地球科學(xué)核心問(wèn)題凸顯地?zé)嵫芯恐匾?/p>

近日，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院(簡(jiǎn)稱(chēng)NASEM)發(fā)布了地球科學(xué)十年發(fā)展規(guī)劃指導(dǎo)意見(jiàn)《時(shí)域中的地球：美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)地球科學(xué)十年發(fā)展愿景(2020~2030)》。這一報(bào)告凝練出未來(lái)十年美國(guó)地球科學(xué)需要優(yōu)先關(guān)注的12個(gè)最緊迫的核心科學(xué)問(wèn)題。

雖然NASEM報(bào)告在對(duì)這12個(gè)科學(xué)問(wèn)題的字面描述中直接提到地?zé)岬牡胤讲⒉欢啵羞@些問(wèn)題的答案卻或多或少都與地?zé)釋W(xué)研究有關(guān)，地?zé)嵫芯康闹匾缘玫匠浞煮w現(xiàn)。筆者謹(jǐn)參照NASEM報(bào)告對(duì)這12個(gè)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要注釋?zhuān)牡責(zé)釋W(xué)的角度進(jìn)行示意性的解讀。

1.地球內(nèi)部磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的?

在地質(zhì)時(shí)間長(zhǎng)河中，是什么驅(qū)動(dòng)著“地球發(fā)電機(jī)”?又是什么控制著“地球發(fā)電機(jī)”的變化速度?尋找這類(lèi)問(wèn)題的答案對(duì)于認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部與大氣圈的相互作用具有重要意義。從地?zé)釋W(xué)的角度，“地球發(fā)電機(jī)”運(yùn)轉(zhuǎn)的前提是地核溫度隨深度(壓力)的變化曲線至少兩度跨越地核物質(zhì)的液相線，從而形成能夠發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的固相和液相圈層。

2.板塊構(gòu)造是在什么時(shí)候發(fā)生、為什么發(fā)生和怎么發(fā)生的?

目前地學(xué)界仍然缺乏對(duì)于“為什么只有地球有，而其他星球沒(méi)有板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)”以及“地球板塊運(yùn)動(dòng)在地質(zhì)歷史時(shí)期的變化”等問(wèn)題的全面認(rèn)識(shí)。從地?zé)釋W(xué)的角度，地殼和上地幔溫度的時(shí)空變化決定了巖石圈的厚度和軟流圈的流變特性，認(rèn)識(shí)地球熱演化歷史是認(rèn)識(shí)地球板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)演化的一塊基石。

3.關(guān)鍵元素在地球上是如何分布和循環(huán)的?

關(guān)鍵元素是指造就生物生存環(huán)境、地球深部氧化還原環(huán)境、地質(zhì)過(guò)程示蹤和人類(lèi)現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)、醫(yī)藥、軍事和先進(jìn)制造等所需要的化學(xué)元素。目前人們對(duì)于這些元素在不同時(shí)空尺度上的遷移規(guī)律仍然存在許多重要疑問(wèn)。從地?zé)釋W(xué)的角度，一方面任何元素的富集與遷移都離不開(kāi)其特定的溫度環(huán)境;另一方面，關(guān)鍵元素鈾和鉀放射性同位素的衰變是地球內(nèi)熱的重要來(lái)源，同時(shí)也是構(gòu)造熱運(yùn)動(dòng)的重要示蹤元素。

4.地震究竟是怎么回事?

地球內(nèi)部既可能發(fā)生極其緩慢的塑性變形，也可能發(fā)生非常快速的爆發(fā)式脆性變化，使得地球科學(xué)家不能不重新思考地震的本質(zhì)究竟是什么。從地?zé)釋W(xué)的角度，地震和大地?zé)崃魇堑厍騼?nèi)部能量聚集與耗散在時(shí)空域上的兩個(gè)端元，地震是間歇性、突發(fā)性和局部性的能量轉(zhuǎn)換事件;而大地?zé)崃鲃t是連續(xù)性、普遍性的能量平穩(wěn)傳輸過(guò)程，兩者存在內(nèi)在聯(lián)系。不僅如此，發(fā)震地質(zhì)體的溫度環(huán)境決定了地震的級(jí)別和地震波的傳播速度。

5.是什么驅(qū)動(dòng)火山活動(dòng)?

火山活動(dòng)既牽動(dòng)地球系統(tǒng)多個(gè)組成部分，又對(duì)人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)具有多方面的影響，因此迫切需要研究各個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期巖漿的生成、上升和噴發(fā)機(jī)制。從地?zé)釋W(xué)的角度，火山爆發(fā)是地球內(nèi)熱最強(qiáng)烈的地表顯示。地殼和上地幔物質(zhì)在特定的溫度和壓力條件下發(fā)生熔融、分異、遷移、滯留、噴發(fā)和冷卻的過(guò)程，一方面受控于所在區(qū)域的構(gòu)造熱背景，另一方面又必然對(duì)其周邊的地溫環(huán)境產(chǎn)生深刻的影響。

6.發(fā)生地形變化的原因和后果是什么?

地形變化與氣候變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沉積剝蝕等過(guò)程密切相關(guān)，定量測(cè)量從地質(zhì)時(shí)間尺度到人類(lèi)時(shí)間尺度不同時(shí)期地形變化的技術(shù)進(jìn)步，使研究地球深部過(guò)程、地表過(guò)程和人類(lèi)社會(huì)發(fā)展之間的關(guān)系成為可能。從地?zé)釋W(xué)的角度，低溫年代學(xué)方法就是在過(guò)去二三十年迅速發(fā)展的一種研究地質(zhì)歷史時(shí)期構(gòu)造變形、地表侵蝕和地形地貌演化等地表過(guò)程的地?zé)釋W(xué)方法，已在造山過(guò)程、盆地演化、油氣資源、地質(zhì)災(zāi)害防治和氣候變化等研究領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

7.關(guān)鍵帶如何影響氣候?

關(guān)鍵帶的屬性影響陸地與大氣圈之間各種物質(zhì)與能量的交換過(guò)程。目前越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始意識(shí)到，關(guān)鍵帶對(duì)氣候變化有重要的反饋?zhàn)饔?。從地?zé)釋W(xué)的角度，地—氣熱耦合是陸地與大氣圈之間相互作用的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，淺層地溫變化能夠影響大氣熱動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，從而對(duì)各種尺度的氣候變化產(chǎn)生重要影響，青藏高原淺層地溫場(chǎng)對(duì)東亞季風(fēng)的控制就是一個(gè)實(shí)例。

8.地球的過(guò)去可以用來(lái)揭示氣候系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的什么奧秘?

我們需要從各種古氣候記錄中解讀長(zhǎng)期和突發(fā)性氣候變化，從中尋找認(rèn)識(shí)氣候變化驅(qū)動(dòng)力、反饋、響應(yīng)和閾值的線索，以預(yù)測(cè)氣候變化的趨勢(shì)。從地?zé)釋W(xué)的角度，地面溫度是地溫場(chǎng)的重要邊界條件，地面溫度隨時(shí)間變化所產(chǎn)生的熱擾動(dòng)會(huì)向下傳播并被記錄在地下。通過(guò)對(duì)鉆孔溫度隨深度的變化的分析，可以獲取地面溫度隨時(shí)間變化的信息，進(jìn)而研究古氣候變化的歷史和可能的原因。

9.地球的水循環(huán)為什么正在發(fā)生變化?

要認(rèn)識(shí)現(xiàn)在和將來(lái)水循環(huán)的變化，就必須認(rèn)識(shí)陸地水循環(huán)系統(tǒng)與氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)等諸多過(guò)程的相互作用。從地?zé)釋W(xué)的角度，在全球和區(qū)域尺度上，水循環(huán)是“水圈—大氣圈—巖石圈”熱交換和熱耦合的重要過(guò)程，其中陸地淺層地溫場(chǎng)的變化是驅(qū)動(dòng)季風(fēng)和水循環(huán)的重要?jiǎng)恿Α４送?，在地下水研究中，鉆孔地溫?cái)?shù)據(jù)分析是識(shí)別地下水上升流(排泄區(qū))和下降流(補(bǔ)給區(qū))的有效方法。

10.生物地球化學(xué)循環(huán)是如何演化的?

生物圈是經(jīng)過(guò)數(shù)十億年演化而來(lái)的，在其演化過(guò)程中與地球表層發(fā)生著無(wú)休止的生物化學(xué)作用。為了量化生物過(guò)程在各個(gè)時(shí)間尺度上對(duì)巖石和礦物形成、風(fēng)化和碳循環(huán)的影響，必須深化對(duì)于生物化學(xué)循環(huán)的認(rèn)識(shí)。從地?zé)釋W(xué)的角度，無(wú)論是生物的生存繁衍，還是巖石礦物的形成與風(fēng)化分解，溫度都是一個(gè)重要的控制因素，因此，地?zé)嵫芯繉?duì)于生物地球化學(xué)循環(huán)研究具有重要意義。

11.地質(zhì)過(guò)程如何影響生物多樣性?

生物多樣性是地球最耀眼、最基本的特征之一，也是最令人費(fèi)解的問(wèn)題之一。合適的地球淺層溫度環(huán)境是維系生物鏈的基本條件之一，因而地溫的變化必然影響生物種群的興衰。由于地殼和地幔導(dǎo)熱能力的差異而造成地球內(nèi)部熱量不能順暢散發(fā)而發(fā)生局部囤積與爆發(fā)式釋放，從而引發(fā)地震和火山爆發(fā)等重大地質(zhì)事件，更可能引起生物多樣性的突變。

12.如何通過(guò)地球科學(xué)研究來(lái)降低地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)和損失?

目前人們對(duì)地震、海嘯、火山、滑坡和洪水等重大地質(zhì)災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展過(guò)程的認(rèn)識(shí)，還遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到定量化和可預(yù)測(cè)的水平。從地?zé)釋W(xué)的角度，地?zé)嵫芯恐辽賹?duì)于地震和火山活動(dòng)成因機(jī)理的認(rèn)識(shí)是不可或缺的，地溫測(cè)量更是地震和火山活動(dòng)的重要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和短期預(yù)報(bào)的重要依據(jù)。

雖然以上解讀是簡(jiǎn)略和示意性的，但已足以看出地?zé)嵫芯吭谡w地球科學(xué)研究中的重要性。地?zé)釋W(xué)理論和地球內(nèi)部熱模型的發(fā)展，不僅對(duì)地球科學(xué)諸多研究領(lǐng)域的發(fā)展具有促進(jìn)作用，而且具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

筆者建議，在科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院等部門(mén)制定的“十四五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中，適當(dāng)加大對(duì)地?zé)峄A(chǔ)研究的資助力度，組織實(shí)施具有基礎(chǔ)性和引領(lǐng)作用的國(guó)家級(jí)地?zé)峄A(chǔ)研究重大項(xiàng)目，同時(shí)鼓勵(lì)在其他地球?qū)W科重大科研項(xiàng)目中增設(shè)地?zé)嵴n題，促進(jìn)地?zé)釋W(xué)研究與其他學(xué)科領(lǐng)域研究相輔相成，特別是要加快地?zé)嵫芯款I(lǐng)域的人才培養(yǎng)。

(作者系深圳大學(xué)特聘教授，本報(bào)記者趙廣立整理)