歐洲地球科學(xué)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略＊

程 輝

（中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京100045）

（作者電子信箱，程輝：361658790＠qq.com）

引言

2011年歐洲科學(xué)院地球科學(xué)可持續(xù)發(fā)展討論會(huì)指出：把地球作為一個(gè)整體來研究，是地球科學(xué)及其所有分支學(xué)科研究的指導(dǎo)思想，地球科學(xué)研究為可持續(xù)發(fā)展提供支撐。可持續(xù)發(fā)展既要考慮當(dāng)前發(fā)展的需要，又要考慮未來發(fā)展的需要?？沙掷m(xù)發(fā)展就是人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源供應(yīng)、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害防治的協(xié)調(diào)發(fā)展。21 世紀(jì)人類面臨的這些重大問題，都屬于綜合性的地球科學(xué)研究課題，它覆蓋了許多學(xué)科如地質(zhì)學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)的交叉范圍，需要不同學(xué)科的相互協(xié)調(diào)研究。本文綜合討論會(huì)的有關(guān)信息和資料，綜述了地球科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系以及綜合性地球科學(xué)研究動(dòng)態(tài)，簡要介紹了衛(wèi)星重力測量和其他工作進(jìn)展情況。

1 地球科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系

歐洲科學(xué)院地球科學(xué)可持續(xù)發(fā)展討論會(huì)認(rèn)為，地球科學(xué)涉及到礦產(chǎn)、土地、海洋、水、森林、能源的問題，也涉及到水、土地、大氣、廢物、生物多樣性、全球變化、自然災(zāi)害等的環(huán)境問題，還涉及到人居環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和生命科學(xué)、人類活動(dòng)諸問題。因此，地球科學(xué)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特質(zhì)條件，又是資源能源環(huán)境與人類發(fā)展的基礎(chǔ)。

人類在地球環(huán)境中的生存空間是有限的，地球科學(xué)（地質(zhì)學(xué)、天文學(xué)、地球物理學(xué)、地球化學(xué)、海洋物理學(xué)、空間物理學(xué)、勘探地球物理學(xué)等）所涉及的學(xué)科范圍廣闊。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，對(duì)地球科學(xué)研究得愈深透，利用得愈充分有效，與其相處得愈和諧，人類社會(huì)的發(fā)展也愈有可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。當(dāng)前的國際社會(huì)的發(fā)展由于石油天然氣礦產(chǎn)資源供應(yīng)不足、生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)脆弱、惡化而受到制約，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展前景嚴(yán)峻。油氣和礦產(chǎn)勘探科學(xué)面臨向地球深部索求的局面，而且顯得無力，這類科學(xué)必需得到大力開發(fā)才能滿足可持續(xù)發(fā)展的需要。為人類可持續(xù)發(fā)展提供資源與環(huán)境保障，提供大型發(fā)展規(guī)劃以便于擴(kuò)大地球科學(xué)研究，獲取地球巖石層、水圈、生物圈和人類圈相互作用、找出成礦理論的保障。自然災(zāi)害的預(yù)測預(yù)防是永久性科學(xué)問題，有些災(zāi)害可以預(yù)測，但像地震災(zāi)害、海洋災(zāi)害和空間災(zāi)害還不能預(yù)測，急待解決，否則人類生存環(huán)境的破壞，將會(huì)影響社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程。

2 地球科學(xué)及其研究的對(duì)象

地球科學(xué)及其研究的對(duì)象（資源、環(huán)境、災(zāi)害）都是學(xué)科交叉和綜合研究的課題。地球演化過程中的各種地質(zhì)現(xiàn)象，本質(zhì)上是物理學(xué)、化學(xué)的作用過程。要深入研究這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、發(fā)展過程、運(yùn)行的規(guī)律以及造成的后果，需要用物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)的原理加以解釋，而更高層次有時(shí)還需要?dú)w納、上升為一定的規(guī)律（或是經(jīng)驗(yàn)）規(guī)則，并以數(shù)字形式表達(dá)呈現(xiàn)?，F(xiàn)代地學(xué)知識(shí)還得取自觀測并進(jìn)行處理研究。因此，研究地球演化的科學(xué)，被認(rèn)為是大的“人類學(xué)”。因?yàn)榈厍蚩茖W(xué)的研究（同其他基礎(chǔ)科學(xué)相比）同人類社會(huì)有更為直接的關(guān)系，而人類活動(dòng)對(duì)地球環(huán)境的影響也有直接的關(guān)系。

以學(xué)科交叉的方法解釋地球演變中的物理化學(xué)過程及現(xiàn)象是有難度的。因?yàn)槊恳粚W(xué)科問題的表達(dá)和推理方式都有各自的語言、符號(hào)、概念和準(zhǔn)則，乃至方法論的特征。例如天文學(xué)習(xí)慣于天體運(yùn)行中周期性分析。地質(zhì)學(xué)則用歷史表述地質(zhì)事件。地球物理學(xué)則往往在物性和環(huán)境參數(shù)假定的前提下用物理方程，精細(xì)地量化求解地球物理問題。對(duì)于復(fù)雜的地球問題來說，在時(shí)間軸上，既有線性的也有非線性的演化步驟，在空間域內(nèi)，既有可均勻化的，也有不能均勻化的物性場。時(shí)空交織的地學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)，絕不能以單個(gè)學(xué)科的思維定式加以統(tǒng)一化，這就是國際地學(xué)界所共識(shí)的學(xué)科大交叉。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，用學(xué)科交叉方法求解地球科學(xué)（地球物理學(xué)）問題，大多數(shù)會(huì)取得進(jìn)展和突破性成果。所以投資于地球科學(xué)大學(xué)科交叉課題，研究成果是可預(yù)期的，它會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中獲得最大效益，如地球內(nèi)部深層探測對(duì)勘察深層油藏礦藏最為有效。

3 地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)對(duì)地表構(gòu)造和過程的影響

地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)對(duì)地球構(gòu)造和過程的影響已成為地球科學(xué)的研究熱點(diǎn)。固體地球科學(xué)研究已從地球淺部轉(zhuǎn)向地球深部。法國的地球科學(xué)機(jī)構(gòu)，在1980年代后期，已將注意力集中于地球內(nèi)部，特別是地球內(nèi)部不同圈層之間的相互作用和過程。近年來，地震學(xué)的研究揭示了地球內(nèi)部早期變異可能存在雙向演化的特征，從而有可能證實(shí)地球動(dòng)力學(xué)的潛力正在控制著深部結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)。深部化學(xué)和熱異常動(dòng)力學(xué)影響著巖石層構(gòu)造的演化和深部流體的分布。但對(duì)含流體的構(gòu)造的性質(zhì)及形成機(jī)制還缺乏認(rèn)識(shí)。由板塊構(gòu)造推動(dòng)，地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究瞄準(zhǔn)以下幾個(gè)方向進(jìn)行：①從靜態(tài)的圈層結(jié)構(gòu)和物理場的研究，轉(zhuǎn)向了針對(duì)典型構(gòu)造過程（運(yùn)動(dòng)、能量傳輸）的研究，建立了天然實(shí)驗(yàn)室研究模式來研究這些過程；②確立地核下地幔之間物質(zhì)組成和儲(chǔ)存這些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)成為重點(diǎn)；③利用高精度觀測手段探測深部的各種物理場和分析介質(zhì)的成份。歐洲和美洲科學(xué)院合作研究的課題能否取得成果，將依賴于對(duì)目標(biāo)區(qū)域的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和物質(zhì)組成所進(jìn)行的仔細(xì)研究及歐洲比利時(shí)等科學(xué)院的合作研究。已經(jīng)開展的，如核幔邊界的D 區(qū)、地震波低速帶、過渡帶、形態(tài)、各向異性的研究，又如上地幔過渡帶各間斷面（熱點(diǎn)、火山、俯沖帶、克拉通活化區(qū)）的研究，還安排了典型大陸構(gòu)造（歐洲地臺(tái)、加拿大地盾、南非克拉通、青藏高原）和大陸邊緣的研究（歐洲縫合帶、地中海、美國加利福尼亞州的板塊匯聚帶）。上述這些研究所靠的資料是地震觀測數(shù)據(jù)。通過地球深部探測會(huì)有力地帶動(dòng)固體地球物理乃至固體地球科學(xué)的發(fā)展，為歐洲資源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支撐。

4 衛(wèi)星重力測量工作進(jìn)展

衛(wèi)星重力測量是歐洲大地測量和地球物理研究的重要方向。出于軍事需要，歐洲要布署反導(dǎo)系統(tǒng)，發(fā)射精度及命中精度全依仗重力分布。重力衛(wèi)星發(fā)射所獲得的資料在地域上是均勻的，在時(shí)間上是實(shí)時(shí)的，這正是高命中率所要求的。繼承過去測量地球固有地磁、重力場的技術(shù)，德國首先發(fā)射了CHAMP科學(xué)衛(wèi)星。該衛(wèi)星裝有多功能微衛(wèi)星儀器艙，具有對(duì)地球物理、氣候、大氣環(huán)境進(jìn)行綜合探測和系統(tǒng)分析的能力。該衛(wèi)星主要用于探測地球內(nèi)部，從地核到地幔和地殼間的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化；測量海洋變化周期以及海平面變化與全球氣候變化之間的關(guān)系。該衛(wèi)星由于貼近地球極區(qū)軌道運(yùn)行而能詳細(xì)測定地球重力場和地球磁場，這將把現(xiàn)有靜態(tài)中長波部分重力場的精度提高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，并提供長波部分重力場隨時(shí)間變化的信息。這為利用高精度重力資料為實(shí)現(xiàn)大地測量研究和導(dǎo)彈發(fā)射命中率提高提供了科學(xué)保障，引起全球的關(guān)注，被稱為繼GPS之后大地測量學(xué)的又一重大進(jìn)展。

衛(wèi)星重力測量對(duì)研究地球的形狀、演化及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制；地球參考系統(tǒng)及全球高程系統(tǒng)；地球的密度及地幔物性參數(shù)；洋流和海平面變化；冰融和陸地水變化；地球各圈層的變化及相互作用等，有其他地球物理方法不可替代的作用。因此，歐洲和美國在衛(wèi)星重力測量方面的合作受到政府的大力支持。衛(wèi)星重力測量研究集中在4 個(gè)課題上：①利用CHAMP衛(wèi)星重力資料計(jì)算低階重力場系數(shù)（36階）及其變化；②反演地球重力場的研究；③研究重力衛(wèi)星高軌低軌跟蹤模型對(duì)重力場系數(shù)解算精度的影響；④衛(wèi)星反演重力場的地學(xué)應(yīng)用：海平面變化，大地水準(zhǔn)面測定，地心變化的確定，大氣、海洋和地表水分布的估計(jì)和重力場變化的約束。

5 空間物理——空間天氣預(yù)報(bào)的進(jìn)展

歐洲科學(xué)院會(huì)議對(duì)空間物理——空間天氣預(yù)報(bào)的進(jìn)展特別關(guān)注。從實(shí)施“星群二號(hào)”計(jì)劃以來已經(jīng)在預(yù)報(bào)模型上有突破性進(jìn)展。該計(jì)劃是歐洲空間管理局的一個(gè)國際項(xiàng)目，由4顆科學(xué)衛(wèi)星組成。在距地球2.55 萬～12.5 萬km 的高空的橢圓軌道上保持等距離，用于研究地磁場環(huán)境，太陽風(fēng)暴（日冕物質(zhì)拋射）對(duì)地磁場的影響。星群二號(hào)的4顆衛(wèi)星都由德國的道尼爾衛(wèi)星公司，即現(xiàn)在的歐洲Astrium 衛(wèi)星公司負(fù)責(zé)研究，屬于德國教育科學(xué)部的CHAMP 項(xiàng)目，目前正在運(yùn)行當(dāng)中記錄了高空電離層—磁層空間中的磁暴、磁亞暴、極光、高能粒子輻射的資料。以空間探測和空間天氣為線索帶動(dòng)日地空間的各圈層內(nèi)及其耦合、能量傳輸關(guān)系的研究，以實(shí)現(xiàn)空間天氣預(yù)報(bào)為目的，服務(wù)于導(dǎo)航、通信、宇航員生命安全和健康的業(yè)務(wù)活動(dòng)。

日地空間環(huán)境與空間天氣預(yù)報(bào)研究中的許多科學(xué)問題都關(guān)系到導(dǎo)航、通訊、傳輸網(wǎng)絡(luò)、宇航員安全等人類活動(dòng)的安全。在認(rèn)識(shí)空間環(huán)境因素、探索災(zāi)害性空間天氣（電離層擾動(dòng)、地磁暴等）的發(fā)生機(jī)理、變化規(guī)律方面，需要提高認(rèn)識(shí)，通過衛(wèi)星探測，研究空間天氣過程的模式（日冕物質(zhì)拋射的驅(qū)動(dòng)的傳輸，太陽風(fēng)暴－磁層－電離層－熱層的相互作用過程，地球空間暴的驅(qū)動(dòng)、觸發(fā)等過程以及空間等離子體的行為等），研究空間天氣對(duì)人類活動(dòng)的影響（空間天氣條件對(duì)信息系統(tǒng)和電波傳播的影響，對(duì)衛(wèi)星、航天飛船運(yùn)行安全的影響，對(duì)空間材料和宇航員生命的影響等），從而建立一門新的空間科學(xué)即空間天氣學(xué)。歐洲科學(xué)院已出版這方面的著作，全面論述空間天氣學(xué)的形成。

6 地球信息學(xué)的研究

地球信息學(xué)的研究，地球科學(xué)的研究是一項(xiàng)復(fù)雜的工程。地球科學(xué)是一門觀測性科學(xué)。1960年代板塊學(xué)說的建立得益于地球物理探測技術(shù)、星載遙感技術(shù)、大洋鉆控技術(shù)等方面的發(fā)展。1990年代以來，以空間技術(shù)和信息通信技術(shù)的高技術(shù)迅速發(fā)展，不僅引起地球科學(xué)工作方式和思維方式的大變化，而且?guī)?dòng)了相關(guān)科學(xué)的發(fā)展與變革，促成了地球信息技術(shù)學(xué)的形成。對(duì)地觀測技術(shù)、地球內(nèi)部和海洋探測技術(shù)、分析測試與實(shí)驗(yàn)技術(shù)、地球信息技術(shù)構(gòu)成了地球科學(xué)4大技術(shù)系統(tǒng)，推動(dòng)了地球科學(xué)的發(fā)展，使地球科學(xué)進(jìn)入了對(duì)地球進(jìn)行整體研究的新時(shí)代。21 世紀(jì)地球科學(xué)將會(huì)取得巨大的飛躍發(fā)展。歐洲科學(xué)院應(yīng)當(dāng)在這方面作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

（本文參考文獻(xiàn)為出國考察獲取的內(nèi)部資料，略）。