气候耦合的演化及全球气候响应,如中新世印澳-欧亚板块软碰撞导致印尼贯穿流形成和西太暖池初现,渐新世印澳-欧亚板块硬碰撞导致青藏高原隆升与东亚季风形成,进而探究不同气候态下地球系统多个组分的响应及其与古地貌相互作用。工作落实可以使用NCAR开发的三维地球系统耦合模式CESM1.2(Community Earth System Model, version 1.2),该模式属于大气海洋耦合类模式(AOGCM),可以较为全面地对地球气候系统进行数值模拟,探究地球过去、现代和将来的不同气候态。该模式包含六个地球系统动力学模块,分别为大气、海洋、陆地、海冰、陆冰和径流,这六个模块通过耦合器实现相互作用。模式提供了多种分辨率,可以采用官方推荐的标准分辨率“f19_g16”。例如,大气和陆地为有限体积网格,水平分辨率为约1.9°×2.5°(纬向×经向),海洋与海冰模块的水平分辨率大概为1°×1°,并且网格极点可以移动。大气在垂直方向上被分为26层,而海洋在垂直方向上有60层。CESM1.2包括较为完备的地球系统过程,可以模拟上述不同圈层之间的相互作用和反馈过程,为研究目标洋流或气流的古地貌控制及其演化和气候响应,提供有力的技术手段。
地表地貌界面是资源、能源和灾害的载体,构建元地球中的动态古地貌,是为了更好地掌握资源分布、能源潜力、灾害规律。例如,实施灾害监测主要可以通过地震台站(网)、海底地震仪(OBS)、漂移式海洋地震仪(MERMAD)和海上浮标或潜标搭载磁力仪,利用地震和地磁两种探测手段,构建地质灾害的震-磁联合监测系统,通过地圈感应手段,将传感器与网络云端相连,并通过评估系统与信息发布系统,可以实现真实地球上的监测传感器,与事发区或危险区用户手机端的虚拟地球中的感知报警平台精准相连,从而实现预警信息的精准投送。另外,为了更好地解析灾害发生机制,同时采用室内模拟手段,如构造物理模拟和岩石磁学微观模拟,对灾害发生过程中构造物理过程以及岩石微观矿物转化过程进行系统透析解译,进一步指导监测数据的分析解释,有助于完善灾害评估系统,实现更为智慧精准的灾害预测、预警和预报。这种监测网-网络云-用户端之间的互动,实现了虚拟地球与现实地球之间的互动,这远远超越了数字地球、目标地球等初衷,而这只是智慧地球、元地球的一个基本功能。
基于上述关键方法和技术,以“元地球”的海底地貌构建为例,需要构架“平台层-数据层-模型层-服务层-分析层-应用层”的数字孪生地球6层技术体系(图5)。
图5 “数字孪生地球”6层技术体系
元地球的最底层平台应当是空基、天基、地基、海基、海底基等各种环境下传感器、监视器构成的全天候、实时、连续监测网络,即数据采集平台,随着物联网的快速发展,未来甚至包括智能穿戴设备、车载或船载移动设备、智慧家居设备等都将纳入这个感知物理环境的数据采集平台。5G/6G网络通讯技术是链接真实地球物理环境与数字孪生虚拟地球之间的桥梁,扁平化的平台层中通过5G/6G数据流动途径,将快速获得的海量多源异构原始数据传递到计算平台或储存平台。此外,一些数据也可从分散的但可溯源的文献中获取,如古地磁数据,这需要建立专业性知识图谱,利用知识库、方法库、模型库、数据库之间逻辑有序的数据抓取功能软件或算法,进而实现数据的自动抽取、转换、加载和输出。通常,处理如此巨量的数据,离不开超算平台的支持,这可以依托青岛海洋科学与技术试点国家实验室的高性能科学计算与系统仿真平台(以下简称“超算平台”),充分利用大数据、云计算、边缘计算、5G/6G、人工智能等通用支撑技术(图5),建立具备实时数据采集与传输、大数据分布式计算的平台运行环境。
基于地球系统科学观以及大数据技术建立所需的地球大数据层[21-22],融合空-天-海-地多维、多源、多尺度、多时态、多学科数据,例如,开展古地貌恢复,需要包括海底微体古生物、沉积、地层、地球化学、地球物理、钻孔、底质取样、大气、水体等数据,需要建设海底磁条带、海底磷灰石和锆石裂变径迹年代、变质年代、岛弧-裂谷-岩墙岩浆年代、地层、蛇绿岩、金伯利岩和碳酸岩、微板块古地磁、新生代沉积源-汇、微板块重磁、微体古生物等数据库(图5)。这些数据难保不失真,这里面有选择、解译、技术等因素所致,为此需要采用核对法、校验法、比较法、条件法、逻辑法、统计法等手段,进行鉴别;根据具体情况选用比较法、评估法、时序法、调查法、分析法、文献法等,进行数据筛选;通过数据生命周期管理,对已被证伪的、陈旧过时的、重复的、雷同的、无实质内容的数据,进行剔除[3]。这里,首先要构建目标海域多维多元融合的地质、地球化学、地球物理数据库示范,分类归并好点、线、面、体数据图层,这些点、线、区、体文件因地质数据的复杂性,其数据模型(包括数据结构、数据操作、数据约束等)也差异悬殊。特别是数据结构涉及数据类型、内容、性质等数据自身特征,还包括拓扑、逻辑、制约关系等数据相互间的相互联系,以及构型单元的几何形态、属性、构型单元的聚合或垒积样式等数据组织形式和文件与数据库管理方式。点数据或点元数据模型如地震震源、地名、钻孔点或井位、采样点、监测点等,线数据或线元数据模型如微板块边界、地层界线、岩体边界、灾害体边界、水系、国境线等,面数据或面元数据模型如地质体、微板块、灾害体、断层面、地层界面等的面单元,体数据或体元数据模型如岩浆岩体、微幔块、沉积体、断块体、金属矿体、储层体等的体单元。不同的数据文件可采用多种数据库管理软件(如Oracle、ArcGIS)进行各种查询、搜索、管理等访问和调度,要具备各种操作方式的空间索引功能,便于在数据采集、提取、转换、加载、清洗、同化、处理、分析过程中,实现数据的规范与融合,不断提高数据质量、可信度和可靠性。
在数据层基础上,各种数据或数据库文件类型的数据接口要便于调用的处理软件调用。这些数据在数据层依然是孤立的数据库,各数据库仍然表现出分散、多源、异构、语义不统一等特征[3],需要通过机器学习、规则约束、数据挖掘、多维数据分析、数据映射、仿真计算、动态建模、三维可视化等手段,对数据缺失、数据冗余、数据冲突、数据错误等问题进行处理,最终进行特征提取和信息融合,汇集成专门的数据湖或数据仓库,从而打破分层和分布式信息孤岛障碍,解决数据爆炸而知识贫乏问题,实现数据的一站式集成服务的共享数据环境。可见,这一层主要关注数字孪生体虚拟模型的建立,同时将基础数据层的可信数据接入虚拟模型,如场元数据模型,进行数据关联和可视化处理,以进一步对数据进行融合和初步的计算分析[8]。例如,构建新生代古地貌模型,不仅涉及微板块重建模型、深时壳幔结构模型,还涵盖典型海域“深时环境模型”、新生代能源资源模型、灾害预测模型等,最终模型融合形成4D模型,这需要利用CMG-BCC技术体系,在各种地学大数据约束下,不断进行古地貌迭代重建,且在过程模型的动态框架内,通过数据同化算法,不断融合新的观测数据,以提高深时动态古地貌模型精度。
服务层是数字孪生业务化的核心支撑,针对不同行业和应用场景,数字孪生侧重的功能也不同。首先服务层要实现层级管理,在数据通讯传输安全的加密技术领域,可采用链路加密、节点加密、端端加密及其他信息隐藏技术等,设立多级管理和访问权限,实现数据共建、共享。在服务层面,还可将以上模型层建立的模型,通过建模、渲染等三维可视化技术动态描述、呈现、展示,还可拓展开发研制一些工具模块,如搜索引擎、三维空间分析、各种统计分析、图像或动画制作技术等各种实用软件,以专门功能模块或服务方式或数据形式,通过各类设备,如VR设备、AR设备、智能手机、平板电脑等,实现表达、分析、过程、设计、决策的可视化,开展双向交互、辅助决策,提供给科研、油田、矿山、防灾、应急等用户使用或智能化决策分析。
分析层是针对某个重大工程、科学创新或产品研发,进行跨学科、跨领域、跨行业技术的联合攻关,以解决行业实际痛点、难点、堵点和问题,形成实际产值和效益的关键平台,也是将基础科学融入数字孪生产业的关键。以深时环境系统为例,用户基于该系统进行业务分析研究,如在洋陆过渡带多圈层相互作用下的源汇效应研究中,进行元素与构造特征相关性分析、沉积层序和空间格架分析、碳循环与控制因素分析。
元地球及其相关数字孪生技术体系的应用极其广泛,几乎涉及现有的各行各业,可用于资源勘探、能源保障、灾害防治、环境保护、安全应急、智慧城市、数字建筑、智能交通、智慧教育、智慧医疗、生命健康、旅游休闲、数字娱乐、国家安全、战场感知等领域,可服务国家“四个面向”(面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康)。例如:通过元地球的数字孪生技术体系开展深时古地貌重建,将其分析结果用于科学研究,发展微板块构造理论、海底成矿理论、海底成藏理论、海底成灾理论,服务深时地球系统理论发展;应用于区域油气资源精准勘探、海底灾害监测与评估、助力碳中和实现等,支撑国家海洋强国、“一带一路”建设。
元地球中的各种数字孪生体已经初见端倪,充分体现了其应用的广泛性,例如,数字孪生城市、智慧能源或油田数字生命体[23]、智慧医疗等。除了这些应用之外,元地球还将在全天候和全领域国家安全、实时化和动态化战场电磁环境感知、精准化和扁平化社会治理等领域,具有尤为重要的应用价值。
欧盟于2021—2030年期间拟创建的数字孪生地球,只是尽可能真实地代表地球表面所有的过程,且侧重地表系统的灾害监测与预测预报预警。以“元地球”构建,到智能感知的实现,应从以下三个方面着手,实现深时地球表层及深部系统所有过程的透明化,推动内外动力灾害系统的智能感知、耦合研究与成灾理论创新,从而超越欧盟的“目标地球(Destination Earth)”计划。
已经公开的全球最新板块重建模型由悉尼大学EarthByte团队基于开源软件GPlates完成[18]。由于局部地质记录的缺乏,该模型微板块运动历史具有较多的不确定性。对于4D地球动力学过程的模拟,可以将板块运动速度场作为边界条件,基于CitcomS建立地幔对流模型。本文作者也参与了EarthByte团队板块重建模型的修改和完善工作,以及CitcomS地幔对流模型的建立[9]。
深时动态地貌会对沉积源-汇系统、洋流演化和全球气候产生反馈调节作用,进而赋予动态地形以多源沉积环境-生态环境属性。如围绕东亚陆缘的沉积过程与环境演变,国际上发动了诸多研究计划,有大三角洲河口湾LDE、大陆边缘从源到汇计划(MARGINS的S2S)、海岸带陆海相互作用计划(LOICZ-II)等等。上述计划多侧重在河口到陆架边缘海的晚第四纪沉积记录和生物地球化学过程,对深时海底的源-汇过程研究很少;也没有将地层沉积记录及构造、气候、海平面变化与人类活动影响进行串联,并缺少原创性方法,从而难以系统构建“气-水-生-土-岩”跨生境一体化的深时海底环境模型。
对于地球灾害和地质地球物理场变化的相互作用和诱因机制,已有物理模拟、水下摄像系统[24]、海底观测网等多种模拟、实验、观测手段和平台。但这些已有的多类型平台,无论是从科学还是减灾的角度,均需要开展大学科交叉。为此,有必要通过数值和物理模拟、海上采样与测量、地质数据挖掘等途径,构建多样性灾害发生过程伴随的地形地貌和地球物理场等多尺度、多源异构的地质深时及实时数据库,深度解译与准确提取灾害过程与地质过程的内在关联机制,在计算机虚拟空间中,映射并构建海底灾害-地质关联系统,聚焦建设一体化的数字孪生灾害模型,提供具备科学指导意义的灾害预测及评估决策系统。
集成国内外多传感器、多尺度、多学科、多源异构的海底电磁-地震-海啸-滑坡灾害实时数据及深时数据[21-22],深度解译与准确提取灾害或目标的相关信息,在计算机虚拟空间中映射并构建海底灾害系统,聚焦建设一体化的海底灾害模型;提供权威且智能化的防灾减灾和目标识别决策系统,并构建全球海底电磁环境实时感知平台;构建海底地貌多样性与灾害多样性关联,揭示地貌形成过程中内外动力诱发的灾害效应及其深部机制。
目前,国内外尚无完善的跨圈层、跨相态、跨时长耦合研究的技术体系。可以通过一种软件实现一个圈层独立机制的模拟,之后将一套软件模拟的同阶段或前阶段的结果作为另一套软件模拟的初始条件或约束,开展圈层间耦合机制的转换。同时,充分利用Badlands 软件自身已融合了流固耦合的特色,在一套软件设置参数后,其自动运行多圈层间机制的转换,从而实现跨圈层模拟。对于跨时长,采用地质学中将今论古的原则,通过超算算力,打通年际地质过程与百万年级地质过程之间的隔阂,实现跨时长的连续演化研究。实现跨相态过程的模拟,也可以在Badlands中将大气圈基本参数设定为拟模拟的特定地质时期的状态,因Badlands内部设定了大气动力学相关运行模式,所以地质人员主要侧重构架地表岩石分布及其风化、剥蚀速率,Badlands软件将按照侵蚀动力学规律开展计算,并结合沉积动力学模式开展物质输运、源汇过程的模拟。最终,突破地球透视或盆地透视的技术瓶颈(图6)。
图6 元地球与浅表动态过程的透视表达(据文献[25⇓-27]修改)
实现VR、AR、ParaView、GoCAD、CitcomS、Gplates等技术融合,以立体显示分析新生代以来的全球微板块划分和结构重建及其深时4D深部动力过程。基于数值模拟、遥感反演等技术手段,研究地表系统的海洋环流、锋面系统、沉积物输运特征与演变规律;对比分析沉积物记录的气候状态与事件下的输运过程在沉积物再分配过程的贡献及其控制机制;基于典型地质历史时期古海岸线和古水深地形、古海表温度研究成果,推算反演典型地质历史时期海洋的动力和沉积物输运演化过程。在此基础之上,分别从轨道尺度和构造尺度,利用数值模式模拟海洋环流,重建该海域洋流演化及全球气候效应(图6)。
传统的盆地构造-地层格架演化模拟是造山带和盆地定量化分析的重要内容,也是油气田和金属矿床形成过程定量化研究的重要内容。其中,沉积盆地的沉积-构造计算机3D数值模拟,涉及盆地分析及复杂地质体结构、构造的多维动态建模技术,以往都是在盆地静态格架模型基础上,按照演化阶段反序消除构造变形的影响,直到恢复盆地形成各阶段的初始状态,这是一种逆向构造反演方式。虽然这种体平衡复原技术依然适用,但是,现在技术发展迅速,对盆地古地貌的动态再现,也可以采用正演模拟途径,如利用ASPECT等软件基于力学原理或壳幔流变学结构,开展某个盆地或造山带的模拟。如果是全球尺度,也可以基于微板块重建方案,采用Badlands技术(图6c),构建全球尺度诸多盆地的超高精度新生代地形景观模型,一体化揭示源区侵蚀、盆地充填过程和相关地貌成因的地表系统源汇动力过程,而不只是关注沉积“汇”这一端的单一盆地模拟,真实再现盆地古地貌跨圈层、跨相态、跨时长协同耦合过程,从而也成为源汇研究的一个新手段、新途径,也是实现地球系统科学突破流固耦合障碍的关键所在。
当前地球上含油气盆地多数形成于中、新生代,特别是洋陆过渡带的新生代盆地更为有利。基于Badlands模拟的层序动态堆积样式,结合传统盆地沉积-构造模拟手段,对盆地地温场、流体势场、应力场、埋藏历史、成岩过程中的孔隙度和渗透率时空变化及油气系统生储盖分布、生烃历史、生烃强度、生烃量变化、排烃历史、运移途径、油藏充注历史及其各成藏要素时空匹配关系,开展系统性一体化动态数值模拟[3],并利用大数据与人工智能技术,耦合多地球物理场、多地球化学参数、多种能源数据[21-22],实现成藏浅表环境的多源信息一体化挖掘,构建新生代全球或区域一体化的能源模型并探讨古地貌形成过程中内外圈层耦合的成藏效应。利用人工智能、机器学习、深度学习、深度挖掘等技术手段,结合盆地模拟软件,以数字化手段,准确预测烃源岩、储层、盖层、圈闭构造、油气运移通道的形态与分布,直接通过数字精准预测寻找油气藏“甜点”,从而改变非数字式的传统油气勘探范式。可见,地球系统理念指导下,基于元地球构架的成藏模拟器,不是以往传统的、简单的盆地油气成藏运聚过程的模拟。
基于地球系统和宜居地球理念的地球构造系统与微板块构造理论为指导,可望突破传统板块构造理论障碍和三大难题(板块起源、板内形变、板块动力),这有利于认识深时微板块动力过程及其相关成矿演化。所以基于微板块重构的元地球深时古地貌构建,也可以用来探索深时沉积型或火山型的表生成矿系统的演变;如果结合深部地幔动力学、岩浆动力学、成矿动力学模拟,还可以在深部岩浆系统与金属成矿理论、海底沉积系统与海底表生成矿理论等方面有所突破和创新。
在20世纪的百年间,人们至少发现了30多种新矿床类型,比较重要的约20种,即斑岩铜矿、斑岩钼-钨-锡-银-铅-锌矿和稀有金属矿、奥林匹克坝型铜-铀-金矿、卡林型(微细浸染型)金矿、绿岩带金矿、蚀变岩型(焦家式)和石英脉型(玲珑式)金矿、霍姆斯塔克型金矿、黑色岩系型金矿、含金剪切带性金矿、不整合型铀矿、碳硅泥岩型铀矿、喷气沉积型(SEDEX)铅-锌-银矿、层状基性-超基性岩体中的铂族金属矿、层控型钨矿、火山岩型铍矿、卤水型锂矿、风化壳吸附型稀土矿、科马堤岩中的硫化镍矿床、麦克德米特型汞矿、钾镁煌斑岩型金刚石矿[28]。这些矿床主要分布于各种微板块边界上,成区、成带分布,如环太平洋成矿带、特提斯-喜马拉雅成矿带、中亚-蒙古成矿带,还有一些位于古老克拉通内部微地块的构造边界上,大多数与各种岩浆作用相关。基于这些矿床的深入研究,人们建立了各种矿床模型,形成了矿床成矿系列的概念,建立了相关的专家找矿系统和找矿矿物学等成矿知识库,也积累了大量地质、物探、化探、遥感、钻探等数据资料,为元地球构架下深度学习、深度神经网络、机器学习等人工智能找矿技术的发展奠定了知识、数据和技术基础。利用人工智能学习经典矿床,发现新的成矿有利区带,这是一种全新的基于关联关系的大数据找矿思路。
玻璃地球应当属于元地球的一种应用,当前,人们基于各种地球物理探测构建了全球地壳结构模型,如Crust1.0和2.0,岩石圈结构模型也取得重要进展。但这些依然是全球尺度粗略的玻璃地球再现,要实现区域找矿突破或成矿模拟,还需要更多数据支撑:现今静态的区域三维构造-岩体结构(地层格架)模型、地层或岩体的地质年龄数据、断层数据、地层剥蚀厚度数据、剥蚀起始年代、磷灰石或锆石裂变径迹数据、孔隙度-深度曲线、孔隙度数据、断层发育时代等。这些可以用来求取主要断裂的位移、地层或岩体剥蚀厚度,再现区域断裂格架形成过程、地层充填过程及岩体形成深度等[3]。这是一种传统的反演模式。如今,人们也可以采用地幔动力学及相关脱水、脱碳和脱成矿元素过程的正演模拟方式,进行成矿岩浆形成演化过程的模拟,通过相关岩浆成分演化过程及成矿关系的建立,开展快速三维数字成矿预测。当然这种正演模拟模型的建立,需要很多约束,如可以利用国际上最新的全球古地貌重建方案——古数字高程模型(PaleoDEM)[29]来约束,但由于该模型对古板块构造格局认识不够全面,导致该模型局部地区存在明显错误;另外,此模型中地形地貌的计算方法未公开,可靠性难以评估。悉尼大学EarthByte团队开发的Badlands开源数值模拟软件弥补了该项不足,若继续增加盆地中表生金属矿产预测模块,就可实现表生金属成矿系统的预测。
不同类型的成矿作用通常与不同类型岩浆动力过程有关,通过全球地幔动力过程、岩石圈动力过程数值模拟,可预测岩浆源区特征、迁移通道、上升途径和形成环境。耦合岩浆动力学模拟软件、金属成矿动力学模拟软件,以数字化手段,利用人工智能、机器学习、深度学习、深度挖掘等技术手段,准确预测矿源层、储矿层、封盖层、储矿构造、矿液运移通道,有望改变金属矿产勘探范式。例如,对于海底热液硫化物矿床、海底富稀土多金属软泥成矿过程,还涉及深海底层水的底流流向和强度等。因此,结合数值模拟,利用大数据与人工智能技术,耦合多地球物理场、矿床地球化学多参数、多种金属资源数据,综合判断伴随成矿元素的运聚规律,可以快速实现成矿深部环境、目标矿体的准确识别。
目前,国际上深时金属成矿模拟器尚处于空白状态,因而这也是未来需要探索内容之一。含矿流体或矿液是成矿的关键,它是汲取、溶解、携带、搬运、沉淀成矿物质的介质,成矿物质从分散状态转变为富集状态,与矿液的流动密不可分。而各种成因的岩石孔隙、裂隙、断裂等则是影响和控制矿液运移的通道和矿石堆积场所[30],可见控制矿液或矿床的矿田构造非常复杂。此外,含矿流体类型也较多,包括岩浆、矿浆(富矿熔浆)、岩浆气化热液、地下水热液(低温热液)、变质热液(高温热液)、混合岩化热液和复合热液等,因构造环境不同而具有不同的发生发展过程,在适宜条件下形成不同矿床,因此成矿动力学模拟就是关注矿液运移的动力、通道、流向等。因此,要对一个区域进行金属矿产的精准勘探,必须建立准确的区域结构构造模型,厘定构造属性与类型,准确刻画褶皱、断裂、节理、劈理、层理、面理或叶理等特征,确定其叠加与切割关系,划分其期次,分清在不同阶段应力场环境下的导矿构造、储矿构造属性等等。此外,还要准确刻画各类成矿岩体形态及其与围岩接触关系及围岩类型,开展成矿热液-围岩反应、岩浆分离结晶、热扩散、接触交代变质、岩浆上升运移与侵位等过程的一体化模拟。因此,要实现现今地壳结构中金属矿体的精准勘探,必须研发模块化设计的金属成矿模拟器。
数字孪生技术在不断进化,元地球应用场景也在多样化。就化学地球重构而言,还需要不断丰富各种地球大数据,推动与生态科学、医学地质学、农业科学、环境科学等的结合,确保地球健康发展。基于已有丰富积累的深时古地貌和4D虚拟地球建模相关数据,在收集整理全球已有站位的全球岩石、沉积物、土壤、水体、结核结壳等介质的地球化学数据的同时,进一步补充重点海域或陆地区域精细的针对性地质调查、监测和综合观测的大量数据,包括地质取样、地球物理、钻探、地球化学元素、沉积物、地层格架、厚度、粒度测试、微体古生物测试、化学测试分析等数据。在整合各类数据的基础上,编制全球多比例尺的地球化学图集,以揭示全球尺度部分地球化学指标的分布特征。可见,在元地球框架下构建化学地球,符合山、水、林、田、湖、草、沙的绿色发展理念。
此外,就河海系统重构而言,应系统收集整理沉积物动力过程的数值模型,建立相关的基础数据,包括全球大气数据集、全球温盐数据集、全球潮汐数据集、大型河流的气候态月均流量和输沙量数据等,为海洋环流、沉积物输运耦合数值模拟提供基础资料。
就深部金属成矿预测而言,需要建立全球综合地球物理调查数据库,积累丰富的重磁震数据同时,构建全球反射地震数据库,为构建盆地或矿场地球物理数据库提供宝贵资料。就海底成矿预测而言,可选定特定区域作为示范区,综合开展地球化学和地球物理探测,获得海底富含成矿金属的岩性特征和分布、海水物理化学性质以及声呐图像等,在此基础上利用机器学习等人工智能手段,可以构建利用声呐图像等精准识别成矿金属分布的系统和软件,指导海底找矿。
数字孪生是各行各业转型升级的重要驱动力。石油作为工业经济的血液,在人类进步与社会发展过程中发挥了重要作用。然而,进入21世纪,能源领域正处在大转型时期,能源低碳化、多元化、智能化、分散化和国际化是其典型特征,以互联网、物联网、大数据、人工智能、区块链为代表的信息技术与能源的高度融合将是能源领域的一场新革命[23],信息技术将重塑能源未来。就海底成藏而言,可集合已有重磁数据以及地震剖面等精细划分构造格局[31],通过Badlands等相关软件,模拟成盆构造过程、沉积过程、沉积物来源等,重塑深时盆地古地貌、层序堆叠样式,这是开展4D层序地层学研究的基础。2D层序地层学的提出曾被誉为石油工业的一场革命,所以基于元地球或数字孪生技术体系的4D层序地层学研究也必将是能源领域的一场新革命。
同样,就未来深海开发场景而言,人们更迫切需要在元地球框架下,构建深海海底开发环境的数字孪生体,在开发前,针对开发对海底生态可能产生危害的各种场景进行模式实验,提供切实可行的深海开发方案,从而为确保真实、无人、自主的海底开采活动安全可靠。所以,就海底地质灾害而言,还应在特定海域或灾害区带,如水合物发育的大陆斜坡地带或岛弧水下地带,构建先进的地震、火山立体感知系统;或对滨海湿地,通过集成多种地球物理监测手段,建立覆盖滨海湿地的关键区域野外监测站和海上观测基地,实现海上监测数据的实时回传,以获得连续观测数据以及温室气体等监测数据,从而构建端-网-云一体的虚实共生的数字孪生地球,造福人类,也让人类安全融入虚实共生的孪生地球。
本文围绕地球深时古地貌重建,系统说明了元地球构建的关键技术体系,阐明了元地球与数字地球、谷歌地球、玻璃地球、虚拟地球、智慧地球、目标地球等其他地球理念的显著差异,系统展示了元地球在科技进步、应急管理、数字经济等领域的应用前景,具体体现在以下3方面。
(1)科技进步:支撑国家创新驱动建设。通过海底5G/6G的实施,实现“海底透视”,将高分卫星的对地观测数据和北斗卫星的定位、授时、导航等功能结合起来,将这些地球信息全部数字化,这凸显了海底地貌数据的重要基础性,而深部地球动力学机制是影响地貌成因的一阶控制因素,微板块动力学基于当前国际最前沿的板块构造研究成果,是揭示地貌深部成因的理论基础和有力工具。基于地学大数据趋势,秉持宜居地球、地球系统科学、健康海洋新理念,实现跨越式学科发展,建立全球微板块构造理论范式,有望获得革命性的原创成果,以支撑国家创新驱动建设,为推动理论自信作出一份贡献。
(2)应急管理:维护人民生命财产安全。通过构建震磁联合观测系统,对地球灾害进行系统监测,可以及时为灾害预防提供预警,减少不必要的人员伤亡和财产损失。同时,为国家制定相关的灾害预警措施提供数据支撑。元地球还将在全天候和全领域国家安全、实时化和动态化战场感知、精准化和扁平化社会治理等领域,发挥不可替代的作用。
(3)数字经济:服务国民经济主战场。发展高精度古地形重塑的技术体系,聚焦洋陆过渡带研发成矿-成藏模拟新技术,为油气精准勘探提供一套可行的思路和完善的技术手段,有助于开拓洋陆过渡带急需能源的精准勘探和深海战略性金属矿产的智能预测,从而提高油气勘探效率,为国家能源发展提供支撑。构建的深时环境模型,可以支撑碳循环与控制因素分析;可为展示全球海洋环境状况、预测资源赋存特征提供可靠数据支撑,为中国积极参与全球海洋治理、引领全球海洋矿产资源开发提供技术保障。
本文完成于2021年3月,之后,我们发现刘建忠研究员同时发表了“元月球”构建的类似论文,很受鼓舞。无论是元地球,还是数字孪生,都是我们团队面对的新事物,是我们从零开始的全新研究领域。我们特别期待从科学上原创性构架的“元地球”能被大家接受、推广,并随着飞速发展的科技,走得更远、更高、更深。
主要作者：李三忠
1968年生，江西高安人，中国海洋大学教授、博士生导师;国际冈瓦纳协会副主席;德国莱布尼茨科学学会会士。现任海底科学与探测技术教育部重点实验室主任、深海圈层与地球系统教育部前沿科学中心副主任、中国海洋大学海洋高等研究院副院长、中国海洋大学海洋地球科学学院副院长、唠山国家实验室海底矿产资源功能实验室副主任等职务。曾以留学访问学者、I0DP专家等身份，访学于德、美、日、澳等国家的顶级海洋研究机构。Elsevier旗下《Geosystemsand Geoenvironment》共同主编，《海洋学研究》主编,曾任《Science Bulletin》 《Geoscience Frontiers》等多个国际期刊副主编。
曾获国家自然科学二等奖、李四光地质科学奖科研奖、省部级-等奖及二等奖等10余项，2017年获得山东省先进科技工作者称号,2018年获得山东省先进工作者称号,为国家自然科学基金创新群体学术带头人、国家杰出青年基金获得者,享受国务院政府特殊津贴入选国家百千万人才工程、泰山学者特聘教授和攀登计划，2015年也曾入选长江学者特聘教授。
工业4.0创新平台 版权所有 All Rights Reserved, Copyright© 2013- 京ICP备14017844号-3
评论