美國國家科學(xué)基金地球科學(xué)領(lǐng)域的研究新機(jī)遇＊

張 煒 王淑玲

（中國地質(zhì)圖書館（中國地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心），北京100083）

（譯者電子信箱，張煒：zhangweicug＠gmail.com）

引言

地球有一套復(fù)雜的動(dòng)力地質(zhì)系統(tǒng)，它控制著這個(gè)星球及整個(gè)人類所經(jīng)歷的過去的演化、現(xiàn)在的狀態(tài)和未來的狀況。由于地球科學(xué)在過去兩個(gè)世紀(jì)已變得成熟，發(fā)展中的各分支學(xué)科可以穩(wěn)步完善地解答構(gòu)造、作用和歷史等各方面的具體問題，各個(gè)動(dòng)力地質(zhì)系統(tǒng)的多學(xué)科特性受到越來越多的關(guān)注。持續(xù)的理論和技術(shù)改進(jìn)使得地球科學(xué)的所有分支學(xué)科有能力解釋地球變化的地質(zhì)記錄，并可觀測(cè)今天的地球從地表到內(nèi)核正在發(fā)生的作用，更逼真地模擬復(fù)雜的動(dòng)力作用，所有這些工作都還需要繼續(xù)進(jìn)行。但是本次報(bào)告所著重強(qiáng)調(diào)的幾個(gè)近期研究機(jī)遇均涉及多學(xué)科的共同努力，重點(diǎn)在于過去和現(xiàn)在的具體的動(dòng)力地質(zhì)系統(tǒng)。

2011年美國國家研究委員會(huì)（NRC）發(fā)布的報(bào)告《地球科學(xué)的基礎(chǔ)研究機(jī)遇》（BROES）詳盡地闡述了地球科學(xué)基礎(chǔ)研究如何為美國5個(gè)緊迫領(lǐng)域提供解決方案：①自然資源的發(fā)現(xiàn)、利用和保護(hù)；②自然災(zāi)害的特性和減輕；③商業(yè)化開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的巖土工程技術(shù)支持；④環(huán)境管理；⑤用于全球安全和國家防衛(wèi)的地球監(jiān)測(cè)。隨著關(guān)注度的日益增加，以上問題如今變得愈加緊迫，且在未來仍會(huì)持續(xù)受到關(guān)注。當(dāng)今世界面臨的首要問題包括化石燃料和水資源、造成人類生命和財(cái)產(chǎn)巨大損失的地震和海嘯、與氣候系統(tǒng)相關(guān)的巨大環(huán)境變化以及核武器擴(kuò)散和試驗(yàn)——有許多緊迫的社會(huì)問題需要通過對(duì)地球科學(xué)的全面深入認(rèn)識(shí)予以解決。

由于美國面臨這些緊迫問題，需要制定國家戰(zhàn)略來支持地球科學(xué)所有領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和專業(yè)知識(shí)的培訓(xùn)。對(duì)未來10 年地球科學(xué)研究機(jī)遇進(jìn)行評(píng)估可確定地球科學(xué)未來的研究方向，從而保證和加強(qiáng)他們對(duì)社會(huì)的貢獻(xiàn)。美國國家科學(xué)基金委員會(huì)所屬地球科學(xué)處（EAR）是唯一一個(gè)在地球科學(xué)所有核心分支學(xué)科新領(lǐng)域和戰(zhàn)略研發(fā)上保持大量資金投入的美國聯(lián)邦機(jī)構(gòu)。因?yàn)镋AR 計(jì)劃的健康發(fā)展和有效實(shí)施加強(qiáng)了國家在地球科學(xué)領(lǐng)域的作用，為了充分利用地球科學(xué)所能做出的潛在貢獻(xiàn)，需要繼續(xù)增加這方面的投入。BROES報(bào)告發(fā)布后的10年，美國國家科學(xué)基金委員會(huì)再次要求美國國家委員會(huì)成立一個(gè)特別委員會(huì)，以確定地球科學(xué)新的研究機(jī)遇。他們要求該委員會(huì)完成以下4項(xiàng)任務(wù)：

（1）確定未來10年地球科學(xué)最優(yōu)先的研究新機(jī)遇，包括地球表面和深部的作用，以及海洋與大氣學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和社會(huì)與行為學(xué)等各學(xué)科間的綜合研究；

（2）確定用于支撐這些研究新機(jī)遇的關(guān)鍵測(cè)量儀器和設(shè)備；

（3）描述地球科學(xué)處和其他政府機(jī)構(gòu)計(jì)劃、工業(yè)界和國際計(jì)劃之間這些研究新領(lǐng)域加強(qiáng)合作的機(jī)會(huì)；

（4）提出一些新的途徑，以使地球科學(xué)處能幫助培養(yǎng)下一代的地球科學(xué)家、支持年輕的研究者及增加女性或少數(shù)族裔參與這些領(lǐng)域研究的機(jī)會(huì)。

1 地球科學(xué)領(lǐng)域的研究新機(jī)遇

地球科學(xué)的基礎(chǔ)研究涉及廣泛的物理、化學(xué)和生物作用，它們之間以復(fù)雜的方式相互作用和結(jié)合，從而產(chǎn)生了一系列的地表系統(tǒng)。美國國家科學(xué)基金委員會(huì)所屬地球科學(xué)處目前正發(fā)起對(duì)地球系統(tǒng)的調(diào)查研究工作，其所涉及的范圍既有全球性的（氣候、板塊構(gòu)造和地核動(dòng)力），也有區(qū)域性和局部性的（造山帶和沉積盆地、活動(dòng)斷層網(wǎng)絡(luò)、火山、地下水儲(chǔ)集層、分水嶺），還有土壤系統(tǒng)（微生物－礦物相互作用、微生物學(xué)和孔隙流體相互作用）。該委員會(huì)已確定了涉及重大動(dòng)力地質(zhì)系統(tǒng)的7個(gè)主題，它們只有通過多學(xué)科方法才能被完全定量化。這7 個(gè)主題是：①早期地球；②熱化學(xué)內(nèi)動(dòng)力學(xué)和揮發(fā)物分布；③斷裂和變形過程；④氣候、地表過程、構(gòu)造和深部地球作用之間的相互影響；⑤生物、環(huán)境和氣候的共同演化；⑥與自然和人為變化有關(guān)的耦合水文地貌－生態(tài)系統(tǒng)；⑦地面環(huán)境中的生物地球化學(xué)和水循環(huán)，及全球變化的影響。這些研究領(lǐng)域涉及一系列極具挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)問題，從行星內(nèi)部作用到地表環(huán)境的演化。此外，面對(duì)許多研究機(jī)遇，對(duì)精確地質(zhì)測(cè)年的需求逐步擴(kuò)大，這促使我們考慮EAR 如何支持地質(zhì)年代學(xué)研究設(shè)施，這些地質(zhì)年代學(xué)研究設(shè)施應(yīng)該革新技術(shù)方法，培養(yǎng)下一代地球化學(xué)家，并服務(wù)于樣品常規(guī)測(cè)年的新需求。

1.1 早期地球

在地球歷史上，早就發(fā)生了許多獨(dú)特的關(guān)鍵性事件：地球形成所需物質(zhì)的供給；月球的形成；形成地核和早期地殼、海洋及大氣的分異事件。對(duì)于地球隨后的動(dòng)力和地球化學(xué)演化來說，就是由以撞擊和巖漿海為主的環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)今以板塊構(gòu)造主導(dǎo)的適合生物生存的環(huán)境。我們可以采用多種手段增加我們對(duì)地球成型階段的了解，如增加早期地球樣品的采集、發(fā)展古代物質(zhì)分析的新技術(shù)、使用新的同位素系統(tǒng)對(duì)早期年代學(xué)進(jìn)行定量，以及開發(fā)模擬早期地球高能量狀況的模型。

1.2 熱化學(xué)內(nèi)動(dòng)力學(xué)和揮發(fā)物分布

地幔和地核中巨大的動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)使熱和物質(zhì)循環(huán)，促使大陸長期演化、形成磁場(chǎng)和揮發(fā)物由地球內(nèi)部往外循環(huán)，從而保持海洋和大氣有大量的化學(xué)物質(zhì)。高分辨率地解析地幔和地核對(duì)流系統(tǒng)的現(xiàn)今結(jié)構(gòu)和過程，是建立該系統(tǒng)過去和未來演化模型、地球熱演化模型及地球揮發(fā)分模型的關(guān)鍵。成像能力、極端溫壓條件下材料特性的實(shí)驗(yàn)和理論測(cè)試、地球化學(xué)測(cè)試及地幔與地核中動(dòng)力循環(huán)越來越逼真的顯示等領(lǐng)域的全面進(jìn)展使人們?cè)趯?duì)熱化學(xué)動(dòng)力學(xué)和揮發(fā)物分布與循環(huán)的了解方面取得了重大的突破。為了回答地球內(nèi)部是如何工作的這一問題，提高不同方法的分辨率是十分必要的。

1.3 斷裂和變形過程

由于斷裂帶附近增加了儀器測(cè)量，科學(xué)家已就斷裂過程和作用機(jī)制獲得了令人激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)。這些使我們有機(jī)會(huì)在了解斷裂作用、相關(guān)的變形過程和由此引發(fā)的地震災(zāi)害等方面取得很大進(jìn)展。地震科學(xué)涉及一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)系統(tǒng)，既有微觀作用（如表面摩擦的控制），也有區(qū)域規(guī)模作用（如沉積盆地響應(yīng)和海水移動(dòng)激發(fā)海嘯）。通過摩擦實(shí)驗(yàn)、觀測(cè)和理論地質(zhì)學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地震工程學(xué)、野外地質(zhì)學(xué)、火山學(xué)、大地電磁學(xué)及深井鉆進(jìn)領(lǐng)域的研究，人們對(duì)這個(gè)地質(zhì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)獲得了重大的進(jìn)展。未來10年里，我們應(yīng)致力于在活動(dòng)斷裂帶和俯沖帶周圍建立實(shí)驗(yàn)室，從而保證更好地了解斷裂和變形過程，以及流體、揮發(fā)物和物質(zhì)流動(dòng)在其中所起的相關(guān)作用。

1.4 氣候、地表過程、構(gòu)造和深部地球作用間的相互影響

氣候、地表過程和構(gòu)造間的廣泛相互影響是令人關(guān)注的研究機(jī)遇，主要在于地形學(xué)、水文學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)、物理和化學(xué)侵蝕、沉積物沉積及活動(dòng)造山帶構(gòu)造變形間的相互影響。因此非常需要考慮氣候和生物群相互作用的“地貌輸移律”，以描述和定量化河流和冰川的下切、滑坡及沉積物的產(chǎn)生、搬運(yùn)和沉積。為了從地貌到地質(zhì)年代尺度下的氣候、地表過程和構(gòu)造間動(dòng)力的相互作用中獲得新認(rèn)識(shí)，我們需要越來越多地應(yīng)用熱年代學(xué)（地貌表面測(cè)年方法）、光測(cè)定與測(cè)距（LiDAR）、衛(wèi)星成像、模擬能力、試驗(yàn)方法及野外測(cè)量設(shè)備和相關(guān)研究的成果，并需要在這些方面有新的發(fā)展。現(xiàn)有的EAR 大陸動(dòng)力學(xué)計(jì)劃覆蓋了上述的大部分內(nèi)容，但是在氣候和地表過程間更緊密的聯(lián)系方面仍有重大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.5 生物、環(huán)境和氣候的共同演化

“深度－時(shí)間”地質(zhì)記錄可提供地球氣候、環(huán)境和生物演化發(fā)生變化的詳細(xì)記載，其中許多會(huì)為認(rèn)識(shí)人類在地球系統(tǒng)中的地位和目前人類行為引起的變化提供類比信息、并弄清事件的來龍去脈。直到現(xiàn)在，通過地球化學(xué)、古生物學(xué)和生物學(xué)等新的分析手段，人們才充分認(rèn)識(shí)到生物－地質(zhì)系統(tǒng)的復(fù)雜性，這些分析手段能前所未有地探索過去地表?xiàng)l件隨時(shí)間的演變，過去地表?xiàng)l件包括溫度、大氣化學(xué)、水文氣候、海洋的化學(xué)組成、及古老生命形式的相互關(guān)系和生理學(xué)。

1.6 與自然和人為變化有關(guān)的耦合水文地貌－生態(tài)系統(tǒng)

為了認(rèn)識(shí)大范圍內(nèi)景觀和生態(tài)系統(tǒng)與干擾和氣候變化的關(guān)系，需要對(duì)水文驅(qū)動(dòng)作用、景觀生態(tài)和生物作用間的相互影響和反饋進(jìn)行更深入的了解，科學(xué)發(fā)展需要更好的理論、觀測(cè)資料和模型將景觀驅(qū)動(dòng)的空間形式和時(shí)間變化與生物群落的動(dòng)態(tài)演化聯(lián)系起來。因此需要整體監(jiān)測(cè)景觀過程，研發(fā)新測(cè)試及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以支持和檢驗(yàn)所建立的模型。

1.7 地面環(huán)境中的生物地球化學(xué)和水循環(huán)及其對(duì)全球變化的影響

人類正在改變復(fù)雜地表系統(tǒng)中主要組成的物理、化學(xué)和生物狀態(tài)及彼此間的相互作用。與此同時(shí)，大氣溫度和二氧化碳水平在增高，并影響陸地環(huán)境中的碳儲(chǔ)存、水循環(huán)和一系列錯(cuò)綜復(fù)雜的生物化學(xué)循環(huán)及大氣特征，反過來，它們也會(huì)影響氣候和生態(tài)系統(tǒng)。為了深入了解小范圍內(nèi)關(guān)鍵地帶整體的土壤、水和生物化學(xué)動(dòng)態(tài)，需要新理論、耦合系統(tǒng)模型和新數(shù)據(jù)。為了提高我們對(duì)碳、氮、水和巖石循環(huán)的了解和定量模擬能力，需要新的測(cè)量方法和設(shè)備，以獲取復(fù)雜植被類型及其下伏的非均質(zhì)地質(zhì)介質(zhì)上面的大氣和土地使用中輸入物的空間及時(shí)間變化。

摘譯自：New Research Opportunities in the Earth Sciences at the National Science Foundation.The National Academies Press，Washington，D.C.，U.S.A.2011

原題：Committee on New Research Opportunities in the Earth Sciences at the National Science Foundation