未來(lái)20年歐洲固體地球科學(xué)路線圖展望＊

（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書(shū)館蘭州分館/中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)信息中心 劉學(xué) 編譯）

（編譯者電子信箱，劉學(xué)：liuxue＠llas.ac.cn）

引言

2012年10月，英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（BGS）、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）、德國(guó)地球科學(xué)研究中心（GFZ）等多家單位在巴黎舉行“歐洲固體地球科學(xué)路線圖展望”（A Forward Look to a Roadmap for Solid Earth Science in Europe）會(huì)議，旨在對(duì)未來(lái)歐洲固體地球科學(xué)發(fā)展提出設(shè)想。此次會(huì)議后，經(jīng)廣泛討論，于2013 年1 月形成咨詢(xún)建議報(bào)告“2013—2033年歐洲固體地球科學(xué)路線圖展望”（A Forward Look to a Roadmap for Solid Earth Science in Europe for 2013—33（and beyond））。該報(bào)告圍繞固體地球科學(xué)的關(guān)鍵研究問(wèn)題、基礎(chǔ)設(shè)施和聯(lián)合項(xiàng)目展開(kāi)，本文就其主要內(nèi)容作一簡(jiǎn)單介紹。

1 未來(lái)20年歐洲固體地球科學(xué)研究的關(guān)鍵問(wèn)題

1.1 如何降低自然災(zāi)害造成的危害，并且讓社會(huì)可以更從容應(yīng)對(duì)災(zāi)害？

在氣候變化過(guò)程中，極端天氣事件（例如暴雨和干旱事件）將會(huì)變得更加普遍。暴雨將造成洪水和物質(zhì)坡移（mass wasting）而形成災(zāi)害。有關(guān)氣候變化對(duì)這些事件的發(fā)生頻率和規(guī)模的影響，現(xiàn)在還不是很清楚。對(duì)氣候變化的研究可以更好地理解這些事件的觸發(fā)過(guò)程，從而開(kāi)發(fā)一些預(yù)測(cè)工具以量化對(duì)社會(huì)的影響。

1.2 在模擬和理解氣候敏感性時(shí)，如何整合不同種類(lèi)的代用指標(biāo)和樣品類(lèi)型？

在海洋和陸地沉積物、冰芯、化學(xué)沉積物和其他代用指標(biāo)中，都記錄著地球系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)和敏感性。研究過(guò)去事件和地球歷史對(duì)于我們了解過(guò)去以及未來(lái)地球?qū)夂虻捻憫?yīng)非常關(guān)鍵。最大的挑戰(zhàn)則是，這些來(lái)自不同代替指標(biāo)的信息如何整合在一起。

1.3 在過(guò)去和未來(lái)氣候變化引起的水文過(guò)程和物質(zhì)坡移過(guò)程中，我們?nèi)绾卧u(píng)估它們對(duì)地球的影響，以及生態(tài)系統(tǒng)和我們?nèi)祟?lèi)文明對(duì)其做出的響應(yīng)？

全新世擁有地球最完整的氣候和環(huán)境變化記錄。早期人類(lèi)文明的研究發(fā)現(xiàn)，外在因素如氣候變化和人類(lèi)自身因素如農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的興起，導(dǎo)致土壤退化和水的流失，這些都為我們關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)對(duì)環(huán)境壓力的響應(yīng)提供了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。社會(huì)必須對(duì)由氣候變化造成的水資源時(shí)空分布的不斷變化做出響應(yīng)。農(nóng)業(yè)方法、電力生產(chǎn)和其他活動(dòng)如何適應(yīng)這種新的氣候狀態(tài)，將是未來(lái)數(shù)十年的最主要的研究挑戰(zhàn)。

1.4 應(yīng)對(duì)地震、滑坡、海嘯和其他自然災(zāi)害時(shí)，如何建立更好的物理基礎(chǔ)設(shè)施？

最近數(shù)十年自然災(zāi)害造成的死亡事故絕大多數(shù)都是由地球過(guò)程有關(guān)的災(zāi)害造成，如地震和火山。加深對(duì)這些災(zāi)害的促發(fā)過(guò)程的了解非常關(guān)鍵，可以提升我們預(yù)測(cè)災(zāi)害的發(fā)生概率。

1.5 如何做到最好的風(fēng)險(xiǎn)溝通，使災(zāi)害對(duì)社會(huì)的影響降到最低？

災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)和災(zāi)害的暴露度與脆弱性是自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)研究的關(guān)鍵領(lǐng)域。提升建模能力和加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)溝通以減輕災(zāi)害對(duì)社會(huì)的影響是一個(gè)主要挑戰(zhàn)。

1.6 如何建立更好的方法體系來(lái)評(píng)估天然資源的規(guī)模、儲(chǔ)存條件和安全開(kāi)發(fā)的方法，包括可再生和非可再生能源、水、金屬、廢棄物處理等？

在歐洲乃至全世界，各種天然資源的供應(yīng)和消費(fèi)都面臨挑戰(zhàn)?？稍偕茉磳?huì)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。使用替代能源如頁(yè)巖氣等需要開(kāi)發(fā)可靠的、安全的回收方法。未來(lái)數(shù)十年，南歐的許多地方和各主要城市，大量清潔水的供應(yīng)將會(huì)變得越來(lái)越困難。保護(hù)地下水和地表水、防止過(guò)度開(kāi)采和污染將是一個(gè)重大的科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)。為緩解歐洲當(dāng)前幾乎完全依賴(lài)進(jìn)口金屬的局面，則需要先進(jìn)的現(xiàn)代技術(shù)，并且還可能需要大量歐洲國(guó)家的采礦業(yè)的復(fù)興。關(guān)鍵的挑戰(zhàn)領(lǐng)域包括：地下資源及廢物埋藏（如水、CCS、放射性廢物）；能源原位開(kāi)采（如地?zé)?、煤和?yè)巖氣）；采礦業(yè)的新興技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施（如稀土礦產(chǎn)、生物礦床、礦物集合體）；提高資源的采收率（如石油/天然氣開(kāi)采、礦物回收利用、非常規(guī)油氣資源）等。

1.7 地球是如何起源的？地核、地幔、地殼、大氣和海洋是如何演化的，生命又是如何起源的呢？

生命的起源 我們?yōu)槭裁丛谶@里？可以說(shuō)是地球科學(xué)最引人注目的問(wèn)題。過(guò)去十年地球科學(xué)在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大進(jìn)步，但是關(guān)鍵細(xì)節(jié)仍尚不清楚。形成地球的無(wú)數(shù)種要素是如何達(dá)到平衡的？原始地球的深部都經(jīng)歷了怎樣的過(guò)程，在這個(gè)適宜生存的星球演變過(guò)程中，他們又起了什么作用？為什么地球如此獨(dú)特，金星則沒(méi)有板塊構(gòu)造、沒(méi)有水、沒(méi)有磁場(chǎng)以及沒(méi)有生命？這是涉及多學(xué)科的問(wèn)題，從野外地質(zhì)學(xué)的地球化學(xué)、生物地球化學(xué)、行星科學(xué)，到實(shí)驗(yàn)調(diào)查以及無(wú)數(shù)次的地核形成、地幔結(jié)晶以及早期地球形成模擬等。我們應(yīng)該如何理解類(lèi)似后增薄層假說(shuō)等范式，以及他們對(duì)地球系統(tǒng)的影響。解決這些困惑可以為我們提供模型的初始和邊界條件，試圖量化并確定那些自地球形成以來(lái)深部地球、海洋和大氣共同演化出生命的過(guò)程，我們可以明確地球歷史中生命的起源和演化。歐洲地球科學(xué)家當(dāng)前正位于該研究的最前沿，并獲得大量的設(shè)備以推進(jìn)在該領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)。

1.8 深部地球過(guò)程如何控制地球的演化？

地球內(nèi)部對(duì)流和散熱過(guò)程中，深部地球物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程起著非常重要的作用。對(duì)流的類(lèi)型和強(qiáng)度控制著地殼的生長(zhǎng)和地幔的揮發(fā)物質(zhì)傳送到海洋和大氣。地幔物質(zhì)的虧損和再循環(huán)，特別是水，對(duì)于地幔流變和對(duì)流都有非常大的影響。因?yàn)檫@些過(guò)程控制著物質(zhì)進(jìn)入和離開(kāi)地表從而使地球保持適宜的表面，該領(lǐng)域依然是當(dāng)前地球科學(xué)的巨大挑戰(zhàn)之一。隨著實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)、礦物物理學(xué)、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和地球化學(xué)等的進(jìn)步，我們現(xiàn)在可以在該領(lǐng)域取得重大進(jìn)步。

1.9 深部地球動(dòng)力、地表過(guò)程、水文和氣候是如何相互聯(lián)系的？

多尺度理解板塊構(gòu)造和板塊模型，結(jié)合多學(xué)科和基礎(chǔ)設(shè)施，研究地球深部和地表過(guò)程。模擬地球系統(tǒng)歷史以及演化對(duì)理解氣候和元素周期必不可少。

2 基礎(chǔ)設(shè)施

為了方便研究，對(duì)新的和現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施的投資非常必要。雖然在國(guó)家層面必要的設(shè)施都已存在，但是還需要加強(qiáng)合作和增加歐洲的成員/區(qū)域，并且發(fā)展共享輸出的必要設(shè)施（基本數(shù)據(jù)、導(dǎo)出數(shù)據(jù)、模型等）。急需的基礎(chǔ)設(shè)施清單如下：①多參數(shù)的觀測(cè)和研究中心（鏈接地球物理、地球化學(xué)、水文、氣象、環(huán)境參數(shù)等），可以提供永久性綜合監(jiān)控超級(jí)站點(diǎn)；②多參數(shù)設(shè)備工具，以提高特定區(qū)域的分辨率；③大型野外實(shí)驗(yàn)的移動(dòng)設(shè)備；④用于地球科學(xué)監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星飛行任務(wù)；⑤用于海底、斷裂帶、冰下的鉆井設(shè)備；⑥鉆孔觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)；⑦海底電纜網(wǎng)絡(luò)；⑧已有的冰芯和沉積物數(shù)據(jù)與海洋和大陸基礎(chǔ)設(shè)施的鏈接設(shè)備等。

3 聯(lián)合項(xiàng)目

必須清楚認(rèn)識(shí)到需要長(zhǎng)期開(kāi)展的多學(xué)科的國(guó)際項(xiàng)目，在歐洲地球科學(xué)的一些大型計(jì)劃中可以找到相應(yīng)的項(xiàng)目，以下是來(lái)自“地平線2020”（Horizon2020）科研和創(chuàng)新計(jì)劃下面的協(xié)同研究（CR）或基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目（RI）和聯(lián)合項(xiàng)目行動(dòng)（JPI）的清單：①地球資源（包括化石燃料、可再生能源和礦產(chǎn)）（JPI3；CR）；②地球科學(xué)與社會(huì)——影響及通訊（CR）；③地緣安全（包括大城市）（CR）；④極端事件和風(fēng)險(xiǎn)（自然的和人為的）（CR）；⑤氣候敏感性、影響和適應(yīng)性（CR）；⑥地球深部和地表的相互作用（包括氣候）（CR）；⑦生命、地球以及其他星球等的起源（CR）；⑧地質(zhì)微生物（CR）；⑨歐洲鉆井（RI）；⑩數(shù)據(jù)共享（RI）；等。

資 料 來(lái) 源：http：∥www.bgs.ac.uk/earth－ScienceEurope/downloads/ESERoadmapConsutation.pdf

原文題目：A forward look to a roadmap for solid earth science in Europe for 2013－33（and beyond）