论文推介固体地球科学（Geoscience）还有什么有待发现？

　　陈凤婷
　　【编者按：固体地球科学还有重要科学问题没有解决吗？如果有，是什么？最近，美国犹他州大学能源与固体地球科学所、地质与地球物理系Rasoul Sorkhabi博士在国际地科联刊物《Episodes》2022年第45卷第2期发表了＂Geoscience: what remains to be discovered?＂（原文附后）。编辑部特邀请陈凤婷博士研究生对此文进行解读。理解不当之处，敬请谅解。】
　　固体地球科学与人们的生活息息相关。例如，人们在土壤中种植农作物，开采矿产资源发展工业，并与地球上的自然灾害作斗争。在长期的生产实践中，人类对地球的认识不断增进，并逐渐形成了一门以固体地球圈层为主要研究对象的科学——固体地球科学(Geoscience)。固体地球科学的研究范围很广，涵盖地质学、地球化学、地球物理、地理学、气象学、海洋学、天文学等领域。
　　图1 调查对象分布
　　美国John Horgan（1996）在《科学的终结》这本书中讨论了哲学、物理学、宇宙学、生物学、社会科学、神经科学和混沌理论，指出科学在基本原理或大理论方面没有更多发现。《自然》杂志前编辑John Maddox（1998）在《还有什么有待发现？》一书中讨论了自然科学的许多重大问题，包括宇宙学、物理学、化学、生物学、人工智能和数学等。一方面，在这些研究中，固体地球科学一直都被直接忽视了。另一方面，地球科学界对来自科学界的忽视也反应甚微。
　　图2 调查得出的固体地球科学主要问题和挑战（左）与美国国家科学、工程与医学科学院（NASEM）提出的美国国家科学基金会（NSF）2020-2030地球科学优先研究问题（右）
　　针对固体地球科学还存在哪些重要科学问题，美国犹他州大学Rasoul Sorkhabi博士通过发送邮件，在美国地质学会、美国地球物理联盟及美国专业地质学家学会网站发布问题进行调查，收到136名科学家的回复，其中有104人来自美国，14人来自欧洲，13人来自亚洲，4人来自加拿大，1人来自澳大利亚（图1）。这136名科学家提出了370个问题，许多问题相互重叠，可归纳为20个大问题（图2），涉及地球动力学、气候与生命、资源与环境和社会问题。虽然调查结果并不包括所有主要的固体地球科学问题，但是，调查结果与美国国家科学、工程和医学科学院（NASEM）最近提出的美国国家科学基金会（NSF）2020-2030年地球科学优先研究的问题基本一致（图2），也比后者更加广泛。所以，本调查提出的问题及挑战对固体地球科学的发展有一定意义。地球动力学
　　地球动力学领域最重大的革命是板块构造理论的提出。该理论认为，地球表层的刚性岩石圈是一个整体，岩石圈由各种类型的边界划分为不同板块（图3），各个板块能够在塑性较强的软流圈上运动。有别于太阳系中的其他行星，地球上的板块构造运动仍然很活跃，深刻影响了人类生活。比如由构造运动引发的地震、火山爆发等，有可能给人类生活带来灾难。地学界对于板块构造相关问题展开了诸多研究，但目前很多问题没有得到解答。
　　在板块构造起源方面，地球前寒武纪的板块构造是何时、为何以及如何开始的？地球在板块构造之前是如何运作的；触发板块构造的临界条件是什么？如何量化各项指标来回答这些问题？
　　板块构造的过程方面，板块构造对生命形式演化有什么影响？早期俯冲由什么触发？蛇绿岩在汇聚板块边缘是如何俯冲的？一些被动大陆边缘、板内盆地或裂陷盆地是如何随着新的大规模沉积重新运作的？如何用地球化学特征有效区分不同的大地构造背景的火成岩？
　　图3 岩石圈板块示意图（http://k.sina.com.cn/article_5052238402_12d230a4200100r2gm.html）
　　相对于地球表层的岩石圈板块，处于地球深部的地幔及地核有着更大的研究难度。岩石圈板块受到地幔流动的控制而产生运动。地幔物质的流动是由密度变化驱动的，而密度变化是由温度和成分的变化引起的(Manga, 2001)。科学家利用地震波的特性来研究地幔流（图4），快波速区域物质密度大、温度低，可能与俯冲板片物质有关；慢波速区域物质密度小，温度高，可能受地幔柱的影响(Manga, 2001)。
　　地幔动力学争论的问题在于，地幔流从哪里升起？如何从物理特征和组成成分上对地幔流进行分类，以了解它们的形成过程？如何用深部的地幔柱和浅部的板块构造来解释板块三联点和大火成岩省？怎样才能像研究地壳岩石那样研究地幔在地质时期的演化？
　　图4 地幔结构示意图 修改自(Tackley, 2008)
　　地幔流可能影响了地磁场的变化(Biggin et al., 2012)。地球内部产生的磁场占地球表面地磁场的95%，地磁场能够保护生命免受有害的太阳和宇宙辐射。在20世纪50-60年代，地磁场倒转的发现帮助建立了海底扩张理论和板块构造理论。理解和预测地磁场的变化是很重要的，因为这些变化可能与地球内部过程有关。然而，我们仍然不知道地磁场的逆转是如何以及何时发生的。
　　地震学和板块构造学的建立让人类更加了解地震——地震如何发生、发生在哪里？许多特大城市位于构造活动活跃的环太平洋和阿尔卑斯-喜马拉雅带。然而，预测地震发生的时间仍然是一个严重的问题。火山喷发，是活跃板块边界的构造灾害，可能会造成泥石流、酸雨和飞机飞行危险。火山喷发是如何开始和结束的？怎样对火山喷发开始和结束时的情况建立模型？如何预测火山喷发？如何量化火山爆发对大气和气候的影响？
　　宇宙空间内，就地球与太阳系中各行星的动力学方面，主要的问题在于地月相互作用。月球是地球唯一的天然卫星，地月引力作用使地球出现潮汐现象，反过来，地球引力会导致月震。那么，月球引力是否会影响地震，并对地球的地形和岩石中的流体压力施加潮汐应力？气候与生命
　　工业化时代，人类使用大量化石燃料，温室气体的持续排放是导致全球气候变暖的主要原因(Hegerl et al., 2018)。全球变暖深刻影响着人类的生存和发展。最直接地，气候变暖引起冰川融化，从而导致海平面上升，海水将淹没一些地势低洼的沿海平原地区、三角洲大部分岛屿(Kumar and Pooja, 2020)。除此之外，气候变暖对降水产生影响，导致极端天气事件发生的可能性增加(Kumar and Pooja, 2020)。全球气候变暖研究的主要问题包括深入了解气候变化和碳排放及碳循环，更好地预测和建模全球变暖对环境和社会的影响，更重要的是制定技术和政策程序，以减少大气温室气体，特别是化石燃料的二氧化碳排放。
　　对气候变暖的研究可以从古气候方面入手，基于＂将古论今＂思想有可能预测气候变化对地球环境及人类未来的影响。在地质历史时期，曾出现过＂温室＂时期，如白垩纪中期和古新世-始新世等几个极热事件。同样地，地质历史上也曾出现冰河时期，如前寒武纪与古生代的冰河期。地球古气候的研究包括一系列广泛的问题，在地质历史时期的大气成分急剧变化的原因和影响是什么？什么因素决定了温室期和冰川时代的开始和结束？生物群是如何应对如此剧烈的气候变化的？研究这些问题更有利于人类对气候变暖提出相应对策。
　　古气候、古环境问题与地球上生命的起源息息相关。液态水是生命形成的必要条件。早期地球大气温度可达450 以上，在如此高的温度下，大气与岩石相互作用形成对生命物质合成有催化作用的次生矿物；随着地球气温的不断降低，水蒸气变成液态水，原始海洋形成；生命最初需要一定量的简单有机分子、具有催化作用的黏土矿物、氧化物或硫化物，无生命的化学演化最终在原始海洋中形成了地球上第一个生命(地球科学编委会编著, 2010)。
　　生命起源方面争论的焦点是：生命最初是如何、何时、何地出现？科学家们对此进行了大量思考：大约40亿年前，地球上的生命是独立地从地球早期海洋中的＂原始有机汤＂中产生的，还是由小行星和陨石从外太空带到地球的生物分子？第一批具有脂质膜、复制遗传密码和代谢分子的细胞是如何出现的？科学界对此争论不休，主要的难点是不清楚产生最古老细胞的环境。
　　最初的生命都是最低等的原核单细胞生物，经历了长时间的演化。蓝细菌是地球上已知最早的产氧光合微生物，为早期地球大气提供自由氧；蓝细菌的产氧作用促进了以有氧呼吸为主要代谢方式的生物群的出现，元古代中期以出现真核微生物和宏观藻类及蓝细菌的繁盛为特征；新元古代开始出现多细胞生物(史晓颖等, 2016)。在新元古代埃迪卡拉纪末期—寒武纪早期短短四千万年的时间里，地球上突发性地出现了包括脊椎动物（图5）在内的几乎所有现生动物的早期化石代表，这就是寒武纪大爆发(张志飞等, 2021)。有关这段历史的主要问题是：前寒武纪-寒武纪界线的年代和地层划分；从埃迪卡拉纪到寒武纪的过渡是一个大气、构造和生物进化急剧变化的时期，这一时间间隔的性质及导致寒武纪生命爆发的原因是什么？
　　图5 昆明鱼化石（早期脊椎动物代表）(舒德干等, 2009)
　　生命在地球上的演化是曲折的，在物种层面上，超过99%的物种在地质时期已经灭绝。地质历史上曾经出现五次大规模灭绝。晚奥陶纪、晚泥盆纪、晚二叠纪、晚三叠纪和晚白垩纪的＂五次＂大灭绝都使超过三分之二的物种灭绝。近年来，人类活动破坏了地球环境及基因库。因此，了解大灭绝的原因和结果对人类自身的发展和生存有重大意义，这也是生物大灭绝方面研究的主要问题。
　　生物大灭绝可能与陨石撞击有关，地球上有190个已经确认的撞击结构（如图6），地外撞击事件可能毁灭地球生态系统。所以，陨石撞击成为地球科学界关注的问题，主要的研究问题是：监测接近地球的大小行星和流星，如有必要，摧毁或改变其运动路线；大型撞击是否仅影响地球表面，还是会引起地幔扰动甚至影响核幔边界？
　　图6 典型陨石坑照片(Zheng et al., 2020)资源与环境
　　资源是衡量一个国家综合实力的重要指标，是国民经济发展的基石。随着经济全球化进程的加快，自然资源显得更加重要。各国围绕资源的勘探、开发和供应展开了激烈的竞争，资源、能源问题是科学研究的热点。
　　作为＂工业的血液＂，石油一直与固体地球科学研究和大学联系在一起，很多领域的研究围绕石油工业展开，如盆地分析、微古生物学、层序地层学、有机地球化学、地下成像、岩石物理、测井、地震及其他地球物理调查等。石油的开发对环境危害较大，如石油工程开发占用土地、破坏植被，可能导致土壤沙化；石油开发过程中产生的落地油、岩屑、钻井泥浆等会造成当地土壤污染(li et al., 2007)。石油及石油产品的使用释放温室气体对全球变暖有重要影响。而近年来，各国提倡可持续发展、绿色发展、保护环境。石油工业的未来该何去何从？是否会自我改造还是被其他能源替代？如果石油被其他能源替代，那么其他能源是否支持固体地球科学的研究与教育，如何改革和发展地球固体科学教育和研究呢？
　　化石燃料的燃烧造成了全球气候变暖，环境恶化，但其目前占世界能源供应的85%，世界人口的增加及工业化的发展导致全球能源的需求不断增长。这些为地球科学家探索和开发能源、资源提供了挑战和机遇——开发可再生资源和电气产业以替代石油，探索和生产能源矿产。
　　除能源开采外，矿产勘探一直是固体地球科学的核心。全球对矿产的需求增加，战略矿产将主导国家安全和地缘政治。经济地质学家的重要任务是提高对储量估计、地理分布、地质浓度和关键矿物及元素工业回收的认识。不可再生资源是宝贵的，值得固体地球科学界探索。淡水，作为一种可再生资源，仅占全球水资源预算的1%；并且，淡水在时间和空间上分布不均。所以详细研究水文循坏和水预算、水库测绘和地下水提取、水资源管理、流域改造、海水淡化等是固体地球科学家和工程师研究的主要问题。
　　能源、资源的开发不可避免地带来一系列环境污染问题，这些问题已经威胁到人类自身的生存和社会的可持续发展。近年来，人类被认为是一种新的地质力量(蒋青等, 2009)，对地球上几乎每一个部分产生影响，全球变暖、森林破坏、荒漠化、表层土壤侵蚀、生物多样性丧失等环境问题日益突出。因此，环境地质学可能将会成为日后的热门领域，预计在这方面所需的劳动力将增加。与环境污染问题的重要性类似，自然灾害对人类生存及经济社会发展的影响不容忽视。自然灾害是常规的地质过程，包括由构造、水文、气象和气候过程引起的一系列事件，例如，1960年，智利发生大地震及海啸，摧毁了康塞普西翁等城市，导致200多万人无家可归。因此，研究自然灾害的精确机制、风险评估和绘图、建立自然灾害预警系统、建造抗灾害结构成为固体地球科学界的重要挑战。社会问题
　　固体地球科学与我们的生活息息相关，然而，固体地球科学教育发展却不容乐观。固体地球科学在中小学教育中被低估了，主要体现在学校对固体地球科学类课程要求不高。美国、英国和许多其他许多国家的大学固体地球科学入学人数有所下降。但是，据美国劳工局估计，2019年至2029年固体地球科学工作岗位需求将增长5%，能源、环境和资源部门岗位需求增加。但是对于公众和学生来说，固体地球科学可能就是地震、化石或矿物研究等。那么，固体地球科学界如何向公众、学校及相关决策者传达固体地球科学的价值呢？这是事关固体地球科学发展的社会问题。
　　本文第一作者为南京大学地球科学与工程学院直博生，本文是作者基于＂Geoscience: what remains to be discovered?＂一文的解读，相关问题交流可通过邮箱chenft15@qq.com与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。主要参考文献
　　Biggin AJ, Steinberger B, Aubert J, Suttie N, Holme R, Torsvik TH, van der Meer DG, van Hinsbergen DJJ.2012. Possible links between long-term geomagnetic variations and whole-mantle convection processes. Nature Geoscience, 5(8): 526-533.
　　Hegerl GC, Bronnimann S, Schurer A, Cowan T.2018. The early 20th century warming: Anomalies, causes, and consequences. Wiley Interdisciplinary Reviews-Climate Change, 9(4).
　　Kumar PM, Pooja R.2020. Global warming, impacts and mitigation measures: An overview. Disaster Advances, 13(5): 82-96.
　　li YI, Zhihui LIU, Shuai LI, Zhijie W.2007. Primary Analysis and Assessment of Oil Exploitation Impact on the EnvironmentTaking an Example of Turpan Region, Xinjiang, PR China. Journal of Arid Land Resources and Environment, 21(4): 31-36.
　　Manga M.2001. Shaken, not stirred. Nature, 410(6832): 1041-1043.
　　Tackley PJ.2008. Layer cake or plum pudding? Nature Geoscience, 1(3): 157-158.
　　Zheng L, Hu W, Liu C.2020. Large crater identification method based on deep learning. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 46(5): 994-1004.
　　Horgan, J., 1996. The End of Science: Facing the Limits of Knowledge in the Twilight of the Scientific Age. Broadway Books, New York, 320 p. 科学的终结（双语版），清华大学出版社，2020
　　Maddox, J., 1998, What Remains to Be Discovered? Meeting the Secrets of the Universe, the Origins of Life, and the Future of Human Race. Simon & Schuster, New York, 448 p.
　　地球科学编委会编著. 10000个科学难题 地球科学卷. 北京：科学出版社, 2010.
　　蒋青, 冷琴, 王力.2009. ＂人类世＂论评——环境领域的＂舶来品＂,地球科学的新纪元? 地层学杂志, 33(01): 11-17.
　　史晓颖, 李一良, 曹长群, 汤冬杰, 史青.2016. 生命起源、早期演化阶段与海洋环境演变. 地学前缘, 23(06): 128-139.
　　舒德干, 张兴亮, 韩健, 张志飞, 刘建妮. 再论寒武纪大爆发与动物树成型. 中国古生物学会第十次全国会员代表大会暨第25届学术年会论文集. 南京; 2009. pp. 414-427.
　　张志飞, 刘璠, 梁悦, 胡亚洲, 陈飞扬, 张志亮, 陈延龙, 任心宜, 姚金龙, 李国祥, 郭俊锋, 华洪.2021. 寒武纪生命大爆发与地球生态系统起源演化. 西北大学学报(自然科学版), 51(06): 1065-1106.
　　责编：胡修棉
　　图文：陈凤婷
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　　校稿：祝上
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