欧洲地球科学可持续发展战略＊

程 辉

（中国地震台网中心，北京100045）

（作者电子信箱，程辉：361658790＠qq.com）

引言

2011年欧洲科学院地球科学可持续发展讨论会指出：把地球作为一个整体来研究，是地球科学及其所有分支学科研究的指导思想，地球科学研究为可持续发展提供支撑。可持续发展既要考虑当前发展的需要，又要考虑未来发展的需要。可持续发展就是人口、社会、经济、资源供应、环境保护、灾害防治的协调发展。21 世纪人类面临的这些重大问题，都属于综合性的地球科学研究课题，它覆盖了许多学科如地质学、天文学、物理学、化学、生物学的交叉范围，需要不同学科的相互协调研究。本文综合讨论会的有关信息和资料，综述了地球科学与可持续发展的关系以及综合性地球科学研究动态，简要介绍了卫星重力测量和其他工作进展情况。

1 地球科学与可持续发展的关系

欧洲科学院地球科学可持续发展讨论会认为，地球科学涉及到矿产、土地、海洋、水、森林、能源的问题，也涉及到水、土地、大气、废物、生物多样性、全球变化、自然灾害等的环境问题，还涉及到人居环境、生态环境和生命科学、人类活动诸问题。因此，地球科学是经济发展的特质条件，又是资源能源环境与人类发展的基础。

人类在地球环境中的生存空间是有限的，地球科学（地质学、天文学、地球物理学、地球化学、海洋物理学、空间物理学、勘探地球物理学等）所涉及的学科范围广阔。经验告诉我们，对地球科学研究得愈深透，利用得愈充分有效，与其相处得愈和谐，人类社会的发展也愈有可持续发展的基础。当前的国际社会的发展由于石油天然气矿产资源供应不足、生态环境基础脆弱、恶化而受到制约，实施可持续发展前景严峻。油气和矿产勘探科学面临向地球深部索求的局面，而且显得无力，这类科学必需得到大力开发才能满足可持续发展的需要。为人类可持续发展提供资源与环境保障，提供大型发展规划以便于扩大地球科学研究，获取地球岩石层、水圈、生物圈和人类圈相互作用、找出成矿理论的保障。自然灾害的预测预防是永久性科学问题，有些灾害可以预测，但像地震灾害、海洋灾害和空间灾害还不能预测，急待解决，否则人类生存环境的破坏，将会影响社会的可持续发展的进程。

2 地球科学及其研究的对象

地球科学及其研究的对象（资源、环境、灾害）都是学科交叉和综合研究的课题。地球演化过程中的各种地质现象，本质上是物理学、化学的作用过程。要深入研究这些现象产生的原因、发展过程、运行的规律以及造成的后果，需要用物理学、化学、生物学的原理加以解释，而更高层次有时还需要归纳、上升为一定的规律（或是经验）规则，并以数字形式表达呈现。现代地学知识还得取自观测并进行处理研究。因此，研究地球演化的科学，被认为是大的“人类学”。因为地球科学的研究（同其他基础科学相比）同人类社会有更为直接的关系，而人类活动对地球环境的影响也有直接的关系。

以学科交叉的方法解释地球演变中的物理化学过程及现象是有难度的。因为每一学科问题的表达和推理方式都有各自的语言、符号、概念和准则，乃至方法论的特征。例如天文学习惯于天体运行中周期性分析。地质学则用历史表述地质事件。地球物理学则往往在物性和环境参数假定的前提下用物理方程，精细地量化求解地球物理问题。对于复杂的地球问题来说，在时间轴上，既有线性的也有非线性的演化步骤，在空间域内，既有可均匀化的，也有不能均匀化的物性场。时空交织的地学复杂系统，绝不能以单个学科的思维定式加以统一化，这就是国际地学界所共识的学科大交叉。经验告诉我们，用学科交叉方法求解地球科学（地球物理学）问题，大多数会取得进展和突破性成果。所以投资于地球科学大学科交叉课题，研究成果是可预期的，它会在实际应用中获得最大效益，如地球内部深层探测对勘察深层油藏矿藏最为有效。

3 地球内部动力学对地表构造和过程的影响

地球内部动力学对地球构造和过程的影响已成为地球科学的研究热点。固体地球科学研究已从地球浅部转向地球深部。法国的地球科学机构，在1980年代后期，已将注意力集中于地球内部，特别是地球内部不同圈层之间的相互作用和过程。近年来，地震学的研究揭示了地球内部早期变异可能存在双向演化的特征，从而有可能证实地球动力学的潜力正在控制着深部结构的变化趋势。深部化学和热异常动力学影响着岩石层构造的演化和深部流体的分布。但对含流体的构造的性质及形成机制还缺乏认识。由板块构造推动，地球内部结构的研究瞄准以下几个方向进行：①从静态的圈层结构和物理场的研究，转向了针对典型构造过程（运动、能量传输）的研究，建立了天然实验室研究模式来研究这些过程；②确立地核下地幔之间物质组成和储存这些物质的结构成为重点；③利用高精度观测手段探测深部的各种物理场和分析介质的成份。欧洲和美洲科学院合作研究的课题能否取得成果，将依赖于对目标区域的结构、构造和物质组成所进行的仔细研究及欧洲比利时等科学院的合作研究。已经开展的，如核幔边界的D 区、地震波低速带、过渡带、形态、各向异性的研究，又如上地幔过渡带各间断面（热点、火山、俯冲带、克拉通活化区）的研究，还安排了典型大陆构造（欧洲地台、加拿大地盾、南非克拉通、青藏高原）和大陆边缘的研究（欧洲缝合带、地中海、美国加利福尼亚州的板块汇聚带）。上述这些研究所靠的资料是地震观测数据。通过地球深部探测会有力地带动固体地球物理乃至固体地球科学的发展，为欧洲资源、环境可持续发展提供科学支撑。

4 卫星重力测量工作进展

卫星重力测量是欧洲大地测量和地球物理研究的重要方向。出于军事需要，欧洲要布署反导系统，发射精度及命中精度全依仗重力分布。重力卫星发射所获得的资料在地域上是均匀的，在时间上是实时的，这正是高命中率所要求的。继承过去测量地球固有地磁、重力场的技术，德国首先发射了CHAMP科学卫星。该卫星装有多功能微卫星仪器舱，具有对地球物理、气候、大气环境进行综合探测和系统分析的能力。该卫星主要用于探测地球内部，从地核到地幔和地壳间的结构和动态变化；测量海洋变化周期以及海平面变化与全球气候变化之间的关系。该卫星由于贴近地球极区轨道运行而能详细测定地球重力场和地球磁场，这将把现有静态中长波部分重力场的精度提高1～3个数量级，并提供长波部分重力场随时间变化的信息。这为利用高精度重力资料为实现大地测量研究和导弹发射命中率提高提供了科学保障，引起全球的关注，被称为继GPS之后大地测量学的又一重大进展。

卫星重力测量对研究地球的形状、演化及其动力学机制；地球参考系统及全球高程系统；地球的密度及地幔物性参数；洋流和海平面变化；冰融和陆地水变化；地球各圈层的变化及相互作用等，有其他地球物理方法不可替代的作用。因此，欧洲和美国在卫星重力测量方面的合作受到政府的大力支持。卫星重力测量研究集中在4 个课题上：①利用CHAMP卫星重力资料计算低阶重力场系数（36阶）及其变化；②反演地球重力场的研究；③研究重力卫星高轨低轨跟踪模型对重力场系数解算精度的影响；④卫星反演重力场的地学应用：海平面变化，大地水准面测定，地心变化的确定，大气、海洋和地表水分布的估计和重力场变化的约束。

5 空间物理——空间天气预报的进展

欧洲科学院会议对空间物理——空间天气预报的进展特别关注。从实施“星群二号”计划以来已经在预报模型上有突破性进展。该计划是欧洲空间管理局的一个国际项目，由4颗科学卫星组成。在距地球2.55 万～12.5 万km 的高空的椭圆轨道上保持等距离，用于研究地磁场环境，太阳风暴（日冕物质抛射）对地磁场的影响。星群二号的4颗卫星都由德国的道尼尔卫星公司，即现在的欧洲Astrium 卫星公司负责研究，属于德国教育科学部的CHAMP 项目，目前正在运行当中记录了高空电离层—磁层空间中的磁暴、磁亚暴、极光、高能粒子辐射的资料。以空间探测和空间天气为线索带动日地空间的各圈层内及其耦合、能量传输关系的研究，以实现空间天气预报为目的，服务于导航、通信、宇航员生命安全和健康的业务活动。

日地空间环境与空间天气预报研究中的许多科学问题都关系到导航、通讯、传输网络、宇航员安全等人类活动的安全。在认识空间环境因素、探索灾害性空间天气（电离层扰动、地磁暴等）的发生机理、变化规律方面，需要提高认识，通过卫星探测，研究空间天气过程的模式（日冕物质抛射的驱动的传输，太阳风暴－磁层－电离层－热层的相互作用过程，地球空间暴的驱动、触发等过程以及空间等离子体的行为等），研究空间天气对人类活动的影响（空间天气条件对信息系统和电波传播的影响，对卫星、航天飞船运行安全的影响，对空间材料和宇航员生命的影响等），从而建立一门新的空间科学即空间天气学。欧洲科学院已出版这方面的著作，全面论述空间天气学的形成。

6 地球信息学的研究

地球信息学的研究，地球科学的研究是一项复杂的工程。地球科学是一门观测性科学。1960年代板块学说的建立得益于地球物理探测技术、星载遥感技术、大洋钻控技术等方面的发展。1990年代以来，以空间技术和信息通信技术的高技术迅速发展，不仅引起地球科学工作方式和思维方式的大变化，而且带动了相关科学的发展与变革，促成了地球信息技术学的形成。对地观测技术、地球内部和海洋探测技术、分析测试与实验技术、地球信息技术构成了地球科学4大技术系统，推动了地球科学的发展，使地球科学进入了对地球进行整体研究的新时代。21 世纪地球科学将会取得巨大的飞跃发展。欧洲科学院应当在这方面作出应有的贡献。

（本文参考文献为出国考察获取的内部资料，略）。