决策咨询研究报告

地球科学新的研究机遇 编号:12014001

12014001

     

  译者序... IV 

    ... V 

    ... VIII 

    ... 1 

  1  21世纪的地球科学... 7 

  2  地球科学新的研究机遇... 14 

  1 早期的地球... 15 

  2  热化学内动力和挥发物分布... 24 

  3 断裂作用与变形过程... 32 

  4 气候、地表过程、地质构造以及深部地球过程之间的相互作用... 43 

  5 生命、环境以及气候的协同演化... 49 

  6 水文地貌—生态系统对自然和人为变化的耦合响应... 59 

  7陆地环境生物地球化学和水循环以及全球变化的影响... 67 

  8 地质年代学最新进展... 75 

  3  认识和建议... 79 

  1长期研究者驱动的科学... 79 

  2 早期的地球... 80 

  3 热化学内动力和挥发物分布... 82 

  4 断裂作用与变形过程... 84 

  5 气候、地表过程、地质构造以及深部地球过程之间的相互作用... 85 

  6 生命、环境以及气候的协同演化... 87 

  7 水文地貌—生态系统对自然和人为变化的耦合响应... 88 

  8陆地环境生物地球化学和水循环以及全球气候变化的影响... 90 

  9 地质年代学研究设施... 91 

  10 跨机构和跨国合作与协调... 93 

  11培养下一代和多样化的研究团体... 94 

  参考文献... 97 

  附录A 背景资料清单... 114 

  附录B 贡献者名单... 119 

  附录C 委员会成员及职员简介... 126    

  

  地球拥有一套复杂的、不断变化的系统,它控制着地球和生活在其上的人类所经历的过去的演化、如今的状况以及未来的环境。在过去的2个世纪中,地球科学的发展已经趋于成熟,正在发展的分支学科都致力于研究地球结构、演化过程以及详细的历史过程,其中,不断变化的地球系统涉及的跨学科特性正逐步被科学家们所关注。理论的发展与技术的改进正在推动地球科学的分支学科迅速前进,并发挥各自的作用。如今这些分支学科记录陆地变化的各种数据,观测从地表到地心的活动过程,并且通过错综复杂的动态模拟来研究这些变化对地球的驱动作用,所有的这些研究工作都需要持续地坚持下去。然而,本报告所强调的短期内该领域的最佳研究机遇都涉及聚焦于过去及现在的特定动态地球系统的综合性多学科研究。 

  2001年美国国家研究理事会(NRC)的报告《地球科学基础研究的机遇》(Basic Research Opportunities in Earth ScienceBROES)介绍了地球科学基础研究对5个方面的国家需求的支持:发现、利用和保护自然资源;自然灾害的特征及减灾;地学技术对商业和基础设施发展的支持;环境管理;服务全球安全和国防的陆地监测。随着人类对相关问题的重视程度的增强,这一趋势在今天更加紧迫,而且将持续至未来。现在世界关注的热点涉及化石燃料和水资源、危及成千上万生命的地震和海啸等自然灾害的发生及其所导致的巨大经济损失,与气候系统密切相关的环境变化,以及核武器的研制与测试,如此众多且急迫的社会议题需要地球科学方面的重要信息支撑。 

  在这些国家需求的驱动下,需要一个国家战略来持续推动地球科学各领域的基础研究和专业知识培训。本报告对未来10年研究机遇的评估发现了地球科学维持并增强其对社会贡献的诸多途径。美国国家科学基金会(NSF)是唯一个对地球科学各核心分支学科的好奇心驱动的研究和战略性研究都进行资助的联邦机构(相关活动通过EAR进行)。因此,EAR相关计划的健康和成效是美国国家力量在地球科学领域努力的重点,同时地球科学可以实现的潜在贡献也需要投资的增加。在BROES报告发布10年之后,NSF再次请求NRC形成即席委员会来确定地球科学新的研究机遇,因为这涉及到EAR的责任。特别是,该委员会被要求承担以下4项任务: 

      1)识别未来10年地球科学领域高优先级的新研究机遇或正在出现的研究机遇,包括地表与深部地球过程和涉及诸多领域的跨学科研究(如海洋和大气科学、生物学、工程学、计算机科学和社会科学与行为科学)。 

      2)确定支撑这些新研究机遇所需要的关键仪器和设施。 

      3)描述EAR与其他政府机构计划、行业及国际计划在这些新兴领域增强合作的机会。 

      4)提出建议,以帮助EAR培养下一代地球科学家、支持青年科学家的研究,并促进弱势群体(underrepresented group)的参与。 

      但是,委员会并未要求对现有的EAR计划做出评估,也不要求给出预算建议。 

  1 地球科学新的研究机遇 

  地球科学领域的基础研究围绕着一个宽广的范围开展,包括物理、化学和生物过程,它们之间以一种复杂的方式相互作用与结合,形成了一个陆地生态系统。目前美国国家科学基金会(NSF)发起了对地球系统进行调查研究的活动,其范围限定在地理学尺度上,从全球的气候、板块构造以及地核动力机制,到区域和地方的造山带的沉积盆地、活动断层系、火山、地下水层、流域以及土壤系统,再到微矿物相互作用、微生物以及孔隙流体相互作用。借助进步观念的联合,观测能力和信息技术的全面进步,所有这些尺度方面的研究都已经加快。委员会提出了涉及动态地球系统的7大研究主题,其只能通过跨学科的方法全面量化,也只能通过与EAR地球深部过程和地球表层过程相关的多尺度和多学科参与来组织。这7大主题是:早期的地球;热化学内在动力及挥发物分布;断裂作用与变形过程;气候、地表过程、地质构造和深部地球过程之间的相互作用;生命、环境和气候间的共同演化;耦合水文地貌—生态系统对自然界与人类活动变化的响应;陆地环境的生物地球化学和水循环,及全球变化对它们的影响。从研究地球内部的运作到地表环境的演化,这些研究涵盖了一系列重大问题。另外,为支持更多的研究机遇,对精确地质年龄数据的需求不断扩大,这推动EAR重新构建其对地学测年设备的支持方式,这一方式必需推动测年方法的创新,培育下一代的地球化学家,并且服务于迅速发展的利用微量样品对年代进行常规测定的需求。 

  2 主要发现与建议 

  整体而言,在支持研究者驱动的学科研究、聚焦问题的多学科研究,以新仪器和设备为目标的设备研究方面,以及维持各类研究之间的平衡方面,EAR已经完成了出色的工作。为应对这3种研究计划领域不断出现的科学需求,委员会给出了相关建议。这些建议主要涉及新的机制,其将允许EAR培育本报告中提及的新研究机遇。 

  2.1  长期以来由研究者驱动的科学 

  在未来10年,甚至整个21世纪,通过地球历史、目前行为以及未来演化来量化地球动态过程的努力将涉及建立在各分支学科基础研究进步之上的综合性跨学科方法。虽然本报告中的主要建议特别强调寻求具有很高潜在影响的综合性活动,但是,如同之前NRC关于科学研究机遇的很多报告,该报告再次强调了以维持分支学科为基础的核心地球科学研究及其设施的重要性。个体研究者驱动的科学研究仍然是增强知识基础以建立综合性方法的最具创造性和最为有效的方式。该报告给出的很多结果都再次证明了个体研究者在推动基础地球科学研究中的必要作用,其是维护和加强地球科学学科实力的一个最为重要的机制。现在,EAR是支持地球科学所有范围的基础研究的唯一机构。 

  2.2  新的研究机遇 

  1早期的地球 

  许多独特的关键事件发生在地球历史的早期阶段:如形成地球的物质的传递,月球的形成,形成地核以及最早期地壳、海洋和大气的物质分异。地球的早期历史为其后期的动力学和地球化学演化提供了一个平台,地球从一个由岩浆洋为主宰的环境,演变为今天以板块构造为主的适宜居住的环境。目前有很多方法可以帮助我们增强对地球形成历史的理解,其中包括扩大早期地球样品的采集范围,创造新技术来分析古样品,量化用于新同位素系统的早期年代表,以及开发用于模仿早期地球高能量环境的模型。 

  建议EAR应采取适当措施来鼓励对地球历史及其基本的物理和化学过程的研究,这些过程掌控着地球从增生开始到早太古代的演化。或许可以建立一个有关早期地球的特别行动计划,该计划的目标和远景可能通过地学团体工作组来制定,工作组在征集单独建议前一般先准备一个科学计划。 

  2热化学内在动力和挥发物分布 

  地球地幔、地核热量和物质的巨大动力循环系统推动着地球的长期演变,形成了地球电磁场,促使挥发物在地球内外循环,保持着海洋和大气中的大量化学物质。用高分辨率地核对流系统来分析目前地球的构造及地幔是开发模型的关键,而开发模型就是为了了解过去和未来地球的对流系统、地核热量及挥发物迁移的发展演化。成像技术的进步、理论与实践对物质性能认识的提高(即便该物质存在于极端的压力和温度条件下)、地球化学科学的发展及地幔和地核动态循环实例的增多,使得地球科学在了解热化学动力学和挥发物的分配和循环方面的门槛被突破。加强对各种方法的分析,对解决有关地球内部运行这种悬而未决的问题至关重要。 

  建议EAR应注重设施与能力的发展,这将提高地幔及地核深部构造的空间分辨率。例如,如果要了解地震情况下地球内部的构造,就可以在地球外部的多个有力地点进行部署,提高计算机硬件及软件的能力,确保它们提高地球动力学模型的三维分辨率,从理论和实践上提高对矿物物理结构的高分辨率调查。这将对过去几十年提出的深层地球结构和进化理论做出最终的检验。这种大型的研究设施,需要经历一个个漫长的发展和审查过程,需要构建这样的框架,尽快展开行动。 

  3断裂作用与变形过程 

  在断层区域增设仪器取得了令人兴奋的科学发现。这些发现为我们进一步了解断裂作用、相关的变形过程及地震危害的产生提供了一个非常重要的机会。从微观尺度过程(如表面摩擦的控制)到区域尺度(如由海水位移引起的沉积盆地反射和海啸激发过程),地震科学涉及一个多尺度过程的复杂地球系统。从地球系统研究角度来看,需要开展跨实验室的摩擦实验与理论地震学、大地测量学、构造地质学、地震工程学、野外地质学、大地电磁学和深钻学研究人员之间的交互活动,并且现在已取得巨大进展。未来十年需要共同努力,以活跃断裂带和俯冲带为议题建立实验室,希望借此能够提高人类对断裂作用和变形过程的了解,同时还需了解流体、挥发物和物质通量在其中的作用。 

  建议EAR应采用跨学科的综合量化方法去探查断层滑动、断裂带中的沉积物、流体和挥发物通量之间的关系。这种观测断裂带和俯冲带的成功做法应持续下去,因为这为了解断层和及其相关变形过程提供了一个综合性的地球系统框架。相关的地球探测计划正在探索北美大陆的结构和演化,该计划采用了成千上万的协调化的地球物理仪器。到2018年,这个项目的完成将会形成重要的科学价值。 

  4气候、地表过程、地质构造以及深部地球过程之间的相互作用 

  气候、地表过程和地质构造之间的广泛作用是一个令人关注的研究领域,其中的研究机遇以地形、水文和水文地质、物理、化学剥蚀、沉积及构造活动带之间的相互作用为中心。用气候和生物作用来描述和量化河流和冰川切口、山体滑坡的时候,会强烈地需求地貌运移规则。这些运移规则将使我们基于事件的过程融入长期的系统行为。对气候、地球表面及地球构造间动态交互的重新认识,需要增强地表年代测定、激光雷达(LiDAR)、卫星成像、建模能力、实验方法、现场测试设备研究等方面的发展。现有的大陆动力学计划涉及了许多该方面的主题,但与气候和地表过程较强的联系使其有更巨大的进步潜力。 

  建议EAR应采取适当措施来鼓励气候、地表过程、构造和深部地球过程之间交互作用的研究工作,要么开始一个新的跨学科计划,要么扩展NSF对大陆动力学计划的关注,以进行跨学科分主题的更为广泛的研究。 

  5生命、环境和气候间的协同演化 

  深时(deep-time)地质记录提供了毋容置疑的有关早期地球气候、环境和生命演化的变化信息,其中许多记录为了解人类在地球系统中的地位和当前人为变化提供了类似物、观点和背景。然而,这种生物地球系统非常复杂,现在通过来自地球化学、古生物学和生物学的新分析工具,我们才能对其进行充分认识,对其进行前所未有的探索,研究过去地球表面的状况,包括温度、大气化学、水文气候、海洋化学成分,及其与古生命形成的相互关系。协调使用好跨学科功能,并将其应用到过去的记录中,将为理解这一长时间记录和非线性的生物地球系统提供突破性认识。 

  建议EAR应制定一个机制,以建立一个以团队为基础的跨学科科学驱动的项目,团队成员要涉及到地层学、沉积学、古生物学、变量开发(proxy development)、校准和应用研究、地球年代学研究和气候建模,以从时间和空间尺度上更好地了解环境、气候和生物变化事件的主要关系。预计这些项目需要在不同计划、不同理事会间交叉进行。 

  6耦合水文地貌生态系统对自然界与人类活动变化的响应 

  了解大型景观和生态系统对气候变化的干扰和响应,就需要更多去理解水文驱动力、景观形态和生物过程之间的相互作用和反馈机理。水文生态科学的进步需要更好的理论、观测和空间及时间变异(地形、水文、地质)的模型去研究生物群落的动态,包括以水文和地貌方面的领先指标来鉴定景观生态系统状态的变化。这就要求综合地监测景观过程、开发新仪器、建立数据档案,并用其支持及测试模型,这些工作有利于大尺度的复原,能够通过可控实验记录历史上所发生的变化。 

  建议EAR应促进耦合水文生态系统应对气候变化方面的研究。委员会特别强调,NSF应将跨学科的研究目标放在沿海环境上。这一举措将为理解和预测海岸景观对海平面上升、气候变化和人类及自然干扰的响应奠定基础,这将填补NSF现有的研究差距,也能促进NSF海洋科学部、美国地质调查局(USGS)、美国国家海洋与大气管理局(NOAA)之间共同协调。 

  7陆地环境的生物地球化学和水循环,以及全球变化对它们的影响 

  人类正在改变地表系统重要组分的物理、化学和生物状态及其之间的反馈。与此同时,大气温度和二氧化碳含量呈现增加状态,它们的增加影响了陆地环境的碳储存、水循环及错综复杂的生物地球化学循环。提高我们对小尺度关键带中土壤、水和生物地球化学动力学的综合认识,需要新理论、系统模型及新数据。理解和定量模拟碳、养分、水和岩石循环的新进展的能力取决于新的测量方法和仪器,它们捕捉大气的空间和时间变异、测量复杂植被类型的叠加、调查潜在的地下非均质矿物。 

  建议EAR应继续支持相关计划,重点关注水、碳、养分和地质物质在陆地环境循环的综合研究,包括土壤形成的反应机制、水文和养分循环、与人类活动相关的扰动、碳在地表环境和大气中的循环,以及它们对气候、生物地球化学过程和生态系统的反馈作用 

  2.3 用于支持研究机遇的仪器与设施 

  每个研究机遇都有特定的、以学科为基础的数据采集、仪器及与其相关的设施,但需要一些交叉。所涉及的全球尺度的地球系统需要空间观测数据,它们通常由地球物理、地球化学、岩石学和环境测量系统提供。这些数据有的来源于长期观测站,如由当前NSF和其他机构支持的地震和大地测量网,以及用于水文、岩石和矿物采样与钻探、地震学、大地测量和电磁测量的便携式仪器设施。在设施、核心学科研究和跨学科研究的资助方面,EAR已经实现了合理的平衡。维持这种平衡对预算的增长是十分重要的,而对新的跨学科或仪器的推动往往会在预算中占有较大的比例。随着时间的推移,对于维持整个国家努力的健康而言,保持资源投入的平衡(特别是对核心个体科学家计划的资助)将是非常可取的。 

  建议EAR应为地质年代学实验室探索新机制,以服务一系列研究机遇的年代测量需求,同时维持其在方法方面的技术领先地位。这一措施可能涉及多个设施与服务设施投资间的协调,而且,针对不同年代学系统的协调也可能有所差异。  

  2.4  合作与协调 

  EAR领导的机构合作将继续发挥其在实现本报告所确定研究目标中的重要作用。管理良好的伙伴关系能够促进研究团体之间的更广泛合作,并充分利用有限的资源,达成富有成效的协同。在所强调的研究机遇中,早期地球叠加了美国国家航空与航天局(NASA)的任务目标和美国能源部(DOE)所支持的一些研究活动,NASA进行的测量和美国国防部(DOD)支持的卫星使得对地球构造的研究成为可能,地表过程和海岸带动力学研究则是USGSNOAA和美国林务局(U.S. Forest Service)的核心问题。未来,发展和维护这些伙伴关系的持续努力将成为最大化EAR资助影响的关键所在。 

  2.5  培养下一代研究者,并使研究者群体(Researcher Community)多样化 

  资助本报告中提出的研究机遇将需要有技能和知识的研究人员来推动科学的发展,但是,对于美国而言,吸引新学生并提供适当培训仍然面临巨大挑战。增加弱势群体的参与是一个同样重要且直接相关的挑战,同时,一些人对科学和数学的接触依然不均衡,而穷学生和富学生之间也存在显著的科普知识差距。EAR正在通过多个方面的宣传工作来增强多样性、教育和知识转移。未来,这些努力将继续得到加强。EAR可能会采取以下几个方面的措施,包括在高中设立地球科学进修课程,推动大学生对地球科学的早期认知,发展地方基础研究和教育项目以整合土著景观和思维方式并培养科学传播者。 

                                                                 张志强 郑军卫等 译