地球具有物理和化學(xué)屬性。地球的物理屬性包括大小、空間、形狀、密度、電性、磁性、引力、運動等，研究地球這些物理屬性的學(xué)科叫地球物理。地球的化學(xué)屬性包括化學(xué)元素及其化合物的組成、含量、分布、變化等，研究地球化學(xué)屬性的學(xué)科叫地球化學(xué)。

“化學(xué)地球”不是一個學(xué)科概念，而是特指將組成地球的巖石圈、土壤圈、水圈、大氣圈和生物圈的化學(xué)元素及其化合物的含量和時空分布生成矢量圖形，以圖形化和可視化形式展現(xiàn)在地球上，是一種數(shù)字地球。用地理信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和空間大數(shù)據(jù)技術(shù)，生成一個虛擬的“化學(xué)元素地球”，便于大家從互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行查詢和使用。

進(jìn)入“化學(xué)地球”，你將知道：你佩戴的金銀首飾是哪來的；哪里產(chǎn)的大米可能含鎘；哪里的地下水可以直接飲用；我們呼吸的空氣除了PM2.5，還含有哪些重金屬和有機污染物。

一

“衣”——你佩戴的金銀首飾是哪來的？

廣義的“衣”已經(jīng)超越了防寒保暖的功能，作為女士，你們可能都佩戴過金銀首飾。你知道這些貴金屬是哪來的嗎？

它們來自于一種叫做貴金屬的礦產(chǎn)資源。貴金屬礦產(chǎn)資源包括金、銀、鉑金族（鋨、銥、鉑、釕、銠、鈀）。貴金屬的貴重，不僅體現(xiàn)在它的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被腐蝕，金光燦爛，還體現(xiàn)在它儲量的稀少。這些貴金屬在地球上含量極低，在地殼中的含量只有十億分之幾到百億分之幾。要富集1 000 倍以上，即百萬分之幾，才能成為人類現(xiàn)有技術(shù)能夠提煉的礦床。

如金在地殼中的平均含量只有十億分之一，要成為人類能夠開采的礦床，必須富集到百萬分之二以上，即一噸礦石中要含有2 克黃金才能被開采利用。就是說你要戴一個5 克的戒指，要開采至少3 噸的礦石，因為，礦石中的金不能被100% 提取出來。

金可能是被人類所利用的第一種金屬，由于它可以在砂礦中以自然金的形式產(chǎn)出，因而不需要復(fù)雜的分離技術(shù)就能夠?qū)⑵浞蛛x出來。它的開采歷史可以追溯到6 000 年以前。在文明古國埃及、中國和印度，黃金很早就被用作裝飾品和首飾。正是由于它的自然魔力和永恒價值，吸引人們頂嚴(yán)寒，冒酷暑，遠(yuǎn)涉重洋，跨越崇山峻嶺，穿越戈壁沙漠、茂密森林去實現(xiàn)尋金夢。經(jīng)過幾千年的尋找，地表已經(jīng)難以憑肉眼和經(jīng)驗找到金光燦燦的黃金。

20 世紀(jì)中后期，一種叫做地球化學(xué)填圖的技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于找金中。地球化學(xué)填圖就是通過地球表面系統(tǒng)的采樣，應(yīng)用現(xiàn)代實驗分析技術(shù)，將檢測結(jié)果繪制成地球化學(xué)圖，根據(jù)含量的高低圈定異常區(qū)，再進(jìn)行鉆探，直到發(fā)現(xiàn)金礦。今

天地球化學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，不僅可以檢測到十億分之幾含量的金，而且還可以觀測到納米顆粒的金。技術(shù)的進(jìn)步大大提高了我們的肉眼分辨能力，可以有效地發(fā)現(xiàn)我們以前無法觀測到的金礦。

中國是目前世界第一產(chǎn)金大國，這得益于使用地球化學(xué)技術(shù)在中國發(fā)現(xiàn)近1 000 處金礦床，占已發(fā)現(xiàn)的金礦儲量近一半左右。當(dāng)你佩戴金銀首飾時，別忘了有我們這些地球化學(xué)工作者的功勞。由此觀之，化學(xué)地球是不是與 “衣”有很大關(guān)系呢？

二

“食”——大米中的鎘是哪來的？

說完了“衣”，我們再說“食”?！版k大米，又是鎘大米”。媒體曾多次報道，大米中鎘超標(biāo)事件。鎘在元素周期表中排在第48 位，鎘的毒性較大，最早發(fā)現(xiàn)鎘中毒事件是日本的“痛痛病”。

“痛痛病”起源于日本富山縣，1931 年出現(xiàn)，病癥表現(xiàn)為腰、手、腳等關(guān)節(jié)疼痛，行動困難，甚至呼吸都會帶來難以忍受的痛苦。到了患病后期，患者骨骼軟化、萎縮，四肢彎曲，脊柱變形，骨質(zhì)松脆，就連咳嗽都能引起骨折。患者不能進(jìn)食，疼痛無比，常常大叫“痛死了！痛死了！”這種病由此得名為“骨癌病”或“痛痛病”。

病因是由于一處煉鋅廠排放的廢水中含有大量的鎘，整條河都被煉鋅廠（鎘總是與鉛鋅礦伴生）的含鎘污水污染了，農(nóng)民用河水灌溉稻田，水稻吸收鎘，稻米富集大量的鎘，然后又通過食物鏈，使這些鎘進(jìn)入人體富集下來，造成鎘中毒。

土壤被鎘污染主要通過如下幾種途徑：

• 一是有色金屬開采與冶煉，含鎘粉塵向四周擴散，經(jīng)自然沉降，蓄積于工廠周圍土壤中，含鎘廢水進(jìn)入水系，灌溉農(nóng)田，使土壤受到鎘的污染；

• 二是電鍍廠，鎘被用于金屬件的電鍍，電鍍廢液進(jìn)入水體，污染土壤；

• 三是鎳鎘電池，鎳鎘電池最早應(yīng)用于手機、電動玩具、電動工具、剃須刀等，也用于汽車、飛機等發(fā)動機的啟動電源。由于廢棄鎘鎳電池往往隨生活垃圾一起進(jìn)入水體和土壤，對環(huán)境產(chǎn)生污染，鎳鎘電池逐漸被鋰電池等取代；

• 四是磷肥的大量施用，我國四川、云南都有磷肥廠，生產(chǎn)磷肥的磷塊巖含有一定量的鎘，特別是南方地區(qū)，為了確保一年三季高產(chǎn)，又大量施用磷肥，加重了土壤污染。

我們國家對土壤環(huán)境質(zhì)量限值的規(guī)定是：

• 一級土壤鎘的含量限值為百萬分之零點二（大于這一限值為輕度超標(biāo)）；

• 二級土壤限值為百萬分之零點三（大于這一限值為中度超標(biāo)）；

• 三級土壤限值為百萬分之一( 大于這一限值為重度超標(biāo))。

根據(jù)全國地球化學(xué)基準(zhǔn)網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，2010 年與1995 年相比，三級土壤的比例從0.4% 增加到2.1%，二級土壤比例從4.3% 增加到12.3%。主要分布于湖南、貴州、廣西、云南和四川，除此之外珠三角、長三角、環(huán)渤海地區(qū)的城市

群鎘含量也顯著增加，這反映了15 年來人為原因注入的加重，值得高度關(guān)注。

要從根本上清除“鎘米”，先要遏制日積月累的土壤鎘污染，斬斷排污源頭。土

壤的重金屬污染不僅是鎘，還包括其他重金屬，如汞、砷、銻、鉛、鉻、鎳、鋅，等等。糧食生于土長于地，為了我們的健康，每個公民和企業(yè)除了遵守國

家有關(guān)環(huán)境保護法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)以外，還應(yīng)了解環(huán)境保護知識，如減少重金屬的排放。

三

“住”——裝修使用的建筑材料有放射性嗎？

說完了“食”，我們再說“住”。我們使用的建筑材料水泥、磚瓦、石材來自巖石，巖石是由硅、鋁、鈣、鐵、鉀、鈉、鎂、錳、磷、鈦、碳、氧等造巖元素組成的。家里裝修也許會用到石材，如大理石、花崗巖，等等。出售者往往會介紹這些都是大理石。

其實大理石和花崗巖成分差別極大，大理石主要成分是碳酸鈣或碳酸鎂，由鈣（鎂）、碳和氧組成，對健康無害?；◢弾r就有放射性，有一種含有粉紅色或肉紅色的花斑狀花崗巖，含有一種叫做鉀長石的礦物，其中鉀40 本身就是一種放射性元素，還會含有一些鈾、釷等放射性元素。放射劑量達(dá)到一定值，就對人體健康造成危害。

地球化學(xué)工作者把每一種巖石和土壤中的元素含量都測出來，是為了告訴人們，鉀的含量是多少，哪些鉀會產(chǎn)生放射性，放射性計量率有多高，對身體是否有害。全球地球化學(xué)家正在合作，建立一張全球地球化學(xué)基準(zhǔn)網(wǎng)，就包含鈾、釷、鉀三個放射性元素含量基準(zhǔn)及其在空氣中的放射性吸收劑量率，以便實時監(jiān)測人為活動引起的放射性注入量。這張看不見的地球化學(xué)網(wǎng)就是在守護著你的健康。

四

“行”——你每天排放多少二氧化碳？

說完了“住”，我們再說“行”。現(xiàn)代社會，行已經(jīng)離不開小汽車。我們就從小汽車排放說起。我們上中學(xué)就知道，地球大氣圈除了水汽以外，氮占78.08%， 氧占20.95%， 氬占0.93%，還有少量的二氧化碳。

今天，大氣中二氧化碳含量是385ppm（0.038%,1ppm 等于百萬分之一)。你知道100 年前大氣中二氧化碳濃度是多少嗎？ 100 年前為280ppm，比現(xiàn)在低100ppm。工業(yè)化時代的200 年前是180~280ppm。

國際多個研究組織對過去1 000年的全球溫度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，從20 世紀(jì)初開始至今，地球表面的平均溫度增加了約0.6℃，全球變暖的程度超過過去400~600 年中任何一段時間。盡管變暖的原因，各種研究觀點存在較大爭議。但主流觀點認(rèn)為人類工業(yè)化以后燃燒化石能源（煤炭、石油、天然氣等）產(chǎn)生二氧化碳，使大氣二氧化碳濃度從工業(yè)化前的180~280ppm，增加到現(xiàn)在的385ppm。

大量的二氧化碳，對來自太陽輻射的可見光具有高度透過性，而對地球輻射出來的長波輻射具有高度吸收性，能強烈吸收地面輻射中的紅外線，導(dǎo)致地球溫度上升，即溫室效應(yīng)。盡管二氧化碳的排放主要來自煤炭的燃燒。但也許有你的小汽車燃油的小小貢獻(xiàn)。一般情況下，1 升燃油排放2.3千克二氧化碳，家用小轎車平均百千米燃油10 升，每天行駛50 千米, 每天排放二氧化碳大約10.5 千克，每年排放的二氧化碳大約3.8 噸。

除了人類燃燒化石能源排放二氧化碳以外，還有自然排放嗎？自然界還會有二氧化碳吸收嗎？答案是肯定的。作為地球化學(xué)工作者，更多會考慮自然引起的碳排和碳庫。自然源碳排放主要是含碳質(zhì)巖石和碳酸鹽巖的風(fēng)化，如炭質(zhì)頁巖風(fēng)化會排放二氧化碳，碳酸鹽巖（石灰?guī)r）在酸雨條件下風(fēng)化也會釋放二氧化碳。

含碳質(zhì)巖石碳排放計算很復(fù)雜，需要測定巖石中碳的含量，包括全碳和有機碳，根據(jù)巖石風(fēng)化速率，含碳質(zhì)巖石出露面積，有機碳氧化成二氧化碳的比例等，計算釋放的碳量。我國酸雨區(qū)的面積有100 余萬平方千米，碳酸鹽巖會被分解。

從全國氧化鈣地球化學(xué)基準(zhǔn)圖可以看出，酸雨區(qū)碳酸鈣的含量明顯偏低，與酸雨分布具有一致性。按每年巖石風(fēng)化2毫米計算，每年釋放的二氧化碳會達(dá)到10 億噸，我們國家化石能源（煤炭、石油、天然氣）燃燒，每年排放的二氧化碳大約在25 億噸左右。

大自然本身是一個物質(zhì)和能量循環(huán)的過程。海洋每時每刻都在形成碳酸鹽巖，這一過程會吸收大量二氧化碳，土壤及植物也會吸收一部分二氧化碳。大家知道恐龍時代的侏羅紀(jì)大氣中二氧化碳含量是多少嗎？是大約1 500ppm，可能為現(xiàn)在的4~5 倍。

侏羅紀(jì)溫暖潮濕，植物生長茂盛，這一點從北方大量形成的煤炭就可以看出。植物越茂盛，光合作用就越強，海洋生物大量吸收二氧化碳轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)灰?guī)r（碳酸鈣），消耗大氣中的二氧化碳就越多。結(jié)果大氣中二氧化碳就減少了。二氧化碳的減少必導(dǎo)致大氣保溫能力減弱、溫度降低。地球就是這樣周而復(fù)始地運行了46 億年。我們不必為地球的一次冷暖過度擔(dān)憂，但節(jié)約能源、減少排放是應(yīng)該大力提倡的。

五

化學(xué)地球探索的不盡話語

人類面臨全球性環(huán)境變化和資源短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，聯(lián)合國教科文組織需要一個權(quán)威機構(gòu)提供全球性、系統(tǒng)性和持續(xù)性的地球化學(xué)觀測數(shù)據(jù)。

聯(lián)合國教科文組織全球尺度地球化學(xué)國際研究中心的成立就是為了獲得這種權(quán)威的科學(xué)數(shù)據(jù)，同時他的其中一項使命是“提供平等獲取全球尺度地球化學(xué)數(shù)據(jù)與知識共享的機會，架起科學(xué)界、決策者和公眾之間的橋梁”。科普是知識共享和架起科學(xué)界與公眾之間橋梁的一種有效途徑。