地质科学是一门源远流长的学科，一代代地质工作者的心血汇成了海量的地质科学信息。如何把这些数据组织成一个超大型共享数据库，已经成为地质科学中一项重要的工作。深时数字地球(DDE)就是这样一个极具雄心的大科学项目。但其在目前的实际执行中，也无法关注到分散在科学家个人或实验室中的数据。与此同时，如何让不同的地质工作者彼此信任地去协作完成数据库的管理，也成为一个备受关注的问题。

随着技术的不断发展，人类已经叩响了区块链时代的大门。区块链作为一项颠覆性技术，许多国家、行业、领域正在寻找它的创新应用。目前，美国、日本、欧盟、中国等国纷纷将区块链发展上升为国家重要发展战略，大力推动区块链技术研发和应用推广。

在地质领域，区块链的应用几乎处于空白的状态。因此，对区块链与地质科学研究的结合变得非常有探索价值。本文着重讨论区块链的基本理念和可能的地质应用场景。

1.   区块链的前世今生

比特币是区块链技术最早的应用。Nakamoto^[1]在《比特币：一种对等电子现金系统》中提出用一种加密链式区块的数据结构组成一个不可篡改的分布式账本，记录比特币的交易账目信息，使达成交易一致的双方无需第三方中介即可直接进行支付。

作为比特币技术核心的区块链技术是具有普适性的底层技术框架。按照发展脉络，区块链技术的发展分为1.0、2.0、3.0三个阶段^[2]。

区块链1.0以比特币为代表的数字货币的应用为标志。区块链技术解决了数字加密货币领域2个重要问题, 即双重支付问题和拜占庭将军问题，构建了一个去中心化的可信任系统。这种点对点的交易方式、去中心化的运维模式，给金融相关行业带了巨大的冲击，使原有的中心化信用向去中心化的算法信用变革。

区块链2.0以智能合约的引入为标志。它以计算机程序的方式缔结和运行各种合约，可以提供除货币交易功能外更灵活的合约功能，执行更复杂的操作，极大地提高了区块链技术的灵活性。区块链技术为智能合约提供了一个可靠执行的环境^[3]。智能合约可以接受来自外部的交易请求和事件，通过触发运行提前编写好的代码逻辑，进一步生成新的交易和事件，可进一步调用其他智能合约。其执行结果对区块链上的账本状态进行更新，这些修改经过区块链网络中的共识，确认后无法被伪造和篡改。目前，智能合约在数字资产的确权、存证、溯源等领域已经得到了很好的应用^[4]。

区块链3.0以可编程社会为主要特征^[5]，在社会治理领域有重要的应用场景^[6]。在履行智能合约的基础上，区块链3.0可以为区块链加入权限管理、高级编程语言支持等，是更强大的、支持更多商用场景的区块链技术，可以应用于身份认证、公证、仲裁、审计、域名、物流、医疗、邮件、签证、投票等领域^[7]。当应用范围扩大到整个社会时，区块链技术有可能成为“万物互联”的一种最底层的协议。

2.   区块链的若干关键理念和技术

区块链技术可以作为比特币、以太坊等系统的核心技术，其核心理念是去中心化、不可篡改、可追溯、匿名。

去中心化^[8]：在传统的集中事务系统中，每个事务都需要通过中央可信代理进行验证，这必将导致中央服务器的成本和性能瓶颈。区块链网络中的事务可以在任意2个对等点(P2P)之间执行，而不需要由中央代理进行身份验证。通过这种方式，区块链可以显著降低服务器成本，并减轻中央服务器上的性能瓶颈，降低了中心化的单点故障风险。

不可篡改^[9]：在区块链网络中传播的每个事务都需要在整个网络中分布的块中进行确认和记录，所有节点都完整地保留事务的历史记录。一笔新的事务发生时, 会先被广播到区块链网络中的其他节点，每个广播块将被其他节点验证，当前事务和上一笔事务将被检查，所以任何伪造都很容易被发现。在区块链系统使用的密码学签名技术使得每一笔交易都可以被验证，让交易双方都无法抵赖。

可追溯性：用户对于交易信息都有平等的权限进行验证和存储，交易信息对用户是透明的。同时，由于区块链上的每个事务都是用时间戳验证和记录的，所以用户可以通过访问分布式网络中的任何节点轻松地验证和跟踪以前的记录。

匿名性：每个用户都可以使用生成的地址与区块链网络交互。用户将生成许多地址以避免身份暴露。不再有保存用户私人信息的中心方。这种机制对区块链中包含的事务保留了一定程度的隐私。

区块链为了实现上述理念，使用以下技术。

①基于时间戳的链式区块结构^[10]：哈希函数把任意长的数据映射成定长数据，Merkle树利用哈希设计的一种树状结构，可用于校验大量数据。区块链使用哈希函数和Merkle树来标识区块和交易。所有区块将标识记录在后续区块上用于链接，按时间戳排列，分布式地存储在网络中的每一个结点上，对交易和区块的任何微小改变都会改变这个标识值，使链状结构不成立。

②分布式节点的共识机制^[11]：区块链使用分布式系统，每个节点都有一副完整账本。账本的更新需要保障分布式系统的一致性，即区块链中各个节点的账本在更新后能够保持一致。共识算法就是解决上述问题的关键技术，在去中心化且存在恶意节点的场景下维护区块链的全局账本^[12]。常用的共识机制有工作量证明、股权证明等。

③安全防护^[13]：区块链在设计上大量采用了现代成熟的密码学算法，包括Hash算法、加解密算法、数字证书和签名(盲签名、环签名)等。通过密码学的机制确保交易无法被抵赖和破坏，并尽量保护用户信息和记录的隐私性。

④可编程的智能合约^[14]：区块链使用自定义可共享的程序代码作为交易合约，并在特定条件下自动执行，从而去中心化地实现更加丰富地功能。

3.   区块链的典型应用场景

区块链从诞生至今有过许多应用，其中，比较经典的包括以下5类。

(1)金融服务：基于区块链的金融服务应用，能大大减少银行清算行为成本，同时也能极大地降低用户的交易风险。欧洲中央银行在ECB Occasional Paper 172中提出基于区块链的跨平台交易模型^[15]。

(2)征信和权属管理：主要是利用区块链不可篡改和透明的特性证明用户的信用和资产权属，比如基于区块链的学位证明平台^[16]，麻省理工学院媒体实验室和学习机器实验室开发的Blockcerts是一项开放性办法，为学位证书引入了基于区块链可验证的证明。

(3)资源共享：区块链可以在P2P网络中通过共识算法进行状态同步，进一步利用其可信的交易机制实现资源共享，如基于以太坊蜜蜂协议构造的Beenest网络。

(4)贸易管理：利用区块链进行贸易、物流等多组织的信息同步和审计，能大大减少贸易成本，如IBM在Maersk利用区块链设计的供应链溯源系统TradeLens。

(5)物联网：将区块链的去中心化的模式应用在物联网上能从传输、存储、计算等多方面降低物联网的成本^[17]，同时让物联网中的信息安全和用户隐私得到保护，如将区块链应用到边缘计算中^[18]。

区块链应用场景目前正在以爆发的趋势高速增长，展示了巨大的市场前景。

4.   区块链的地质应用

地质学与其他学科一样，其科学信息可以被看作是一个超大型共享数据库，需要许多人协作完成数据库的改写工作。地质科学家之间的工作是相互依赖的，后人的研究是在前人的基础上开展的，后人可以持续验证前人的工作是否正确。传统上，科学家间的信任机制，主要由“科学共同体”承担。如研究人员的学术论文评议、出版及被引用的情况，在很大程度上取决于出版商和编辑部。科学家撰写的手稿、同行评审意见、软件、数据集的发布管理也主要是中心化管理^[19]。

区块链的去中心化、不可篡改、隐私保护等的特性，以及智能合约提供的丰富交互接口，可以为区块链技术在地质领域中的应用提供重要的基础。地质勘查实物、资料、数据的区块链溯源管理，可以成为区块链地质应用的首批突破口。

4.1   地质勘查实物、资料、数据的区块链溯源管理

地质勘查实物、资料、数据的区块链溯源管理主要利用基于时间戳的链式区块结构。在分布式存储网络里，每一个结点对交易和区块的任何微小改变都会改变区块链上的哈希标识值，使得区块链接状态改变，进而影响链状结构的溯源，因此具有极好的防伪溯源的特性(图 1)。

图  1  区块链溯源管理的原理

Figure  1.  Principle of blockchain traceability management

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地质勘查实物、资料、数据溯源技术的关键在于数据模型的构建，它决定了数据起源的获取、存储及后期的使用等操作。主要过程应包括：①对地质勘查实物、资料、数据的数据进行抽象建模，并对数据接入进行规范；②把地质勘查实物、资料、数据溯源业务的整个过程划分不同阶段，并对不同阶段的业务数据进行分组；③通过数据特征标识获取到数据的全链路历史版本。

基本流程包括(图 2)：创造者—实物—存证—监督—服务。

图  2  区块链溯源管理的基本流程

Figure  2.  Basic flow of blockchain traceability management

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图  3  “长尾理论”模型图(主体区域和长尾区域的面积大约相等)

Figure  3.  Model of “long tail theory”

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对地质勘查实物、资料、数据溯源进行溯源追踪，需要对溯源应用的全生命周期进行管理，总体架构设计包括应用层、服务层、核心层、基础层和管理层等层次结构和相应模块。其中，基础层提供互联网基础信息服务，为上层架构组件提供基础设施。核心层是区块链系统的最重要的组成部分，包括共识机制、P2P网络传输、隐私保护等。应用层是溯源数据的来源端，也是溯源服务的接收端。服务层为溯源应用提供核心区块链相关服务，如可信的分布式身份服务DID作为物或人的认证标识。管理层是溯源应用落地过程中必不可少的重要组件。权威质检中心、溯源数据中心、监控中心，提供了流转数据过程的可靠性，由区块链作为价值背书。

4.2   地质专利、通证激励与志愿者地质学

长尾效应(Long Tail Effect)是在数据分布中客观存在的一种现象。如果把正态曲线中间的突起部分叫“头”，则两边相对平缓的部分叫“尾”^[19]。与长尾效应相对应的是长尾数据。一般地，具有长尾效应的数据头部体积大，获得关注较多，而尾部“量小”、分布分散、个性差异大，因而经常被人们忽略。

在科学界也一样。深时数字地球(DDE)项目是一个具有时代标志的、极具雄心的大科学项目，旨在整合过去数十亿年的地球演化数据，形成全球最大的地学数据库，推进地球科学研究范式的变革。但到目前为止，它主要关心的是已有的各国、各界大数据库资源的互联和共享，对分散在科学家个人或实验室的数据还无暇关注。

这种分散的长尾数据是一种重要的科研资源，但由于技术上的匮乏，导致长期缺乏关注度，利用价值被忽视。

利用区块链技术，让地质数据上链是解决地质长尾数据问题的理想方案。在过去，科学家已经习惯了把数据孤立地存放在自己的服务器中，甚至认为这些数据是自己的隐私。数据从一开始就没有被规划进行流通，数据隐私保护、数据可靠流通的激励机制的缺失，是许多科学家没有“数据上链”的意识的原因。在这种情况下，中央式的信用可以满足信用问题，但成本很高，在处理一些碎片化、长尾的信用缺失场景时难以胜任。

利用区块链技术让长尾地质数据上链的基本思路如下。

构建一条志愿者地质链。把拥有任何地质数据的个体和组织看作是志愿者，只要他们志愿把数据贡献出来，志愿者地质链就通过区块链技术的去中心化记账、不可篡改、协同共识等特性，记录、承认、鼓励他们对志愿者地质链或社群的每一份崇高的贡献和价值，并将他们的贡献数字资产化，用有效的经济激励模型，将地质通证和贡献密切结合，实现高效可信流通、共享和交换的目标, 将所有贡献数据和资产的利益主体纳入到有机的治理体系中。在这个治理体系中，一方面，贡献者获得自己数据的权益(地质专利)，另一方面，通过开发地质通证(GeoToken)的不同应用场景，获得实际性的回报(激励)。

4.3   全球地质社区打造：全球地质利益共同体

除出长尾数据外，还可以把科研意愿、科研资助等纳入到区块链体系，把地质社群扩大为全球地质社区，打造全球地质利益共同体。

任何研究都需要一个结果和一个确认，可以呈现给整个学术界。区块链可为科学研究提供了新的资助模式，资助方获得收益的方式也变得更加透明。感兴趣的各方都可以直接参与或资助不同项目，以智能合约的方式进行管理。让所有的科研支出都可以被追踪且透明，项目中科学家之间的资金分配，通过智能合约进行管理。

作为研究人员，只需要策划自己的项目草案并公开在区块链上，而资助机构也在链上寻找有潜力的项目策划，以获得最大收益。申请者只需要以非排他性的方式为项目做贡献就可以。在区块链的管理下，变成了真正的合作，因为那些蹩脚的项目方案在区块链的世界会被自然淘汰。

对全球地质社区的任何人，都用地质通证的方式激励他们，最后地质通证的持有者，即形成一个全球利益共同体——全球地质社区。

此外，地质是支撑大资源大环境大生态建设的重要支柱。因而，基于区块链的大资源大环境大生态必将有宏大的发展前景。