量子科学与大数据科学：推动地质学跨越式发展的两大利器

(资料图片仅供参考)

焦守涛1,2，张旗3，汤军4，原杰5，王振6，陈万峰7，蔡宏明8，王跃9

1 中国地质调查局发展研究中心

2 自然资源部地质信息工程技术创新中心

3 中国科学院地质与地球物理研究所

4 长江大学地球科学学院

5 邢台学院资源与环境学院

6 中国地质科学院地质研究所

7 兰州大学地质科学与矿产资源学院

8 新疆大学地质与矿业工程学院

9 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院

作者简介：焦守涛，助理研究员，从事矿床学和地质大数据相关的科研工作。

通信作者：张旗，研究员，从事岩石学和地球化学相关的科研工作。

导读：

一部科学发展史表明，地质发展需要内外两个方面的动力：一个是地质本身的发展，另一个是外来科技进步的推动。例如：地震波观测技术发现地球内部的圈层结构、大洋科学考察发现洋底磁异常条带、大地电磁测量与发现壳幔高导层。

没有科学技术进步，就不能有上述这些新发现成果；如果没有及时应用最新科学技术成果，地质学的发展可能跟不上时代的步伐。

目前，科技发展已进入量子科学与大数据科学时代，大数据研究已在地球科学领域正蓬勃发展，量子科技也开始进入地球科学领域，它们将是推动地质学跨越式发展的两大利器。

本文一是介绍了量子科技的发展、应用与展望问题，探讨了在中国发展量子地球科学的紧迫性和可能性。二是讨论了数学地球科学大数据若干问题：大数据与范式革命、大数据思维、大数据与人工智能、大数据与实用主义，以及地质大数据前瞻与挑战等问题。

开展量子地球科学研究，说不定就能创造一种无法想象的颠覆性找矿技术。地上出露的矿体与隐伏在地下的矿体之间是否存在量子纠缠现象，从原理上应当是可能的。

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0 前言

1 量子地球科学

1.1 量子及量子力学的基础知识

1.2 量子科技的发展、应用与展望

1.3 发展量子地球科学的紧迫性

1.4 发展量子地球科学的可能性

1.5 近期应当关注的研究领域

1.5.1 泛量子理论的研究

1.5.2 从微观粒子出发，寻找地球科学中可能存在的量子效应

1.5.3 量子计算

1.5.4 量子成矿机制研究

1.5.5 量子地球化学研究

1.5.6 纳米研究

1.5.7 量子精密测量

1.5.8 量子矿物学研究

2 地质大数据

2.1 大数据与范式革命

2.2 大数据思维

2.3 大数据与人工智能

2.4 大数据与实用主义

2.5 地质大数据前瞻与挑战

3 几点认识

后记

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0 前言

理科基础学科有数、理、化、生、地5大类。在上述学科中，量子物理学、量子数学（量子计算、量子天文）和量子化学已经成为当代科学飞速发展的引擎。生物学和地球科学均是以描述为主的学科，生物学描述动植物、微生物等的生命形态、行为方式及其与外界环境的相互作用。地质学描述各个圈层中的物质的分布、特征及规律。20世纪，随着基因理论的兴起，生物科学迎来了辉煌时刻，近年来，更是引进了量子科技，使得量子力学在生物科学中的研究俨然成为一个有前景且值得深入的研究方向。量子生物学目前主要着重于对生物现象的量子力学解释，如光合作用、霉的催化作用、鸟类迁徙以及嗅觉等方面。不仅涉及大量的经典物理学理论，也涉及一些量子力学的知识，比如态相干性、量子隧穿和量子纠缠等。看来，在上述5大类学科中，地质学已经沦为垫底的学科了。

一部科学发展史表明，地质发展需要内外两个方面的动力：一个是地质本身的发展，另一个是外来科技进步的推动。目前，量子科学与大数据科学是科学界的两大前缘，我们必须拥抱量子科学与大数据，才能迅速推进地质科学的进步。世界已经进入量子时代、现代科学时代、大数据时代、不确定思维时代，如果我们仍然徘徊在经典力学时代、固定论时代，必定会落后。

地质研究宏观，量子研究微观，二者几乎没有任何联系。许多物理效应无处不在，如万有引力和电磁波。但量子不同，例如量子纠缠和量子效应，它们对实验条件有苛刻的要求，不是随处可见的，需要研究的东西还非常多。

地质科学研究落后，既有主观原因，也有客观原因。主观原因主要表现在人们对地质认知上存在的缺陷，满足于地质是观察科学的认识上而不思进取。客观原因表现在地质现象揭示的不完全，地质观察基本是二维的，很少能够达到三维，而地质基本上是四维的（加上时间），实际上可能是更多维的。现象揭露不完全，就不可能得出正确的认识，地质总体上还是处于“瞎子摸象”的阶段。正是由于地质这门学科本身的特点，地质特别具有吸引力。一个优秀的地质学家，不仅应当具有良好的数理化素养，还应当有艺术家的天赋和哲学家的视野。虽然我们着眼的可能是一个具体的露头，一组简单的数据，但是，需要联系宏大的时空，上天入地，才能得出比较符合实际的认识。因此，做一个优秀的地质学家比做一个优秀的物理学家更难。因为，地质不仅需要精确，还需要想象。

1 量子地球科学

世界上已经有纳米地质学，但是，还没有量子地质学这个术语。量子地质学是什么概念，它研究什么，解决什么问题，有什么特色，前景如何等，均不清楚。我们推进量子地球科学研究的目的，是希望把量子科技的最新成果应用于地球科学，解决地球科学面临的问题；是希望将宏观的研究与微观的研究结合起来，开创地球科学新的研究领域；是希望能够建立一门量子地质学，推进地质学更上一层楼。

1.1 量子及量子力学的基础知识

进入微观世界，人们发现了光的波粒二象性，就意识到光的能量不是无限可分割的，而是一份一份的。来源于英文Quantum一词，即“一份”的意思，由此命名了量子力学，也有人说量子就是能量子。自从有了量子力学，物理学就把过去所有的力学（牛顿力学、电动力学等）叫做经典力学。如果将经典力学运用到微观粒子上，就应该用位置、速度这样的参数来描述它们的状态。然而量子力学中的状态和经典力学中的状态完全不同，量子态的一个特性是，可以叠加且可以随意组合。例如，关在一个盒子中的粒子，可以是在盒子的左边，也可以是在盒子的右边。如果把这两种状态分别叫做|左>和|右>（量子力学中经常用|>符号来表示状态），那么这个粒子会同时在左边和右边。这是微观粒子的状态和宏观物体的状态之间最大的不同，不再是非此即彼。并且，物理学无法准确地预测每一次观测的结果，只能计算出现某一种结果的概率，此即微观世界的不确定性。

微观粒子具有波粒二象性，波的特点是振动着向前传播，它有一个空间上的周期，称为波长（λ），在每一个空间点还有一个相同的振动频率（f）。粒子的动量和能量与波长和频率有关：

p=h/λ

E=fh

式中，h为一个非常重要的数，叫作普朗克常数（h=6.626◊10−34J/s）。

而描述粒子这种波动性的力学量是波函数，其最简单的可能是这样的：

图1 一个自由粒子的波函数

图1所示为一个自由粒子的波函数，虽然自由粒子是波动的，但是它的模是处处相同的，这个粒子有着固定的动量或速度。它没有轨迹，而且它出现在空间任何位置的频率都是一样的，它无处不在。

因此，波函数是量子力学研究的主要对象，该力学量取值的概率分布如何，这个分布随时间如何变化，这些问题都可以通过求解波函数的薛定谔方程得到解答。如此，薛定谔方程就是量子力学中的核心方程，相当于牛顿第二定律在经典力学中的地位。正是基于薛定谔方程的建立，之后才有了关于量子力学的诠释、波函数坍缩、量子纠缠、多重世界的深入讨论。可以说薛定谔方程敲开了微观世界的大门。

量子力学在本质上是以观测和实验为基础的实验科学，量子力学的概念和图像，都是在微观物理经验的基础上建立起来的。测量是量子力学的一个核心概念，Heisenberg测不准原理是量子力学的精髓。

将量子力学引入地学这一偏重实验的研究中，正符合量子力学的初衷。当我们从地学的宏观地质现象进入到微观各种元素世界，在空间和时间的尺度上都减小了5~6个数量级以上，这将会带来全新的物理经验，而这是修改量子力学的某些观念和图像的全新的地质及物理经验，同时，也是建立量子地学的基础。

我们可以预测，现阶段所有关于量子研究的对象，放在地学岩性及其结构的研究范畴都将仅占很小的一部分；而量子力学理论与地学中各类金属元素、微量元素及稀土的研究相结合，必将使量子力学理论发扬光大。

1.2 量子科技的发展、应用与展望

众所周知，物理学是自然科学的前缘领域，而物理学的前缘是量子力学。郭光灿]指出，物理世界分为两大类：凡是遵从经典物理学规律的物理世界称为“经典世界”；而遵从量子力学规律的称为“量子世界”。这两个物理世界有着截然不同的特性，经典世界中物理客体每个时刻的状态和物理量都是确定的，而量子世界的物理客体的状态和物理量都是不确定的，概率性是量子世界区别于经典世界的最本质特征。

郭光灿认为，量子力学是人类迄今为止最成功的理论，此理论衍生出诸如激光（光通信、互联网）、半导体（电脑、手机……）、核能等造福人类一个世纪的先进技术。但自量子理论诞生一百多年以来，科学家关于量子世界的奥秘却一直争论不休，至今仍不知其答案。

量子科学中最神奇的当属量子纠缠理论了。量子纠缠现象是一种超乎寻常的超距作用，这种现象在我们的宏观世界里简直不可想象。当你对一个量子进行测量时，另外一个相距很远的量子也可以被知道，可以被关联测量。量子纠缠这种诡异的现象也困惑着爱因斯坦，以至于爱因斯坦称其为“魔鬼般的超距作用（spooky action at a distance）”。虽然人们无法解释这种非局域性带来的粒子间的内在联系，但是，有越来越多的实验已经表明，量子纠缠的确是微观世界最普遍的现象，而且作为量子信息处理中的重要物理资源已被广泛应用。量子纠缠的这种非局域作用已被广泛应用于量子隐形传态、量子编码、量子纠错、量子密钥分发和量子计算中，对科学界正在产生深远的影响。Wen和LEVIN等指出，量子纠缠是物理学当前面临的一个新的大发展机遇，提出复杂体系里的量子纠缠可能是基本粒子、时空、引力的起源。他认为，长程量子纠缠（Long range entanglement）是凝聚态物理领域里新的物质态起源，因而可能是基本粒子的起源。

潘建伟指出，量子隐形传态是指利用量子纠缠来直接传输微观粒子的量子状态（量子信息），而不用传输这个微观粒子本身。量子隐形传态可以连接量子信息处理单元来构建量子网络，同时也是远距离量子密钥分发所需的量子中继的重要环节，因此，国际学术界将量子密钥分发和量子隐形传态统称为量子通信。量子密钥分发是最先走向实用化和产业化的量子信息技术。量子计算具有强大的并行计算和模拟能力，可为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供解决方案。量子计算机的计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长，一台操纵50个粒子的量子计算机，对特定问题的计算能力就可超过目前最快的超级计算机。

量子信息科技目前主要应用于量子通信、量子计算和量子精密测量3个方面。其中，量子精密测量早在20世纪80年代随着航天事业的发展而备受重视。王中兴认为，经典的精密测量技术往往受限于标准量子极限，其检测灵敏度和稳定性有待提高。量子精密测量技术是一种依据量子力学基本规律，利用量子化的物质、量子相干性或量子纠缠性，完成被测物理量转换的新兴量子物理技术。由于量子精密测量基于微观粒子系统和量子态实现测量，因此，量子精密测量器在灵敏度、抗干扰能力、测量精度和稳定性方面具有远超于经典精密测量器的技术优势。近年来，随着量子理论研究的不断深入，量子精密测量技术获得井喷式发展，并逐渐成为量子物理、应用物理和其他科学领域的研究热点。由于量子精密测量与传统测量相比所具有的非破坏性、实时性、高灵敏性、稳定性和多功能性等优势。未来，随着量子理论及其控制技术的不断发展，量子精密测量器有望在建设工程、矿产资源、自然灾害探测、引力场测量以及医疗健康等领域取得突出应用，具有广阔的发展空间和应用前景。

郭光灿指出，量子科技经历了两次革命，第一次量子革命是基于量子力学原理开发出新型的经典器件（如激光、半导体、电脑、手机等），这些器件遵从经典物理规律。第二次量子革命则是直接开发基于量子特性本身的量子器件，这些器件遵从量子力学规律，它以量子态（量子比特）为单元，信息的产生、传输、存储、处理、操控等全都基于量子力学规律，是地道的量子器件。郭光灿还认为，第二次量子革命还有若干热点问题需要探索。（1）量子世界与经典世界的界限。经典世界和量子世界遵循着不同的物理规律，现实世界中宏观物质(经典)由原子、电子等微观粒子构成，后者属于量子世界，那么，经典世界和量子世界的界限在哪里？（2）量子测量问题。（3）隐变量和非局域问题。（4）量子力学与因果律问题。（5）量子力学与相对论的融合问题等。郭光灿指出，量子力学和相对论是近代物理最重要的两大支柱。然而，这两大支柱之间的融合却是当今物理学最大的困难。在上述关系中，量子纠缠可能起着关键性的作用。正如文小刚所说：万物起源于量子比特和纠缠，复杂体系里的量子纠缠是基本粒子、时空、引力的起源。这一研究想要解决很多基本问题：它首先要统一所有基本粒子，把光和电子统一，也要把引力和空间统一进来。

1.3 发展量子地球科学的紧迫性

在当今量子时代，现代科学时代，大数据时代，地质如果仍然固守野外观察与实验研究两个方法，可能已经完全不能适应新时期科学与经济快速发展的需要了。地质落后的关键，是目前的地质队伍缺少物理学、数学、化学的坚实基础，许多地质理论、模型不符合物理学、数学理论，因此，研究产出往往事倍功半，甚至研究方向上南辕北辙，造成巨大的浪费。地质特别复杂，不仅要上天入地，还要回溯几亿、几十亿年前的场景。因此，地质特别需要创新，需要现代科技的介入，需要哲学的引领。

1.4 发展量子地球科学的可能性

量子研究微观，地质研究宏观，二者不在一个层面上。地质研究主要采用的是确定性思维，而量子是不确定的。例如薛定谔的猫，从确定性角度看，它要么是死了，要以是活着，二者必居其一；而量子理论却认为这是一个既死又活的猫。笔者曾经对全国十多个量子实验室进行了调研（2019—2021年），发现量子研究非常精密，甚至达到可以操控单个光子的程度。从量子角度看地质，地质离科学还有相当的距离，地质的理论、模型、推理基本上还无法与物理学、数学的严密的思维相媲美。

明确发展量子地球科学是否有可能，必须解决下面几个问题。

首先，量子与地质学能否结合，这是摆在我们面前最大的拦路虎。许多人认为量子很神秘，其实量子并不神秘，量子无时无刻不在我们身边。地质上肯定存在许多量子纠缠现象，只是我们不知道或探测不到而已。例如，地上出露的矿床与隐伏在地下的矿床之间是否存在量子纠缠，从原理上应当是可能的。地质学研究已经从岩石、矿物进入元素、同位素、纳米，下一步是否可以达到量子范畴？纳米可能已经表现出某些量子的特性了，看来，量子地质学指日可待。地质从宏观进入微观，这个趋势是肯定的，因为宏观世界是由微观粒子组成的。

其次，如何推进量子与地质学的结合，是我们面临的首要问题（详见后述）。

第三，在中国发展量子地球科学存在许多有利条件：（1）中国政府比任何其他国家政府都重视量子科技，这是在中国发展量子科技最有利的大环境；（2）中国量子科技发展迅猛，尤其在量子实用性技术方面有些已经领先世界，这是非常有利的小环境；（3）在中国，有一批量子学者，有兴趣推进量子与地质学的结合；在中国地质学界，有一批对量子感兴趣、致力于将地质学与量子科学结合起来的先行者，他们是中国发展量子地球科学的生力军，相信他们中的佼佼者可能率先在某些领域取得突破。

第四，存在的问题：（1）量子地球科学没有先例可信，我们是在独创和摸索，困难比想象的大；（2）量子地球科学步履维艰，量子地球科学需要研究，研究需要项目支持，而量子地球科学目前的水平又拿不到项目，拿不到项目即无法开展研究，因此，量子地球科学目前正陷入恶性循环中；（3）量子地球科学能否发展起来存在争论，国际上没有多少人关注，国内大多数专家并不看好，尽管我们坚信不疑；（4）我们希望推进中国量子地球科学的研究，但是，真正的研究还没有开展起来，有些目前只是一个空架子。我们组织了一批量子地球科学方面的稿件，专辑大多处于难产中。我们有许多想法，有些很难落实，有些问题不少。

1.5 近期应当关注的研究领域

在当前国际形势下，加强基础理论研究是中国科学家的重要任务，量子研究是中美科技较量的核心领域，具有可以“一剑封喉”的至关重要的地位。量子地球科学是国际上还没有开展的领域，尽管困难很多，但非常有前景。

量子力学的发展并不平坦，量子的概念是普朗克在1900年提出来的，开始并没有引起学术界广泛的重视，直到1935年爱因斯坦等提出EPR佯谬，引起学术界一场大辩论，才引起学术界普遍的关注。从1964年贝尔提出贝尔不等式，一直到1982年法国阿斯派克特完成了对量子纠缠的实验研究，才结束了这场旷日持久的大辩论，尽管对于量子的争论仍然在持续。可见一个创新的认识有时需要很长的时间才能得到学术界的认可。这期间，普朗克居功至伟，如果没有他的创新研究，量子力学不知道要晚多少年。因此，抓前缘基础理论研究非常重要。在中国目前的情况下，建议量子地球科学可以考虑抓下述几个方面的研究。

1.5.1 泛量子理论的研究

物质的宏观属性与微观属性完全不是一个概念。按照微观决定宏观的自然规律，宏观与微观之间具有某种联系，才谈得上二者的结合。众所周知，地质学主要研究地球各圈层相互耦合关系，可能同样遵守微观量子力学原理。因此，从量子力学层面阐述宏观地学问题是一项亟待突破的重大理论课题。这个问题是全球没有解决的。路来君从微观量子力学与宏观地学属性角度出发，提出了“泛量子理论”的概念，致力于将地质学宏观现象与量子微观过程联系起来，并给出了一系列定量表达的方程模型，路来君称这种研究为地质学的量子化过程，旨在为建立量子地球科学奠定理论基础，同时也为地球科学量子计算提供必要的科学依据。量子地球科学理论主要依靠数学计算推演，这是一个复杂的过程，需要强大的数学功底，非常艰难，非一般人可以承担。该文的理论计算得出的结论表明，量子力学是可以应用于地质科学领域的，其理论成果揭开了量子地球科学新的一页，是量子地球科学全球第一个重要的理论研究成果，有非常重要的理论价值。

1.5.2 从微观粒子出发，寻找地球科学中可能存在的量子效应

就目前来看，地球科学领域与物理学科结合最为紧密的方向之一便是实验地球科学。实验地球科学或称高温高压实验地球科学，是利用高温高压实验装置和技术在实验室模拟地球内部条件，开展地球内部物质属性与过程的研究。由于难以直接观测地球和其他行星内部的物质、结构以及过程，实验地球科学能为获取地球内部物质的物理化学参数、地质过程以及地球形成规律和机制提供强有力的证据。现有实验地球科学的研究已经在模拟地球深部过程方面取得了诸多的进展，对深部物质结构、状态、性质以及元素迁移和富集机制等进行了实验约束。以岩浆作用为例，岩浆作用过程涉及巨量的物质成分变化与能量的转换，其本质是在一定温压条件下岩浆中的原子（或分子）捕获和丢失电子的过程。电子的转移是微观粒子的行为，即量子力学的范畴。现阶段量子地球科学的目标之一，是在地球科学中寻找量子效应。那么，是否可以将现有实验地球科学与实验物理学结合，在原有实验研究基础上进行岩浆作用过程中量子效应的观测，如果观测到量子效应，其是否可以为我们更加精确地理解岩浆作用过程提供依据，该研究方向对研究人员的实验基础和理论物理基础有一定的要求，但不可否认该方向的研究确实是地球科学与量子力学相结合的一个重要课题。

1.5.3 量子计算

众所周知，相比于经典的计算机，量子计算机的应用范围更广，可以解决一些前者无法解决的问题。不管在科学领域，还是民用、国防和商业应用价值方面，量子计算机的研究非常具有吸引力。实现量子计算机需要一连串通用的量子门，包括单比特门和多比特门。量子计算有很多种候选方案，其中，用中性原子实现受控非门的实验原理和方法，及中性原子量子计算可能是一个有前景的选项。

虽然量子计算的未来科学应用已被广泛考虑，但其在地球科学中的应用前景至今还未得到充分研究。随着通用量子计算机和量子模拟器的研发技术的发展，地质学中包括三维波模拟和全波形反演等的计算方法在量子计算中得到扩展和实现。

1.5.4 量子成矿机制研究

我们可以先假设量子成矿过程是指从地球深部沿各种断裂上涌的岩浆热液开始，到形成不同类型矿床的整个过程。其原始状态的岩浆热液，连同其周围的岩浆热场及透岩浆流体，亦如各种元素混合并能自由移动的量子海，犹如流动着的门捷列夫元素周期表，其中蕴含着的各种微量元素也如微观里的泛量子态，在不同的环境条件下，流向不同深度的空间位置，完成成矿作用，形成大大小小的矿床、矿点。而岩浆热液所处的不同环境条件（温度、压力、时间等），包括其所处的外部环境条件，也即成矿元素之量子态共存条件。其中亦有电子、中子、元素（原子），这些量子态自由移动形成平衡态，从而形成各类不同的结构及其形态，同时也为形成各类矿藏做好了基础准备。通过地学大数据分析方法以及由量子计算设计的模拟计算，发现各类元素（量子态）的平衡态、平衡结构，及至平衡条件（环境条件），并由此得到量子成矿机制及成矿过程。

1.5.5 量子地球化学研究

量子地球化学是一个前沿的学科交叉点，地质学家已经尝试性地在地质学多个领域开展了相关研究。量子地球化学研究，是应用量子化学的直接结果研究地质体系的特殊性质。例如，在行星科学研究方面，应用量子力学研究液态铁在行星核内高温高压条件下的热性质；在同位素地球化学方面，应用量子化学计算传统、非传统及碳酸盐13C-18O Clumped同位素分馏系数；在地球物质演化方面，基于量子力学对d10组态团簇与水分子反应的研究，为水体开发和解释自然界水体可能演化途径提供了思路；在解释地史时期的地球特征方面，应用黑洞量子理论的结果，初步解释地史时期地球表面极寒和极热现象。可见，充分发展量子地球化学研究，有利于从基础化学层面深入理解地球各个方面的特性，该方向无疑值得长期重视。

1.5.6 纳米研究

量子与地质离得太远，那就抓纳米，将纳米科技作为地质走进量子的桥梁。其实，纳米地质本身就是一个新鲜事物，纳米尺度存在许多量子现象。研究表明，在原子形成宏观矿物的过程中，纳米级物质是必经的过程。纳米级物质是宏观地质体的最小不可分割单元，尺度再小或者没有了宏观地质体的性质，或者已经成为了分割的单独原子。为此，李国华提出了利用成矿指示矿物的多尺度结构进行深部找矿的思路。地质找矿问题很多，将量子纠缠和隐形传态理论应用于地质找矿可能是未来地质找矿的一个新方向。李国华指出，从矿物形貌中获取宏观尺度的微观信息，从矿物基本结构单元及连接方式中获取介观尺度的信息，从矿物原子核外电子杂化与结合方式以及核外电子自旋及自旋组合方式中提取微观及量子尺度的成因信息，可能是解决上述问题的一把钥匙。期盼可以通过综合分析上述信息并构建成矿指标矿物形成的多尺度结构理论模型，为量子地球科学奠定理论基础。这可能是量子科技与地球科学结合的一个新的切入点。

1.5.7 量子精密测量

量子精密测量一直是国际上关注的焦点，也是大国竞争的热点。鉴于卫星探测技术的需要，美国（例如NASA）早在20世纪后期即开始了量子精密测量的研究。王中兴（私人交流）指出，各式各样的传感技术是制约精密测量精度和深度的主要因素之一，量子传感技术是一种依据量子力学基本规律，利用量子化的物质、量子相干性或量子纠缠性，完成被测物理量转换的新兴量子物理技术。量子传感器在灵敏度、抗干扰能力、测量精度和稳定性方面具有远超于经典传感器的技术优势。近年来，随着量子理论研究的不断深入，量子传感技术获得井喷式发展，并逐渐成为精密测量领域的研究热点。如量子磁力仪、量子重力仪、激光雷达和单光子相机、基于超灵敏激光光谱技术的气态同位素分析仪、基于量子点滤光技术的推扫型机载成像光谱仪等，都取得了不错的进展。发展量子精密测量技术是当前量子科技的三大前缘之一（其余是量子信息和量子计算），无疑是量子地球科学研究应当长期关注的研究方向。

1.5.8 量子矿物学研究

量子矿物学是指以量子力学及量子化学为基础，研究矿物晶体的微观结构和化学键本质及其性能的科学。早期研究者侧重于研究成矿指示矿物的物理性质（如红外吸光度、红外光谱、热点性质、热点系数等）与成矿的相关性，并用于指导找矿。近年来，研究者将量子计算方法用于探讨矿物的物理性质。例如，Jeschke等基于密度泛函理论和量子多体计算方法提出了广义自旋1/2金刚石链模型，用于解释自然矿物蓝铜矿的物理现象（如低温磁化、非弹性中子散射等）。量子矿物学是量子岩石学、量子地质学的基础，地质的物质是岩石，岩石是由矿物组成的。因此，从目前来说，抓量子矿物学是推进量子地球科学研究的重中之重。

量子科学是21世纪科学的前缘，量子地球科学国内外没有先例。这个领域能否做，如何做，是学术界关心的问题。面对西方与中国科技脱钩的威胁，从当前和长远的角度，我们都应当重视这个重要的基础研究领域。我们相信，经过几十年的努力，我们一定会在这个方面有所作为，开辟量子地球科学跨界研究的新征程，争取从根本上改变中国科学依赖西方的状况。

2 地质大数据

量子科技能否应用于地质学，荆棘遍地，前途渺茫；相反，地质大数据已经蓬蓬勃勃地开展了，各行各业如百舸争流，一片兴旺景象。下面谈一谈几个学术界可能关心的问题。

2.1 大数据与范式革命

大数据（Big Data）的概念在1997年首次被提出。按照维克托•迈尔•舍恩伯格的定义：首先，“大数据”并不是很大或很多数据，也不是一部分数据样本，而是关于某个现象的所有数据；第二，由于掌握了关于某个现象的所有数据，那么在统计时就能接受更多不准确的信息；第三，“大数据”的分析着重在了解“是什么”而不是“为什么”。维克托•迈尔•舍恩伯格的定义指明了大数据的研究特点，这与传统地质科学研究理念完全不同。

大数据是第四科学范式，这是一种基于数据驱动的科学研究范式，被认为是以大数据科学为代表的新型科学研究的准则。

什么是范式（Paradigm）？范式一词是由美国哲学家托马斯·库恩提出来的，他认为，科学的发展不是单纯的线性的积累，而是存在一种革命性的突变。对于在某个常规科学时期（库恩的术语）的科学共同体，存在一套公认的科学研究模式，包括科学假说、理论、准则和研究方法，作为常规科学赖以运作的理论基础和实践规范，亦称之为范式。然而，常规科学往往会遇到颠覆科学传统的异常现象，此类异常通常无法与现有研究范式预期保持一致，这促使科学共同体进入非常规的科学研究阶段，通过反思与总结，最终抛弃现有的科学理论，支持另一种与之不相容的理论，完成从一种研究范式到另一种研究范式的转变，从而完成科学的革命，库恩将这个过程称为范式转移（Paradigm Shift）。邓仲华和李志芳认为，科学研究范式是科学研究赖以运作的理论基础和实践规范，是从事某一学科研究的科学家群体共同遵从的世界观和行为方式。例如，地质上有一个时期，固定论学术思想占优，板块构造的兴起改变了地质基础理论。槽台论占优的时期即库恩定义的“常规科学”时期。板块构造取代了槽台论，流行于全球，即是科学范式的转变。板块构造现在风行了半个多世纪，此即板块构造的常规科学时期。待某个新的理论（例如大陆构造理论）诞生并获得学术界的普遍认可时，则迎来了新的范式革命。据此，大数据具有范式革命的含义。宋文婷指出，第四科学范式是基于大数据挖掘与探索的“数据密集型科学”，即大数据范式。它强调把数据作为科学研究的对象，基于数据进行科学研究，而不是仅仅把数据当做科学研究的证据，这就摆脱了先提出理论假设，再搜集数据，然后通过计算来检验理论的模式，构建了基于数据的开放协同的研究模式。它采用数据挖掘和机器学习的方法，侧重于通过信息智能设备的收集或模拟来产生大量的数据，然后通过算法分析已知数据，从而寻找相关关系和因果关系得出之前未知的结论。

大数据存在于任何行业和领域，通过对大数据的挖掘可以发现事物运行和事物发展的规律。大数据分析是今后各学科和经济社会领域不可回避的重大课题，美国政府认为大数据是“未来的新石油”。谁掌握了大数据技术，谁就掌握了发展的资源和主动权。大数据已成为信息主权的一种表现形式，将是继边防、海防、空防之后大国博弈的另一个空间。

作为人类的新型战略资源，大数据已成为知识经济时代的战略高地。科学大数据作为大数据的重要分支，具有不可重复性、高度不确定性、高维性及计算分析高度复杂性的内部特征，以及在数据内容、数据体量、数据获取、数据分析等方面的外部特征，这给科学大数据的处理技术与方法提出了新的挑战。正如周永章等所指出的，大数据正在引发地球科学领域的一场深刻的革命。

2.2 大数据思维

什么是大数据，有一种见解认为，超过1TB数据量的才算大数据，1TB是多少？1TB＝1024GB，1GB＝1024MB，1MB＝1024KB，1KB=1024B，字节（Byte）是计算机数据的基本存储单位，在电脑里一个数字和个英文字母占1个字节，一个中文字占2~3个字节。那么1TB即万亿个字节了。地质里哪里有这么多字节的资料？按照这种说法，地质即无缘大数据了。其实大数据的关键不在于数据量的大小，而在于思维的创新，在于是否采用大数据方法，是采用数据驱动模式还是理论驱动模式。纵有海量的数据，如果只是拿这些数据去验证理论，把数据作为证据的一环，那么仍然不是大数据方法。

不可否认，海量数据和全样本数据模式不可避免带来了数据收集的混乱，这种收集过程中的不精确性是大数据允许的。海量数据+混乱=思维的变革。大数据时代的思维的核心，是将研究的目的从因果性转向相关性。思维的转向不代表对因果性的完全否定，甚至相关性的分析还可以为因果性的探寻做铺垫。一言以蔽之，大数据思维即以大数据为视角来分析问题和解决问题的思维方法。那么，大数据思维在今天表现有哪些呢？

（1）4V即大数据思维。4V即海量（Volume）、多变（Velocity）、多样（Variety）以及不确定性（Veracity）。关注4V即大数据思维。

（2）从追求因果关系转变为追求相关关系。与传统科学研究不同，大数据不再是对因果关系的追求，而是对相关关系的挖掘。大数据追求相关关系，并不是一种“退而求其次”的策略，相反，它得益于大数据的支撑，使原本无法被洞察和挖掘的相关信息能够被用于数据分析和预测，这种相关性作为大数据内部的某种特征客观存在，可以帮助我们更好地捕捉规律、预测未来。显然，对相关关系的关注已成为今天认识数据世界、解释数据世界、改变数据世界的重要方式。

（3）只要知道“是什么”，不需要知道“为什么”，即是大数据思维。“是什么”是大数据给出的结果，肯定可靠；而“为什么”则需要反复论证，其结果并不一定可靠。

（4）采用数据驱动模式，采用全数据模式，改变传统科学的理论驱动模式和抽样数据方法，即是大数据思维。理论（或模型）驱动模式，难免掺杂人为因素的色彩。Anderson认为，海量数据使传统科学方法过时了。Norvig甚至认为，所有的模型都是错误的，没有模型也可以成功。

（5）从本质上说，大数据思维就是一种非线性思维。非线性思维与大数据思维都属于开放的、动态的思维。非线性思维源于世界的不确定性，世界的本来面目是不确定的，变化是绝对的，稳定是相对的。大数据世界数据多样复杂，传统的结构化数据、半结构化数据和非结构化数据共同充斥数据世界中，同样呈现出不确定性。

因此，大数据思维从本质上来说也是复杂性思维。大数据思维可以概括为：以大数据为基础，挖掘事物或对象之间的相关内在关系，通过对相关关系的分析和对事物的未来变化趋势做出预测并利用数据在复杂系统中做出最佳判断的思维方式。

2.3 大数据与人工智能

大数据（Big Data）和人工智能（Artificial Intelligence，AI）是当前在自然科学、社会科学以及经济学等多个领域非常流行以及政府和大众所关注的话题。它和人们的生活越来越密切，这也让科学家们自觉不自觉地希望引入并应用到各自的研究领域。人工智能是通过计算机程序实现机器的智能化，来模拟人类智能和行为。进入21世纪以来，随着大数据的发展和计算机算力的爆发式增长，机器学习和人工智能也得到了飞速发展。尤其是谷歌公司研发的阿尔法狗（Alpha Go），2019年谷歌研发“量子霸权”，2023年微软发布chatGPT，再次表明，量子计算机和大数据将极大地推动复杂人工智能、深度机器学习与机器阅读等技术的发展。

目前，在大数据技术支持和思维方式转变下，人工智能范式不断变革，主要形成了以感知为中心人工智能范式、数据为中心人工智能范式、人脑科学人工智能范式与人工计算人工智能范式等，为人工智能范式创新提供了有力的技术支持。在地学领域，Xiong and Zuo 构建了基于深度自编码网络结构的多元勘查地球化学数据挖掘与异常识别模型。Zuo等提出了多元勘查地球化学数据挖掘与识别方法分类方案。Zuo and Xiong指出，基于大数据思维和机器学习更能凸显矿致异常。Xiong等利用地质、地球物理、地球化学等42个预测变量作为深度学习的输入信息尝试圈定找矿远景区。利用地质学多源异构多模态、高度时空性、大容量高相关、低价值密度、具复杂性与不确定性的数据，加之大数据的思维，机器学习、深度学习等人工智能技术，解决地学问题的时机可能已经到来，这肯定是地质学上的又一次革命。

2.4 大数据与实用主义

“实用主义”似乎是一个贬义词，指的是那些只看眼前利益而不顾长远利益的行为，指那些只顾实用而不讲原则、目光短浅的人。在一般人的印象中，实用主义哲学也归于应当批评的行列，实际上这是一种误解。

实用主义（pragmatism）是一种哲学流派，产生于19世纪70年代，在20世纪的美国成为一种主流思潮。实用主义是一种方法论，它不是去看最先的对象、原则、模型和理论，而是去看最后的结果、效益、利润和价值。实用主义是从“效果”出发，而不是从“概念”出发去认识世界。实用主义认为，一切概念都要回到经验中去检验。如果经验证明这个概念是有效的，这个概念即真理。实用主义不纠结于永恒的真理（绝对的真理）是什么，而只需要根据当前的信息，判断最可能的真理是什么就可以了。实用主义重视以效用原则为基础的实用主义真理观。这个思想是实用主义奠基人詹姆士提出的，詹姆士说：它是有用的，因为它是真的；它是真的，因为它有用。皮尔士继承了詹姆士的原则，明确提出“真理就是有用，有用就是真理”的著名公式。

仔细探究，大数据似乎就具有实用主义的这个特征。数据驱动模式的一个重要特征就是从数据出发，而不是从理论、概念、模型出发。科学研究有两个目的：一个是解决生产和生活中的实际问题，另一个是促进科学和理论的发展。促进科学发展是为了更好地解决问题和解决进一步出现的问题。应用研究主要专注于前者，基础研究主要专注于后者。科学研究有没有价值，不是看文章有多少，影响因子是多少，而是看解决了多少问题，实际效果如何。大数据直面效果、直面价值，它不纠缠什么概念、理论、模型如何如何，只认结果，实用就好，解决问题就好。看来，大数据属于实用主义哲学体系，大数据与实用主义是天然的盟友。在大数据时代，实用主义应当可以一扫过去被曲解的雾霾，焕发出新的光辉。

2.5 地质大数据前瞻与挑战

近年来，地质大数据在地球科学各个领域蓬勃展开，取得了很大的成绩，推进了地质学科的进步。周永章等指出，机器学习是使计算机具有智能的根本途径。深度学习，即多层神经网络的方法，是一种实现机器学习的技术，是过去几年大数据与数学地球科学研究的最重要的热点。贝叶斯网络是贝叶斯公式和图论结合的产物，可用来建立矿床地质的成因网络，进而理解矿床成因。地质大图形问题可以转化为大型的复杂网络空间问题和社区结构问题，社区分析技术可用于地震预报、地质网络分析、特殊地质现象识别、矿床预测。关联规则和推荐系统算法在地质研究中已有成功的应用实例。化探数据及其异常经常包含复杂和非线性模式，深度学习在智能识别与提取复杂地质条件下地球化学异常具有优异的能力，卷积神经网络、堆叠自编码机等是较为常用和有效的方法。非线性矿产资源预测、基于GIS和三维地质建模的三维成矿预测及相应的软件系统得到持续改进。三维虚拟仿真建模技术的应用实现了多模态、跨尺度地学虚拟现实与多维交互，地质过程数值模拟等已有创新性进展。区块链技术以及One Geology、玻璃地球、深时数字地球等大地质科学计划，将在整合全球地质大数据、共享全球地学知识、推动数学地球科学学科发展方面起到重大的推动作用。许多学者均对大数据与人工智能在地质学科上的发展寄予期望。吴冲龙和刘刚结合地质实践，提出了基于大数据的新地学观，指出，在第四科学范式的支持下，地球科学应当建立与该范式相适应的新地学观。这种新地学观以追求多种地质要素之间的相关关系为主要目标，研究方法采用全数据模式、数据驱动模式，通过无模型的大数据挖掘发现新知识。安培浚等指出，地球大数据具有海量、多源、异构、多时相、多尺度、高度复杂、非平稳、非结构化等特点，为地球科学中的数据密集型研究提供了支持。文中建议我国应尽快建设多学科知识系统数字化连接新平台，利用先进的信息技术（如云计算、并行计算、超级计算、复杂网络、知识图谱、机器学习和人工智能等）对快速增长、异构、多源的海量数据进行数据挖掘、知识发现，促进复杂模型的开发，增强数据驱动和模型驱动方法的融合，为地球科学研究提供不可或缺的支持。

笔者认为，大数据科学今后的发展方向可能存在以下两个方面的挑战。

（1）完善基于大数据的计算理论并寻求更快的计算。就当前来看，量子计算是解决这个问题的最佳途径，各国为什么异乎寻常地关注量子计算，这是有原因的，不是空穴来风。量子计算是量子科学首先需要发展的方向，量子计算将彻底改变传统大数据计算的困境，推进科学巨大的进步。

（2）发展与人工智能结合的智能大数据技术。使新一代人工智能作为推进产业变革的核心驱动力，促进生产力水平的飞速提高，加速新一轮科技革命和产业变革。目前的大数据科学主要扮演人工智能的支撑者角色，随着人们生活水平的不断提高，基于大数据的智能融合计算、认知、推理与创造技术仍是未来科学研究的重点突破口。

3 几点认识

中国地球科学问题在哪里，我们该怎么做，如何跨越式发展，本文提出以下几点认识。

（1）中国地质急需创新。自然科学是舶来品，源自西方。无论地质学、物理学、数学，其中有千千万万个定律、定理、公式、模型、假说、理论，基本上都是外国人提出的，中国人的贡献很少。由于几代中国人的不懈努力，目前，我们的科学技术水平已经大大提高了，我们的SCI数量全球领先了，但是，其中大多是跟踪式的研究，是在用中国的实践去证明外国人的理论。本文认为，学习外国先进科学理论是对的，但是，要独立思考，不要把精华和糟粕一起学过来。地质不同于物理、数学、化学，地质有地方性，是理科各门类中最有希望走在世界前列的。因为，地方性的东西研究透了，就有可能变为具有全局性的理论，例如欧洲人对阿尔卑斯地质的长期研究，使欧洲地质学家长期处于全球领先地位。地质在进步，这是毫无疑问的，但是，地质存在危机，这个危机几乎是全方位的，主要表现在研究思维、研究方法上，是时候应当予以改变了。改变地质的方法很多，我们认为，量子和大数据应当是两个最有前景的方向。

（2）量子地球科学是量子与地球科学的结合，是当前地球科学研究的具有超前性的研究方向，值得大力探索。量子是现代物理的重要概念，即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。量子是把光、磁、电、热等转化为不连续的量子单元。因此，从总体上，量子应该是一个概念，一个研究领域中最小的不可分割的物理单元，和原子、夸克一样。而量子纠缠、量子效应等则更加扑朔迷离，颠覆了早先的认识。上述是从战略上出发，解决量子地球科学这个方向“能否做”的问题。而从战术上来说，则要解决量子地球科学“如何做”的问题。例如，如何从“第一性”原理出发探讨地球科学的最小研究物理单元，目前地球科学的研究精度有没有达到量子级别，结合量子纠缠、量子效应等现象，有没有可能在地球科学领域中发现，或者怎么做才能发现，可能解决什么问题，量子地球科学如何实现宏观和微观的统一，利用量子科技有没有可能解决目前地质学面临的危机等，通过这些展开研究方向。

从目前的现状来看，学术界绝大多数人是不看好量子地球科学的，认为量子与地质离得太远，地质与量子不着边际，量子地球科学，外国人都没有做，中国人能做吗？实际上，量子既然是物质不可分割的最小单元，而地质学研究的物质也是由最小单元组成的，橄榄石的最小单元应当不同于石英的最小单元，是上述最小单元决定了其宏观表现橄榄石与石英的种种不同的。量子纠缠是自然界的普遍现象，问题是如何发现它，利用它。目前，量子已经广泛应用于数学、物理学、化学领域。量子计算全球研究你追我赶；量子物理四面开花，朝气蓬勃，发展异常迅猛；量子化学早已成为一门独立的学科；甚至连量子生物学最近也取得了突破性的进展，唯独量子地球科学一文不名。看来，量子地球科学明显落伍了，我们不能还徘徊在量子科学的大门口，还在犹豫量子地球科学该不该做，能不能做。

（3）地球科学领域要全面开展大数据研究。量子地球科学可推进物理学与地质学相结合，地质大数据则是数学与地质学相结合，是推进地质从学科进入科学殿堂的手段。按照维克托•迈尔•舍恩伯格对大数据概念的认识，大数据并不神秘，大数据也不要求数据量的庞大（这是阻碍地质大数据开展的一个错误的认识）。开展大数据研究的条件并不苛刻，其实非常简单：有数据即可，有大数据思维即可，采用数据驱动模式即可，采用全数据模式即可，改变科学研究追求因果性的思路，重视对相关关系的挖掘即可。鉴于归纳法本身的不足，归纳得不到具有全称含义的理论。在这情况下，只有“归纳+大数据”才是科学研究的最正确，最可靠的方法。因此，我们不论从事哪项科学研究，都应当尽可能地引进大数据方法和大数据思维。基于此，本文认为，大数据人人需要学。年轻人要积累数理化知识，尽可能采用大数据方法开展研究；不懂大数据的，也要尽可能采用大数据思维进行研究，从归纳法的束缚中解脱出来。能够采用全数据模式的尽量采用全数据模式；改变追求因果关系的思路，从相关关系中挖掘新的思想。大数据研究中，人工智能是核心，从实质意义上甚至可以说，量子和人工智能是改变地质的两大利器。而从普及的角度才说大数据，实际上应当强调的是人工智能。在大数据研究方面，笔者担忧的是：在中国发展大数据，一个最大的障碍是数据共享问题，这个问题不解决，中国大数据不可能得到快速的发展。

（4）量子地球科学何去何从。量子物理学、量子数学（量子计算）、量子化学是引领全球科学的引擎；量子生物学近期取得突飞猛进的进展；唯独量子地质学踌躇不前，这是非常令人尴尬的一件事情。量子力学可以应用于化学、生物学，为什么不能应用于地球科学？我们必须摒弃落后的、狭隘的观念，大力推进量子地球科学的发展，推进地质迈上新台阶。但是，由于量子地球科学的难度不是一般的大，我们可能成功，也可能失败。失败不可怕，只要方向是对的，就继续重来。我们需要的是未雨绸缪，加大理论研究的深度，从大处着眼，从小处着手。量子地球科学虽然问题很多，但并不是遥不可及，我们不能放弃努力，我们必须从现在开始做起。有人认为，量子地球科学，外国人还没有做呢，我们不用着急。我们不这样认为，鉴于中国具有的某些优越条件，鉴于这个问题的重要性，我们应当义无反顾地去披荆斩棘，去攀登这座高峰，而不满足去“嚼别人吃剩的馍”。还是文小刚说得好：创新就是做自己最欣赏的东西，不管别人有没有在做。

鉴于大数据已经在地球科学界蓬勃展开，鉴于普及大数据的重要性。我们呼吁：地质人，人人需要大数据；能够学、有精力学的人，要尽可能利用一切机会多学习一些大数据方法；没有精力学的，也不是不可以做大数据研究，方法是将大数据思维融入自己的研究中。

后记：

宇宙奥妙无穷，人的认识只达到宇宙全部知识的4%，还有95%以上是人所不知道的。事物有一维、二维、三维和更多维之分，我们即生活在三维世界（欧式几何和非欧几何中的三个长度轴），加上时间（相对论中的时间轴）为四维，而宇宙可达21维甚至更多。科学越发达，各种光怪陆离的东西就越多。量子纠缠非常神秘，我们对它的了解还非常肤浅，实际上量子纠缠并不神秘，它无时无刻不在我们身边。按照今天的认识，量子纠缠的速度不可能超过光速，这个限制终会有打破的一天。“没有做不到，只有想不到”这句话本文是赞同的。量子地学加持，见微知深，使我们意识到在地学的“复数”世界里存在多样性和多选性，而我们一旦从中做了选择，其他的可能性就会坍塌；大数据驱动，跳出了人类思维的舒适区，将在地学面前显现出前所未有的价值和潜力。量子地球科学小组的宗旨就是4个字：天马行空。没有这种精神，这种志气，是什么都干不成的。人类的思维方式，决定了这个时代的科技发展水平。我们的思维方式只有跟上时代的步伐，与时俱进，才会对人类发展做出切实的贡献。

研究中得到南京大学龚彦晓教授、成都理工大学路来君教授、中国地质大学（武汉）左仁广教授、中国科学院地质与地球物理研究所王中兴研究员的帮助，特致谢意。感谢中国科学院武汉精密测量科学技术研究院拜合提亚尔·买买提博士对本文的修改。特别感谢审稿专家对本文的评论、批评和建议，本文作者经过认真的讨论，对文章做了进一步的修改，文中的讨论部分吸收了审稿意见中非常有见地的评论，也表明了笔者对科学探索的渴望。

原文来源：《地学前缘》网络首发论文，首发日期：2023-01-13。

ISSN1005-2321，CN11-3370/P