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地球具有物理和化学属性。地球的物理属性包括大小、空间、形状、密度、电性、磁性、引力、运动等，研究地球这些物理属性的学科叫地球物理。地球的化学属性包括化学元素及其化合物的组成、含量、分布、变化等，研究地球化学属性的学科叫地球化学。 “化学地球”不是一个学科概念，而是特指将组成地球的岩石圈、土壤圈、水圈、大气圈和生物圈的化学元素及其化合物的含量和时空分布生成矢量图形，以图形化和可视化形式展现在地球上，是一种数字地球。用地理信息技术、互联网技术和空间大数据技术，生成一个虚拟的“化学元素地球”，便于大家从互联网上进行查询和使用。 进入“化学地球”，你将知道：你佩戴的金银首饰是哪来的；哪里产的大米可能含镉；哪里的地下水可以直接饮用；我们呼吸的空气除了PM2.5，还含有哪些重金属和有机污染物。 一 “衣”——你佩戴的金银首饰是哪来的？ 广义的“衣”已经超越了防寒保暖的功能，作为女士，你们可能都佩戴过金银首饰。你知道这些贵金属是哪来的吗？ 它们来自于一种叫做贵金属的矿产资源。贵金属矿产资源包括金、银、铂金族（锇、铱、铂、钌、铑、钯）。贵金属的贵重，不仅体现在它的化学性质稳定，不易被腐蚀，金光灿烂，还体现在它储量的稀少。这些贵金属在地球上含量极低，在地壳中的含量只有十亿分之几到百亿分之几。要富集1 000 倍以上，即百万分之几，才能成为人类现有技术能够提炼的矿床。 如金在地壳中的平均含量只有十亿分之一，要成为人类能够开采的矿床，必须富集到百万分之二以上，即一吨矿石中要含有2 克黄金才能被开采利用。就是说你要戴一个5 克的戒指，要开采至少3 吨的矿石，因为，矿石中的金不能被100% 提取出来。 金可能是被人类所利用的第一种金属，由于它可以在砂矿中以自然金的形式产出，因而不需要复杂的分离技术就能够将其分离出来。它的开采历史可以追溯到6 000 年以前。在文明古国埃及、中国和印度，黄金很早就被用作装饰品和首饰。正是由于它的自然魔力和永恒价值，吸引人们顶严寒，冒酷暑，远涉重洋，跨越崇山峻岭，穿越戈壁沙漠、茂密森林去实现寻金梦。经过几千年的寻找，地表已经难以凭肉眼和经验找到金光灿灿的黄金。 20 世纪中后期，一种叫做地球化学填图的技术，被广泛地应用于找金中。地球化学填图就是通过地球表面系统的采样，应用现代实验分析技术，将检测结果绘制成地球化学图，根据含量的高低圈定异常区，再进行钻探，直到发现金矿。今 天地球化学技术的进步，不仅可以检测到十亿分之几含量的金，而且还可以观测到纳米颗粒的金。技术的进步大大提高了我们的肉眼分辨能力，可以有效地发现我们以前无法观测到的金矿。 中国是目前世界第一产金大国，这得益于使用地球化学技术在中国发现近1 000 处金矿床，占已发现的金矿储量近一半左右。当你佩戴金银首饰时，别忘了有我们这些地球化学工作者的功劳。由此观之，化学地球是不是与 “衣”有很大关系呢？ 二 “食”——大米中的镉是哪来的？ 说完了“衣”，我们再说“食”。“镉大米，又是镉大米”。媒体曾多次报道，大米中镉超标事件。镉在元素周期表中排在第48 位，镉的毒性较大，最早发现镉中毒事件是日本的“痛痛病”。 “痛痛病”起源于日本富山县，1931 年出现，病症表现为腰、手、脚等关节疼痛，行动困难，甚至呼吸都会带来难以忍受的痛苦。到了患病后期，患者骨骼软化、萎缩，四肢弯曲，脊柱变形，骨质松脆，就连咳嗽都能引起骨折。患者不能进食，疼痛无比，常常大叫“痛死了！痛死了！”这种病由此得名为“骨癌病”或“痛痛病”。 病因是由于一处炼锌厂排放的废水中含有大量的镉，整条河都被炼锌厂（镉总是与铅锌矿伴生）的含镉污水污染了，农民用河水灌溉稻田，水稻吸收镉，稻米富集大量的镉，然后又通过食物链，使这些镉进入人体富集下来，造成镉中毒。 土壤被镉污染主要通过如下几种途径：
我们国家对土壤环境质量限值的规定是：
根据全国地球化学基准网的监测数据，2010 年与1995 年相比，三级土壤的比例从0.4% 增加到2.1%，二级土壤比例从4.3% 增加到12.3%。主要分布于湖南、贵州、广西、云南和四川，除此之外珠三角、长三角、环渤海地区的城市 群镉含量也显著增加，这反映了15 年来人为原因注入的加重，值得高度关注。 要从根本上清除“镉米”，先要遏制日积月累的土壤镉污染，斩断排污源头。土 壤的重金属污染不仅是镉，还包括其他重金属，如汞、砷、锑、铅、铬、镍、锌，等等。粮食生于土长于地，为了我们的健康，每个公民和企业除了遵守国 家有关环境保护法律法规和标准以外，还应了解环境保护知识，如减少重金属的排放。 三 “住”——装修使用的建筑材料有放射性吗？ 说完了“食”，我们再说“住”。我们使用的建筑材料水泥、砖瓦、石材来自岩石，岩石是由硅、铝、钙、铁、钾、钠、镁、锰、磷、钛、碳、氧等造岩元素组成的。家里装修也许会用到石材，如大理石、花岗岩，等等。出售者往往会介绍这些都是大理石。 其实大理石和花岗岩成分差别极大，大理石主要成分是碳酸钙或碳酸镁，由钙（镁）、碳和氧组成，对健康无害。花岗岩就有放射性，有一种含有粉红色或肉红色的花斑状花岗岩，含有一种叫做钾长石的矿物，其中钾40 本身就是一种放射性元素，还会含有一些铀、钍等放射性元素。放射剂量达到一定值，就对人体健康造成危害。 地球化学工作者把每一种岩石和土壤中的元素含量都测出来，是为了告诉人们，钾的含量是多少，哪些钾会产生放射性，放射性计量率有多高，对身体是否有害。全球地球化学家正在合作，建立一张全球地球化学基准网，就包含铀、钍、钾三个放射性元素含量基准及其在空气中的放射性吸收剂量率，以便实时监测人为活动引起的放射性注入量。这张看不见的地球化学网就是在守护着你的健康。 四 “行”——你每天排放多少二氧化碳？ 说完了“住”，我们再说“行”。现代社会，行已经离不开小汽车。我们就从小汽车排放说起。我们上中学就知道，地球大气圈除了水汽以外，氮占78.08%， 氧占20.95%， 氩占0.93%，还有少量的二氧化碳。 今天，大气中二氧化碳含量是385ppm（0.038%,1ppm 等于百万分之一)。你知道100 年前大气中二氧化碳浓度是多少吗？ 100 年前为280ppm，比现在低100ppm。工业化时代的200 年前是180~280ppm。 国际多个研究组织对过去1 000年的全球温度进行研究发现，从20 世纪初开始至今，地球表面的平均温度增加了约0.6℃，全球变暖的程度超过过去400~600 年中任何一段时间。尽管变暖的原因，各种研究观点存在较大争议。但主流观点认为人类工业化以后燃烧化石能源（煤炭、石油、天然气等）产生二氧化碳，使大气二氧化碳浓度从工业化前的180~280ppm，增加到现在的385ppm。 大量的二氧化碳，对来自太阳辐射的可见光具有高度透过性，而对地球辐射出来的长波辐射具有高度吸收性，能强烈吸收地面辐射中的红外线，导致地球温度上升，即温室效应。尽管二氧化碳的排放主要来自煤炭的燃烧。但也许有你的小汽车燃油的小小贡献。一般情况下，1 升燃油排放2.3千克二氧化碳，家用小轿车平均百千米燃油10 升，每天行驶50 千米, 每天排放二氧化碳大约10.5 千克，每年排放的二氧化碳大约3.8 吨。 除了人类燃烧化石能源排放二氧化碳以外，还有自然排放吗？自然界还会有二氧化碳吸收吗？答案是肯定的。作为地球化学工作者，更多会考虑自然引起的碳排和碳库。自然源碳排放主要是含碳质岩石和碳酸盐岩的风化，如炭质页岩风化会排放二氧化碳，碳酸盐岩（石灰岩）在酸雨条件下风化也会释放二氧化碳。 含碳质岩石碳排放计算很复杂，需要测定岩石中碳的含量，包括全碳和有机碳，根据岩石风化速率，含碳质岩石出露面积，有机碳氧化成二氧化碳的比例等，计算释放的碳量。我国酸雨区的面积有100 余万平方千米，碳酸盐岩会被分解。 从全国氧化钙地球化学基准图可以看出，酸雨区碳酸钙的含量明显偏低，与酸雨分布具有一致性。按每年岩石风化2毫米计算，每年释放的二氧化碳会达到10 亿吨，我们国家化石能源（煤炭、石油、天然气）燃烧，每年排放的二氧化碳大约在25 亿吨左右。 大自然本身是一个物质和能量循环的过程。海洋每时每刻都在形成碳酸盐岩，这一过程会吸收大量二氧化碳，土壤及植物也会吸收一部分二氧化碳。大家知道恐龙时代的侏罗纪大气中二氧化碳含量是多少吗？是大约1 500ppm，可能为现在的4~5 倍。 侏罗纪温暖潮湿，植物生长茂盛，这一点从北方大量形成的煤炭就可以看出。植物越茂盛，光合作用就越强，海洋生物大量吸收二氧化碳转化成生物质灰岩（碳酸钙），消耗大气中的二氧化碳就越多。结果大气中二氧化碳就减少了。二氧化碳的减少必导致大气保温能力减弱、温度降低。地球就是这样周而复始地运行了46 亿年。我们不必为地球的一次冷暖过度担忧，但节约能源、减少排放是应该大力提倡的。 五 化学地球探索的不尽话语 人类面临全球性环境变化和资源短缺的严峻挑战，为应对这一挑战，联合国教科文组织需要一个权威机构提供全球性、系统性和持续性的地球化学观测数据。 联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心的成立就是为了获得这种权威的科学数据，同时他的其中一项使命是“提供平等获取全球尺度地球化学数据与知识共享的机会，架起科学界、决策者和公众之间的桥梁”。科普是知识共享和架起科学界与公众之间桥梁的一种有效途径。 作者：王学求 |
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