美国国家科学基金地球科学领域的研究新机遇＊

张 炜 王淑玲

（中国地质图书馆（中国地质调查局地学文献中心），北京100083）

（译者电子信箱，张炜：zhangweicug＠gmail.com）

引言

地球有一套复杂的动力地质系统，它控制着这个星球及整个人类所经历的过去的演化、现在的状态和未来的状况。由于地球科学在过去两个世纪已变得成熟，发展中的各分支学科可以稳步完善地解答构造、作用和历史等各方面的具体问题，各个动力地质系统的多学科特性受到越来越多的关注。持续的理论和技术改进使得地球科学的所有分支学科有能力解释地球变化的地质记录，并可观测今天的地球从地表到内核正在发生的作用，更逼真地模拟复杂的动力作用，所有这些工作都还需要继续进行。但是本次报告所着重强调的几个近期研究机遇均涉及多学科的共同努力，重点在于过去和现在的具体的动力地质系统。

2011年美国国家研究委员会（NRC）发布的报告《地球科学的基础研究机遇》（BROES）详尽地阐述了地球科学基础研究如何为美国5个紧迫领域提供解决方案：①自然资源的发现、利用和保护；②自然灾害的特性和减轻；③商业化开发和基础设施建设的岩土工程技术支持；④环境管理；⑤用于全球安全和国家防卫的地球监测。随着关注度的日益增加，以上问题如今变得愈加紧迫，且在未来仍会持续受到关注。当今世界面临的首要问题包括化石燃料和水资源、造成人类生命和财产巨大损失的地震和海啸、与气候系统相关的巨大环境变化以及核武器扩散和试验——有许多紧迫的社会问题需要通过对地球科学的全面深入认识予以解决。

由于美国面临这些紧迫问题，需要制定国家战略来支持地球科学所有领域的基础研究和专业知识的培训。对未来10 年地球科学研究机遇进行评估可确定地球科学未来的研究方向，从而保证和加强他们对社会的贡献。美国国家科学基金委员会所属地球科学处（EAR）是唯一一个在地球科学所有核心分支学科新领域和战略研发上保持大量资金投入的美国联邦机构。因为EAR 计划的健康发展和有效实施加强了国家在地球科学领域的作用，为了充分利用地球科学所能做出的潜在贡献，需要继续增加这方面的投入。BROES报告发布后的10年，美国国家科学基金委员会再次要求美国国家委员会成立一个特别委员会，以确定地球科学新的研究机遇。他们要求该委员会完成以下4项任务：

（1）确定未来10年地球科学最优先的研究新机遇，包括地球表面和深部的作用，以及海洋与大气学、生物学、工程学、计算机科学和社会与行为学等各学科间的综合研究；

（2）确定用于支撑这些研究新机遇的关键测量仪器和设备；

（3）描述地球科学处和其他政府机构计划、工业界和国际计划之间这些研究新领域加强合作的机会；

（4）提出一些新的途径，以使地球科学处能帮助培养下一代的地球科学家、支持年轻的研究者及增加女性或少数族裔参与这些领域研究的机会。

1 地球科学领域的研究新机遇

地球科学的基础研究涉及广泛的物理、化学和生物作用，它们之间以复杂的方式相互作用和结合，从而产生了一系列的地表系统。美国国家科学基金委员会所属地球科学处目前正发起对地球系统的调查研究工作，其所涉及的范围既有全球性的（气候、板块构造和地核动力），也有区域性和局部性的（造山带和沉积盆地、活动断层网络、火山、地下水储集层、分水岭），还有土壤系统（微生物－矿物相互作用、微生物学和孔隙流体相互作用）。该委员会已确定了涉及重大动力地质系统的7个主题，它们只有通过多学科方法才能被完全定量化。这7 个主题是：①早期地球；②热化学内动力学和挥发物分布；③断裂和变形过程；④气候、地表过程、构造和深部地球作用之间的相互影响；⑤生物、环境和气候的共同演化；⑥与自然和人为变化有关的耦合水文地貌－生态系统；⑦地面环境中的生物地球化学和水循环，及全球变化的影响。这些研究领域涉及一系列极具挑战性的基础问题，从行星内部作用到地表环境的演化。此外，面对许多研究机遇，对精确地质测年的需求逐步扩大，这促使我们考虑EAR 如何支持地质年代学研究设施，这些地质年代学研究设施应该革新技术方法，培养下一代地球化学家，并服务于样品常规测年的新需求。

1.1 早期地球

在地球历史上，早就发生了许多独特的关键性事件：地球形成所需物质的供给；月球的形成；形成地核和早期地壳、海洋及大气的分异事件。对于地球随后的动力和地球化学演化来说，就是由以撞击和岩浆海为主的环境转变为当今以板块构造主导的适合生物生存的环境。我们可以采用多种手段增加我们对地球成型阶段的了解，如增加早期地球样品的采集、发展古代物质分析的新技术、使用新的同位素系统对早期年代学进行定量，以及开发模拟早期地球高能量状况的模型。

1.2 热化学内动力学和挥发物分布

地幔和地核中巨大的动力循环系统使热和物质循环，促使大陆长期演化、形成磁场和挥发物由地球内部往外循环，从而保持海洋和大气有大量的化学物质。高分辨率地解析地幔和地核对流系统的现今结构和过程，是建立该系统过去和未来演化模型、地球热演化模型及地球挥发分模型的关键。成像能力、极端温压条件下材料特性的实验和理论测试、地球化学测试及地幔与地核中动力循环越来越逼真的显示等领域的全面进展使人们在对热化学动力学和挥发物分布与循环的了解方面取得了重大的突破。为了回答地球内部是如何工作的这一问题，提高不同方法的分辨率是十分必要的。

1.3 断裂和变形过程

由于断裂带附近增加了仪器测量，科学家已就断裂过程和作用机制获得了令人激动的发现。这些使我们有机会在了解断裂作用、相关的变形过程和由此引发的地震灾害等方面取得很大进展。地震科学涉及一个复杂的地质系统，既有微观作用（如表面摩擦的控制），也有区域规模作用（如沉积盆地响应和海水移动激发海啸）。通过摩擦实验、观测和理论地质学、大地测量学、构造地质学、地震工程学、野外地质学、火山学、大地电磁学及深井钻进领域的研究，人们对这个地质系统的认识获得了重大的进展。未来10年里，我们应致力于在活动断裂带和俯冲带周围建立实验室，从而保证更好地了解断裂和变形过程，以及流体、挥发物和物质流动在其中所起的相关作用。

1.4 气候、地表过程、构造和深部地球作用间的相互影响

气候、地表过程和构造间的广泛相互影响是令人关注的研究机遇，主要在于地形学、水文学和水文地质学、物理和化学侵蚀、沉积物沉积及活动造山带构造变形间的相互影响。因此非常需要考虑气候和生物群相互作用的“地貌输移律”，以描述和定量化河流和冰川的下切、滑坡及沉积物的产生、搬运和沉积。为了从地貌到地质年代尺度下的气候、地表过程和构造间动力的相互作用中获得新认识，我们需要越来越多地应用热年代学（地貌表面测年方法）、光测定与测距（LiDAR）、卫星成像、模拟能力、试验方法及野外测量设备和相关研究的成果，并需要在这些方面有新的发展。现有的EAR 大陆动力学计划覆盖了上述的大部分内容，但是在气候和地表过程间更紧密的联系方面仍有重大发展潜力。

1.5 生物、环境和气候的共同演化

“深度－时间”地质记录可提供地球气候、环境和生物演化发生变化的详细记载，其中许多会为认识人类在地球系统中的地位和目前人类行为引起的变化提供类比信息、并弄清事件的来龙去脉。直到现在，通过地球化学、古生物学和生物学等新的分析手段，人们才充分认识到生物－地质系统的复杂性，这些分析手段能前所未有地探索过去地表条件随时间的演变，过去地表条件包括温度、大气化学、水文气候、海洋的化学组成、及古老生命形式的相互关系和生理学。

1.6 与自然和人为变化有关的耦合水文地貌－生态系统

为了认识大范围内景观和生态系统与干扰和气候变化的关系，需要对水文驱动作用、景观生态和生物作用间的相互影响和反馈进行更深入的了解，科学发展需要更好的理论、观测资料和模型将景观驱动的空间形式和时间变化与生物群落的动态演化联系起来。因此需要整体监测景观过程，研发新测试及数据采集设备，以支持和检验所建立的模型。

1.7 地面环境中的生物地球化学和水循环及其对全球变化的影响

人类正在改变复杂地表系统中主要组成的物理、化学和生物状态及彼此间的相互作用。与此同时，大气温度和二氧化碳水平在增高，并影响陆地环境中的碳储存、水循环和一系列错综复杂的生物化学循环及大气特征，反过来，它们也会影响气候和生态系统。为了深入了解小范围内关键地带整体的土壤、水和生物化学动态，需要新理论、耦合系统模型和新数据。为了提高我们对碳、氮、水和岩石循环的了解和定量模拟能力，需要新的测量方法和设备，以获取复杂植被类型及其下伏的非均质地质介质上面的大气和土地使用中输入物的空间及时间变化。

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

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