美國國家科學基金地球科學領域的研究新機遇＊

張 煒 王淑玲

（中國地質圖書館（中國地質調查局地學文獻中心），北京100083）

（譯者電子信箱，張煒：zhangweicug＠gmail.com）

引言

地球有一套復雜的動力地質系統，它控制著這個星球及整個人類所經歷的過去的演化、現在的狀態和未來的狀況。由于地球科學在過去兩個世紀已變得成熟，發展中的各分支學科可以穩步完善地解答構造、作用和歷史等各方面的具體問題，各個動力地質系統的多學科特性受到越來越多的關注。持續的理論和技術改進使得地球科學的所有分支學科有能力解釋地球變化的地質記錄，并可觀測今天的地球從地表到內核正在發生的作用，更逼真地模擬復雜的動力作用，所有這些工作都還需要繼續進行。但是本次報告所著重強調的幾個近期研究機遇均涉及多學科的共同努力，重點在于過去和現在的具體的動力地質系統。

2011年美國國家研究委員會（NRC）發布的報告《地球科學的基礎研究機遇》（BROES）詳盡地闡述了地球科學基礎研究如何為美國5個緊迫領域提供解決方案：①自然資源的發現、利用和保護；②自然災害的特性和減輕；③商業化開發和基礎設施建設的巖土工程技術支持；④環境管理；⑤用于全球安全和國家防衛的地球監測。隨著關注度的日益增加，以上問題如今變得愈加緊迫，且在未來仍會持續受到關注。當今世界面臨的首要問題包括化石燃料和水資源、造成人類生命和財產巨大損失的地震和海嘯、與氣候系統相關的巨大環境變化以及核武器擴散和試驗——有許多緊迫的社會問題需要通過對地球科學的全面深入認識予以解決。

由于美國面臨這些緊迫問題，需要制定國家戰略來支持地球科學所有領域的基礎研究和專業知識的培訓。對未來10 年地球科學研究機遇進行評估可確定地球科學未來的研究方向，從而保證和加強他們對社會的貢獻。美國國家科學基金委員會所屬地球科學處（EAR）是唯一一個在地球科學所有核心分支學科新領域和戰略研發上保持大量資金投入的美國聯邦機構。因為EAR 計劃的健康發展和有效實施加強了國家在地球科學領域的作用，為了充分利用地球科學所能做出的潛在貢獻，需要繼續增加這方面的投入。BROES報告發布后的10年，美國國家科學基金委員會再次要求美國國家委員會成立一個特別委員會，以確定地球科學新的研究機遇。他們要求該委員會完成以下4項任務：

（1）確定未來10年地球科學最優先的研究新機遇，包括地球表面和深部的作用，以及海洋與大氣學、生物學、工程學、計算機科學和社會與行為學等各學科間的綜合研究；

（2）確定用于支撐這些研究新機遇的關鍵測量儀器和設備；

（3）描述地球科學處和其他政府機構計劃、工業界和國際計劃之間這些研究新領域加強合作的機會；

（4）提出一些新的途徑，以使地球科學處能幫助培養下一代的地球科學家、支持年輕的研究者及增加女性或少數族裔參與這些領域研究的機會。

1 地球科學領域的研究新機遇

地球科學的基礎研究涉及廣泛的物理、化學和生物作用，它們之間以復雜的方式相互作用和結合，從而產生了一系列的地表系統。美國國家科學基金委員會所屬地球科學處目前正發起對地球系統的調查研究工作，其所涉及的范圍既有全球性的（氣候、板塊構造和地核動力），也有區域性和局部性的（造山帶和沉積盆地、活動斷層網絡、火山、地下水儲集層、分水嶺），還有土壤系統（微生物－礦物相互作用、微生物學和孔隙流體相互作用）。該委員會已確定了涉及重大動力地質系統的7個主題，它們只有通過多學科方法才能被完全定量化。這7 個主題是：①早期地球；②熱化學內動力學和揮發物分布；③斷裂和變形過程；④氣候、地表過程、構造和深部地球作用之間的相互影響；⑤生物、環境和氣候的共同演化；⑥與自然和人為變化有關的耦合水文地貌－生態系統；⑦地面環境中的生物地球化學和水循環，及全球變化的影響。這些研究領域涉及一系列極具挑戰性的基礎問題，從行星內部作用到地表環境的演化。此外，面對許多研究機遇，對精確地質測年的需求逐步擴大，這促使我們考慮EAR 如何支持地質年代學研究設施，這些地質年代學研究設施應該革新技術方法，培養下一代地球化學家，并服務于樣品常規測年的新需求。

1.1 早期地球

在地球歷史上，早就發生了許多獨特的關鍵性事件：地球形成所需物質的供給；月球的形成；形成地核和早期地殼、海洋及大氣的分異事件。對于地球隨后的動力和地球化學演化來說，就是由以撞擊和巖漿海為主的環境轉變為當今以板塊構造主導的適合生物生存的環境。我們可以采用多種手段增加我們對地球成型階段的了解，如增加早期地球樣品的采集、發展古代物質分析的新技術、使用新的同位素系統對早期年代學進行定量，以及開發模擬早期地球高能量狀況的模型。

1.2 熱化學內動力學和揮發物分布

地幔和地核中巨大的動力循環系統使熱和物質循環，促使大陸長期演化、形成磁場和揮發物由地球內部往外循環，從而保持海洋和大氣有大量的化學物質。高分辨率地解析地幔和地核對流系統的現今結構和過程，是建立該系統過去和未來演化模型、地球熱演化模型及地球揮發分模型的關鍵。成像能力、極端溫壓條件下材料特性的實驗和理論測試、地球化學測試及地幔與地核中動力循環越來越逼真的顯示等領域的全面進展使人們在對熱化學動力學和揮發物分布與循環的了解方面取得了重大的突破。為了回答地球內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量，科學家已就斷裂過程和作用機制獲得了令人激動的發現。這些使我們有機會在了解斷裂作用、相關的變形過程和由此引發的地震災害等方面取得很大進展。地震科學涉及一個復雜的地質系統，既有微觀作用（如表面摩擦的控制），也有區域規模作用（如沉積盆地響應和海水移動激發海嘯）。通過摩擦實驗、觀測和理論地質學、大地測量學、構造地質學、地震工程學、野外地質學、火山學、大地電磁學及深井鉆進領域的研究，人們對這個地質系統的認識獲得了重大的進展。未來10年里，我們應致力于在活動斷裂帶和俯沖帶周圍建立實驗室，從而保證更好地了解斷裂和變形過程，以及流體、揮發物和物質流動在其中所起的相關作用。

1.4 氣候、地表過程、構造和深部地球作用間的相互影響

氣候、地表過程和構造間的廣泛相互影響是令人關注的研究機遇，主要在于地形學、水文學和水文地質學、物理和化學侵蝕、沉積物沉積及活動造山帶構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、滑坡及沉積物的產生、搬運和沉積。為了從地貌到地質年代尺度下的氣候、地表過程和構造間動力的相互作用中獲得新認識，我們需要越來越多地應用熱年代學（地貌表面測年方法）、光測定與測距（LiDAR）、衛星成像、模擬能力、試驗方法及野外測量設備和相關研究的成果，并需要在這些方面有新的發展。現有的EAR 大陸動力學計劃覆蓋了上述的大部分內容，但是在氣候和地表過程間更緊密的聯系方面仍有重大發展潛力。

1.5 生物、環境和氣候的共同演化

“深度－時間”地質記錄可提供地球氣候、環境和生物演化發生變化的詳細記載，其中許多會為認識人類在地球系統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。直到現在，通過地球化學、古生物學和生物學等新的分析手段，人們才充分認識到生物－地質系統的復雜性，這些分析手段能前所未有地探索過去地表條件隨時間的演變，過去地表條件包括溫度、大氣化學、水文氣候、海洋的化學組成、及古老生命形式的相互關系和生理學。

1.6 與自然和人為變化有關的耦合水文地貌－生態系統

為了認識大范圍內景觀和生態系統與干擾和氣候變化的關系，需要對水文驅動作用、景觀生態和生物作用間的相互影響和反饋進行更深入的了解，科學發展需要更好的理論、觀測資料和模型將景觀驅動的空間形式和時間變化與生物群落的動態演化聯系起來。因此需要整體監測景觀過程，研發新測試及數據采集設備，以支持和檢驗所建立的模型。

1.7 地面環境中的生物地球化學和水循環及其對全球變化的影響

人類正在改變復雜地表系統中主要組成的物理、化學和生物狀態及彼此間的相互作用。與此同時，大氣溫度和二氧化碳水平在增高，并影響陸地環境中的碳儲存、水循環和一系列錯綜復雜的生物化學循環及大氣特征，反過來，它們也會影響氣候和生態系統。為了深入了解小范圍內關鍵地帶整體的土壤、水和生物化學動態，需要新理論、耦合系統模型和新數據。為了提高我們對碳、氮、水和巖石循環的了解和定量模擬能力，需要新的測量方法和設備，以獲取復雜植被類型及其下伏的非均質地質介質上面的大氣和土地使用中輸入物的空間及時間變化。

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