未來20年歐洲固體地球科學路線圖展望＊

（中國科學院國家科學圖書館蘭州分館/中國科學院資源環境科學信息中心 劉學 編譯）

（編譯者電子信箱，劉學：liuxue＠llas.ac.cn）

引言

2012年10月，英國地質調查局（BGS）、瑞士聯邦理工學院（ETH）、德國地球科學研究中心（GFZ）等多家單位在巴黎舉行“歐洲固體地球科學路線圖展望”（A Forward Look to a Roadmap for Solid Earth Science in Europe）會議，旨在對未來歐洲固體地球科學發展提出設想。此次會議后，經廣泛討論，于2013 年1 月形成咨詢建議報告“2013—2033年歐洲固體地球科學路線圖展望”（A Forward Look to a Roadmap for Solid Earth Science in Europe for 2013—33（and beyond））。該報告圍繞固體地球科學的關鍵研究問題、基礎設施和聯合項目展開，本文就其主要內容作一簡單介紹。

1 未來20年歐洲固體地球科學研究的關鍵問題

1.1 如何降低自然災害造成的危害，并且讓社會可以更從容應對災害？

在氣候變化過程中，極端天氣事件（例如暴雨和干旱事件）將會變得更加普遍。暴雨將造成洪水和物質坡移（mass wasting）而形成災害。有關氣候變化對這些事件的發生頻率和規模的影響，現在還不是很清楚。對氣候變化的研究可以更好地理解這些事件的觸發過程，從而開發一些預測工具以量化對社會的影響。

1.2 在模擬和理解氣候敏感性時，如何整合不同種類的代用指標和樣品類型？

在海洋和陸地沉積物、冰芯、化學沉積物和其他代用指標中，都記錄著地球系統對氣候變化的響應和敏感性。研究過去事件和地球歷史對于我們了解過去以及未來地球對氣候的響應非常關鍵。最大的挑戰則是，這些來自不同代替指標的信息如何整合在一起。

1.3 在過去和未來氣候變化引起的水文過程和物質坡移過程中，我們如何評估它們對地球的影響，以及生態系統和我們人類文明對其做出的響應？

全新世擁有地球最完整的氣候和環境變化記錄。早期人類文明的研究發現，外在因素如氣候變化和人類自身因素如農業和畜牧業的興起，導致土壤退化和水的流失，這些都為我們關于生態系統和人類對環境壓力的響應提供了經驗教訓。社會必須對由氣候變化造成的水資源時空分布的不斷變化做出響應。農業方法、電力生產和其他活動如何適應這種新的氣候狀態，將是未來數十年的最主要的研究挑戰。

1.4 應對地震、滑坡、海嘯和其他自然災害時，如何建立更好的物理基礎設施？

最近數十年自然災害造成的死亡事故絕大多數都是由地球過程有關的災害造成，如地震和火山。加深對這些災害的促發過程的了解非常關鍵，可以提升我們預測災害的發生概率。

1.5 如何做到最好的風險溝通，使災害對社會的影響降到最低？

災害發生的風險和災害的暴露度與脆弱性是自然科學和社會科學研究的關鍵領域。提升建模能力和加強風險溝通以減輕災害對社會的影響是一個主要挑戰。

1.6 如何建立更好的方法體系來評估天然資源的規模、儲存條件和安全開發的方法，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和消費都面臨挑戰。可再生能源將會發揮越來越大的作用。使用替代能源如頁巖氣等需要開發可靠的、安全的回收方法。未來數十年，南歐的許多地方和各主要城市，大量清潔水的供應將會變得越來越困難。保護地下水和地表水、防止過度開采和污染將是一個重大的科學和技術挑戰。為緩解歐洲當前幾乎完全依賴進口金屬的局面，則需要先進的現代技術，并且還可能需要大量歐洲國家的采礦業的復興。關鍵的挑戰領域包括：地下資源及廢物埋藏（如水、CCS、放射性廢物）；能源原位開采（如地熱、煤和頁巖氣）；采礦業的新興技術和基礎設施（如稀土礦產、生物礦床、礦物集合體）；提高資源的采收率（如石油/天然氣開采、礦物回收利用、非常規油氣資源）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 我們為什么在這里？可以說是地球科學最引人注目的問題。過去十年地球科學在該領域已經取得了重大進步，但是關鍵細節仍尚不清楚。形成地球的無數種要素是如何達到平衡的？原始地球的深部都經歷了怎樣的過程，在這個適宜生存的星球演變過程中，他們又起了什么作用？為什么地球如此獨特，金星則沒有板塊構造、沒有水、沒有磁場以及沒有生命？這是涉及多學科的問題，從野外地質學的地球化學、生物地球化學、行星科學，到實驗調查以及無數次的地核形成、地幔結晶以及早期地球形成模擬等。我們應該如何理解類似后增薄層假說等范式，以及他們對地球系統的影響。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深部地球、海洋和大氣共同演化出生命的過程，我們可以明確地球歷史中生命的起源和演化。歐洲地球科學家當前正位于該研究的最前沿，并獲得大量的設備以推進在該領域的新發現。

1.8 深部地球過程如何控制地球的演化？

地球內部對流和散熱過程中，深部地球物質的動力學過程起著非常重要的作用。對流的類型和強度控制著地殼的生長和地幔的揮發物質傳送到海洋和大氣。地幔物質的虧損和再循環，特別是水，對于地幔流變和對流都有非常大的影響。因為這些過程控制著物質進入和離開地表從而使地球保持適宜的表面，該領域依然是當前地球科學的巨大挑戰之一。隨著實驗巖石學、礦物物理學、實驗研究、數值模擬和地球化學等的進步，我們現在可以在該領域取得重大進步。

1.9 深部地球動力、地表過程、水文和氣候是如何相互聯系的？

多尺度理解板塊構造和板塊模型，結合多學科和基礎設施，研究地球深部和地表過程。模擬地球系統歷史以及演化對理解氣候和元素周期必不可少。

2 基礎設施

為了方便研究，對新的和現有的基礎設施的投資非常必要。雖然在國家層面必要的設施都已存在，但是還需要加強合作和增加歐洲的成員/區域，并且發展共享輸出的必要設施（基本數據、導出數據、模型等）。急需的基礎設施清單如下：①多參數的觀測和研究中心（鏈接地球物理、地球化學、水文、氣象、環境參數等），可以提供永久性綜合監控超級站點；②多參數設備工具，以提高特定區域的分辨率；③大型野外實驗的移動設備；④用于地球科學監測的衛星飛行任務；⑤用于海底、斷裂帶、冰下的鉆井設備；⑥鉆孔觀測網絡；⑦海底電纜網絡；⑧已有的冰芯和沉積物數據與海洋和大陸基礎設施的鏈接設備等。

3 聯合項目

必須清楚認識到需要長期開展的多學科的國際項目，在歐洲地球科學的一些大型計劃中可以找到相應的項目，以下是來自“地平線2020”（Horizon2020）科研和創新計劃下面的協同研究（CR）或基礎設施項目（RI）和聯合項目行動（JPI）的清單：①地球資源（包括化石燃料、可再生能源和礦產）（JPI3；CR）；②地球科學與社會——影響及通訊（CR）；③地緣安全（包括大城市）（CR）；④極端事件和風險（自然的和人為的）（CR）；⑤氣候敏感性、影響和適應性（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地質微生物（CR）；⑨歐洲鉆井（RI）；⑩數據共享（RI）；等。

資 料 來 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）