21世紀(jì)十大地球科學(xué)問題

1、 TOC o 1-5 h z 地球和其他行星的起源1地球“黑暗時期”（地球誕生后的最初5億年）的演化歷史1生命的起源1地球內(nèi)部運動及其對地表的影響2板塊構(gòu)造與大陸地質(zhì)過程2地球的物質(zhì)特性與地球過程的控制3氣候變化的原因與幅度3生命一地球的相互作用與影響4地震、火山噴發(fā)等災(zāi)害及其后果的預(yù)測4 地球內(nèi)外流體運動對人類環(huán)境的影響4地球和其他行星的起源太陽系具有龐大的幾何形態(tài)，擁有一系列不同類型的行星和衛(wèi)星，如氣體行星木星、土星、天王星 和海王星;巖石行星:水星、金星、地球及火星等。幾個世紀(jì)以來，人們一直在研究下列問題:行星如何在 恒星周圍形成？太陽系行星如何形成？有關(guān)地球起源的隕星證據(jù)都說明了什么？

2、地球的化學(xué)組成是什么? 月球是否由隕星撞擊而成?現(xiàn)在，很多證據(jù)可以提供太陽系及行星形成的關(guān)鍵信息，其中非常重要的就 是模擬研究。越來越多的以強(qiáng)大望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的天文觀測，以及對小行星、彗星和其他途經(jīng)太空船行星的 研究為恒星和行星的形成模型加入了新的維度。地球化學(xué)研究和天文觀測的交叉變得越來越多:質(zhì)譜方法 的改進(jìn)、隕石同位素成分的新資料正在推動地球和隕石標(biāo)準(zhǔn)組成模型的改進(jìn)，對隕石中的前太陽系階段 粒子的研究使人們對恒星演化及核合成的認(rèn)識越來越清晰。先進(jìn)的計算能力則使科學(xué)家們能夠?qū)π窃票P 的演化、星子與行星胎的碰撞后果、原行星體內(nèi)部過程等進(jìn)行更精確的模擬。但是，人類對地球組成成分的了解還不夠詳細(xì)，其中

3、仍然存在一些重要問題:地球如何獲得揮發(fā)性成 分？這些成分現(xiàn)在還有多少？地球的難熔元素是否與隕星完全一樣？地球內(nèi)部生熱元素的絕對濃度是多 少？對于太陽系而言，需要更清楚地認(rèn)識:太陽系最初數(shù)百萬年里的行星形成過程，太陽系后期事件（如 重大撞擊）對行星的影響，早期太陽系過程對行星化學(xué)成分和大小的影響，各種形式同位素異質(zhì)性的起源。 未來，只有以望遠(yuǎn)鏡、空間飛行器、敏感的分析設(shè)備對太陽系的其他星體和太陽系外天體作進(jìn)一步的觀 測，人類才能更深入地了解地球和太陽系的起源。地球“黑暗時期”（地球誕生后的最初5億年）的演化歷史科學(xué)家們普遍認(rèn)為，在地球的形成過程中，一顆火星大小的行星與地球發(fā)生了碰撞，撞擊出一大塊

4、 星云碎片，其后形成了地球的衛(wèi)星即月球，同時在碰撞過程中產(chǎn)生了巨大的熱量致使整個地球發(fā)生了熔 融。從地球的誕生初期到其演化到今天人們所看到的狀態(tài)，這些熔融巖究竟如何演化呢？這其中涉及一 系列問題，如地球向其目前環(huán)境的過渡如何發(fā)生？地球如何形成海洋與大氣？地球的金屬核是在何時、 如何形成的？最早地殼如何形成，其基本組成物質(zhì)是什么?地球誕生后的第一個5億年被稱作“冥古宙 （Hadean Eon）”，這是目前人們?nèi)鄙僬J(rèn)識的一個關(guān)鍵時期（缺乏巖石樣品），它對理解行星地球的大氣、海 洋、不同地核層、地幔層及外部地殼的發(fā)展、演化至關(guān)重要?；趯π行切纬伞?nèi)部過程、物質(zhì)特性及 氣候的認(rèn)識，科學(xué)家們建立了冥古

5、宙地球模型。理解冥古宙氣候的關(guān)鍵在于對大氣過程的認(rèn)識，盡管現(xiàn) 代地球的大氣模型已相當(dāng)先進(jìn)，但是人類對不同類型行星大氣的認(rèn)識仍處于初步階段。當(dāng)前，人們改善 冥古宙認(rèn)識的希望出現(xiàn)了新的機(jī)遇。對古老鋯石及其礦物包裹體的同位素和化學(xué)成分的精密測量不斷發(fā) 現(xiàn)新信息;對月球、火星、金星、木星和土星的衛(wèi)星的觀測為早期地球、早期太陽系的演化研究打開了新 的窗口；隕星和地球巖石的比較則產(chǎn)生了更好的早期地球內(nèi)部過程模型，包括金屬核的形成，地球內(nèi)部 氣體物質(zhì)的出現(xiàn)與消失，地殼和地幔的演化。未來，更多的古代巖石和礦物樣品將被發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)材料微 分析能力將大大提高，同位素測量將更精確，更多的航天器將被發(fā)射。生命的起源目前

6、，生命起源仍然是科學(xué)史上最令人好奇、最難、也是最持久的問題之一。因為太陽系中的生命 形成于數(shù)十億年以前，所以一些有關(guān)生命起源的最基本問題屬于地質(zhì)學(xué)范疇。有關(guān)生命起源的歷史記錄 非常少，因此通常以理論和實驗的方法進(jìn)行研究。長期以來，科學(xué)家們所進(jìn)行的研究活動主要涉及:達(dá)爾 文的從上而下與從下而上模式，實驗室內(nèi)的生命創(chuàng)造，生命出現(xiàn)的時間、地點，生命與非生命的區(qū)別， 地球之外存在生命的可能性。在達(dá)爾文的物種起源（The Origin of Species）中有這樣的假設(shè):新物種出現(xiàn)于現(xiàn)有物種的向前演進(jìn) 過程中，也就是說形成生命的基礎(chǔ)物質(zhì)就是生命。但是，不知何故，不知何處，生命之樹卻開始在無生 命的土壤

7、上生長。有關(guān)生命起源以及最早生命形成地點、時間和形式的現(xiàn)有唯一證據(jù)來自于對巖石和礦 物質(zhì)的地質(zhì)調(diào)查研究。當(dāng)生命首次在地球上出現(xiàn)時，地球表面的環(huán)境可能與現(xiàn)在差別很大，因此準(zhǔn)確弄 清適合早期生命演化的地球物理環(huán)境和化學(xué)條件是當(dāng)前研究中的一項重大挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家們也曾試圖在實 驗室內(nèi)從火花和氣體中創(chuàng)造生命，研究地球早期環(huán)境下生命的第一次形成過程，但是無論如何限制條件， 地球早期環(huán)境仍然難以捉摸。在以后，當(dāng)有機(jī)化學(xué)合成和分子生物學(xué)繼續(xù)為生命起源的探索提供實驗依 據(jù)時，地球科學(xué)家們將更多地在實驗室內(nèi)進(jìn)行特殊條件下實驗;地層學(xué)家、古生物學(xué)家、生物地球化學(xué)家、 地球年代學(xué)家將對生命起源的時間及早期有機(jī)體的代謝特

8、點做出更多的界定；研究地殼分化和低溫反應(yīng) 的地球化學(xué)家將改善對早期地球氧化還原條件、風(fēng)化作用及金屬豐度的認(rèn)識;建模人員將利用新數(shù)據(jù)提出 更多更完備的假說；現(xiàn)在探索火星和其他星體的行星科學(xué)家將更多地關(guān)注其他行星的環(huán)境和生物演化。地球內(nèi)部運動及其對地表的影響隨行星形成時間的增加，行星逐漸冷卻，這使其內(nèi)部過程、大氣和地表過程也進(jìn)入逐漸變化的狀態(tài)。 地球內(nèi)部的演化在整體上控制著行星的演化，地球內(nèi)部過程的變化表現(xiàn)（如山脈和火山）對地表和大氣特 征有重要影響。迄今為止，研究人員所探討的問題主要包括:地幔對流與地球熱演化的關(guān)系，對流和熱傳 遞的地幔柱證據(jù)，對流是否通過整個地?；虻貙影l(fā)生，地球內(nèi)核的形成時間，

9、地球磁場如何隨時間演化， 地幔對流的化學(xué)作用。由于地球內(nèi)部環(huán)境限制，無法進(jìn)行直接研究。一個多世紀(jì)以來，對地表進(jìn)行的地震波、地磁及重力 測量改善了人們對地球內(nèi)部的認(rèn)識:地幔和地核處于不斷的對流狀態(tài)，熱量從行星內(nèi)部傳遞到表面的最基 本方式是行星廣泛存在的固態(tài)和液態(tài)對流。地核對流產(chǎn)生地球磁場，其可能對地表狀況產(chǎn)生了重要影響; 地幔對流則是火山作用、海底擴(kuò)張、造山運動以及地表和地球深部之間物質(zhì)交換（如水和碳）的原因。雖 然這些認(rèn)識在不斷進(jìn)步，但現(xiàn)在科學(xué)家仍不能精確描述這些運動的當(dāng)前狀態(tài)，也無法計算出它們與過去 的不同。人類對地核、地磁、地幔、地表間關(guān)系的研究，對地球不同于其它行星的原因，以及地球?qū)⒖?

10、能發(fā)生的變化的探索，才剛剛開始。盡管已經(jīng)有了地幔和地核對流的先進(jìn)模型，地球化學(xué)和同位素測量 也越來越精確，但對現(xiàn)有觀測資料的解釋仍存在重要矛盾，特別是對流模式，地幔柱的數(shù)量和起源。另 外，在地球巖漿和地球化學(xué)歷史及它們與地表狀況關(guān)系的諸多方面，還沒有形成任何共識;對俯沖帶運動， 板塊如何響應(yīng)地幔對流系統(tǒng)的能量等問題的認(rèn)識還處于朦朧狀態(tài)。板塊構(gòu)造與大陸地質(zhì)過程地球最外層擁有處于相對運動狀態(tài)的剛性板塊，對地球這一特征的描述板塊構(gòu)造學(xué)說，出現(xiàn)于 40多年前，它提供了很多突破性的見解?，F(xiàn)在，人們已經(jīng)知道構(gòu)造板塊的運動及板塊邊界的相互作用是 地震、火山爆發(fā)、山脈形成及大陸在地表緩慢漂移的原動力。如今，板

11、塊構(gòu)造學(xué)說也已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒旌?完善，但是，科學(xué)家仍想知道地球為何首先要有板塊構(gòu)造，以及板塊構(gòu)造與地球其他獨特特征一一豐富 的水、大陸、海洋和生命等的聯(lián)系有多么密切。如果地球僅有上述這些特征中的一種而沒有其它特征， 這是否可能呢？科學(xué)家們無從知道，他們也無法得知這些特征相互之間如何聯(lián)系。進(jìn)一步的研究需要對 現(xiàn)有模型進(jìn)行改進(jìn)，對現(xiàn)代板塊邊界進(jìn)行研究，并與其他行星進(jìn)行對比。地球科學(xué)研究的一個主要焦點 是解釋大陸的特征，大陸地殼的持久存在所展現(xiàn)出的問題如同板塊構(gòu)造一樣，都是非?；A(chǔ)性的問題。 大陸地殼使地球?qū)τ诜呛Ｑ笊跃哂锌删幼⌒?，并通過其表面的風(fēng)化作用扮演著調(diào)節(jié)地球氣候的角 色。但是，科學(xué)家們

12、仍然不清楚大陸形成的初始時間、大陸如何能存在數(shù)十億年，或者準(zhǔn)確地說大陸是 如何演化到目前狀態(tài)的。大陸的起源可歸因于板塊構(gòu)造的存在，特別是俯沖帶。大陸地殼的組成中富含 硅，這說明它的形成不可能與巖漿形成洋殼的簡單過程相同。近年來，地幔柱對大陸形成的作用和地幔 根在大陸最古老部分下方的產(chǎn)生，引起了越來越多的特別關(guān)注。新的數(shù)據(jù)和觀測資料表明，氣候和侵蝕 作用在山脈的形成及定型中扮演著重要的角色，因而也是大陸地殼形成和被破壞的基本因素。現(xiàn)在，這 些研究正促使人們開始定量預(yù)測大陸下地殼及上地幔巖石的強(qiáng)度及變形特性等因素對侵蝕率的影響。地球的物質(zhì)特性與地球過程的控制地球上巖石和礦物形成于地質(zhì)作用（熔化、噴

13、發(fā)、風(fēng)化、剝蝕、變形和變質(zhì)等）過程并受其改造。因 此，對巖石記錄的秘密的破解始于科學(xué)家們對大規(guī)模地質(zhì)過程的了解。構(gòu)成地球的礦物的基本物理和化 學(xué)屬性是了解這些問題的關(guān)鍵。地球內(nèi)部的高壓和高溫、地球及其結(jié)構(gòu)的巨大體積、地質(zhì)時間的超長范 圍，以及地球組成物質(zhì)及其性質(zhì)的巨大差異，所有這一切都對地球研究提出特殊挑戰(zhàn)。地球科學(xué)家需要 回答的問題包括:行星內(nèi)部是由什么礦物構(gòu)成的？固體地球存在多少水？礦物和流體是如何反應(yīng)的？人 類可以預(yù)測大范圍、多規(guī)模以及非常緩慢的地球作用過程嗎？對地球內(nèi)部如何運動的了解要依靠巖石和 礦物的屬性知識?；谙冗M(jìn)的放射源（如同步加速器、中子和激光設(shè)備）和先進(jìn)的計算技術(shù)提供的新的

14、分 析工具，目前的地球巖石和礦物研究即將迎來新的突破。構(gòu)成地球物質(zhì)的絕大部分基本物理和化學(xué)屬性 都源于其在原子水平所表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)和過程。新的分析工具將允許科學(xué)家們對這些小尺度問題進(jìn)行直接 的研究和模擬，縮小量子力學(xué)和顯微結(jié)構(gòu)的差距，鋪就人類對更長距離尺度行星過程研究達(dá)到新水平的 道路。同時，圍繞天然納米粒子、微生物對化學(xué)過程調(diào)解的一些新研究領(lǐng)域?qū)⒌玫桨l(fā)展。地球物質(zhì)復(fù)雜 的化學(xué)組成以及行星內(nèi)部的高溫和高壓環(huán)境，對了解地球過程提出了挑戰(zhàn)。由于一些影響行星演化的重 要過程發(fā)生得非常緩慢，地質(zhì)過程的長時間尺度也造成復(fù)雜性。另外，由于某些變化可能是由一些在實 驗室時間尺度不重要甚至不宜察覺的因素引起，因

15、而不能對其在實驗室內(nèi)進(jìn)行模擬。大范圍的物理特征、 長時間尺度以及多相互作用尺度是地球科學(xué)研究存在的主要挑戰(zhàn)，只有通過跨學(xué)科的努力才能在這些方 面取得進(jìn)展。氣候變化的原因與幅度雖然在過去1萬年或與之相當(dāng)長的時間，一個地球氣候保持相對穩(wěn)定的非尋常時期，人類文明得到 發(fā)展，但科學(xué)家也從地質(zhì)證據(jù)獲知在數(shù)百年或甚至數(shù)十年的短周期內(nèi)發(fā)生的重大變化，可以使人類在全 世界的統(tǒng)治中斷。此外，自從工業(yè)時代開始以來，全球平均地球表面溫度升高。工業(yè)排放的CO2和其 他溫室氣體即使不是造成地表溫度升高的全部原因，但至少也要承擔(dān)部分責(zé)任，這點已得到科學(xué)家們的 廣泛共識。全球變暖的潛在嚴(yán)重后果，涉及從海岸帶人口稠密區(qū)的洪水

16、到海洋酸化，以及熱帶疾病向極 區(qū)的蔓延，強(qiáng)烈要求明確人類活動對全球變暖造成的影響有多大，以及人類對全球變暖可以做什么。地 球科學(xué)的一個重要任務(wù)就是要回答上述這2個問題。此外地球科學(xué)需要回答的問題還有:什么過程控制地 球氣候變化？為什么地球氣候會保持在友好的范圍？什么原因引起地球地質(zhì)時期異常暖和冷期？突發(fā)氣 候變化的觸發(fā)因素是什么？人類可以確定地球過去CO2的歷史嗎?地質(zhì)記錄告訴我們，地球的氣候經(jīng)常 被改變，但是值得注意的是在過去3540億年間地球表面溫度保持在一個適合生命形成和演化的范圍 內(nèi)。地球具有這種相對溫和氣候的主要原因被認(rèn)為是火山噴發(fā)將CO2排放到大氣中，而地表巖石的風(fēng) 化作用又使大氣

17、中的CO2減少，還有一些次要的影響因素，諸如漂移大陸的位置、海洋環(huán)流的模式、 地球自轉(zhuǎn)軸和繞日軌道間的方位以及太陽的發(fā)光度等。另外化學(xué)和生物的影響也可能是比較重要的，如 大氣中氧化態(tài)和其他形態(tài)溫室氣體的濃度。地球上無大范圍生命存在的時間很少，僅發(fā)生在與當(dāng)前溫度 相比地球相當(dāng)溫暖（地表完全沒有冰），或地球又極端冷（地表完全被冰覆蓋）的時期。目前，大氣中的溫室氣體含量在快速增加。大氣中溫室氣體含量是決定短期地質(zhì)時期氣候的最重要 因素，可以用模型來預(yù)測今后幾十年和幾個世紀(jì)的氣候變化情況。而對于較長的地質(zhì)歷史時期來說，大 氣中溫室氣體的含量受自然地質(zhì)作用過程控制，而且其他地質(zhì)和自然過程也對此有影響。人

18、類對這些因 素對地球自然氣候狀態(tài)的貢獻(xiàn)已有很好的定性理解，但仍然缺乏一個全面的模型來評估過去的氣候變化 或預(yù)測遙遠(yuǎn)未來的氣候變化。對地球氣候和氣候歷史的更準(zhǔn)確理解，需要有更好的氣候模型，該模型需 要考慮影響氣候旋回的火山和風(fēng)化作用要素，更定量描述侵蝕及其與風(fēng)化作用關(guān)系，并結(jié)合生物圈和其 他因素的加入。生命一地球的相互作用與影響很顯然地球表面環(huán)境已經(jīng)被大規(guī)模的地質(zhì)變化過程所改變，但其也不斷地被生命活動所廣泛影響。 地球的地質(zhì)演化和罕見的災(zāi)難性事件，如隕石撞擊，已顯然影響了生命的進(jìn)化。但即使可以精確描述絕 滅和主要的重大進(jìn)化事件，我們?nèi)圆荒芎Y選出具體原因。地球表面環(huán)境究竟在多大程度上受地質(zhì)過程所

19、影響而不是因為生物過程？生命在可居住性的地表存在多長時間？哪種環(huán)境條件該為物種絕滅或生物 形式和功能的改變負(fù)責(zé)？地球大氣層的組成，尤其是高濃度的氧氣，是一個緣于生命存在的重大結(jié)果， 使更復(fù)雜生命的進(jìn)化有了可能。到底其他的地質(zhì)事件在何種程度上影響著生物的進(jìn)化以及控制著生命對 氣候造成的影響，仍然是辯論的議題。生命過程和地球過程本身也存在相互作用。侵蝕速率，氣候和風(fēng) 化速率影響地球特定區(qū)域的可居住性，生態(tài)系統(tǒng)本身又反過來影響侵蝕率、氣候和風(fēng)化過程。當(dāng)我們試 圖預(yù)測將來氣候變化的影響、了解塑造地表形態(tài)和居住在其中的生命之間的相互關(guān)系的時候，就會認(rèn)識 到管理地表資源將成為一個非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)并且變得越來

20、越重要。了解地球上的生命和地質(zhì)環(huán)境是如何 相互作用以至于到達(dá)目前的狀態(tài)是一個極大的智力挑戰(zhàn)。正視這個挑戰(zhàn)，將會幫助理解生命是如何應(yīng)對 當(dāng)前環(huán)境變化的，但是地球科學(xué)家將不得不與生物學(xué)家和大氣科學(xué)家發(fā)展新的研究和教育伙伴關(guān)系。尋 找太陽系外行星生命是否成功將同樣取決于是否已經(jīng)更好地了解了咱們這個地球老家中生物對大氣組 成的影響。地震、火山噴發(fā)等災(zāi)害及其后果的預(yù)測由于對火山成因的更好認(rèn)識和靈敏的新檢測儀器，最近幾十年地質(zhì)學(xué)家對火山噴發(fā)的預(yù)測能力得到 提高，但對地震的預(yù)測程度還較低。可是仍存在的復(fù)雜性的理論分歧問題使得地質(zhì)學(xué)家的工作更加復(fù)雜， 而居住在受地震威脅區(qū)人口數(shù)量的不斷增加則使得開展地震預(yù)測更

21、加緊迫。迫切需要科學(xué)家回答以下問 題:可以預(yù)測地震發(fā)生的時間、地點和量級嗎？預(yù)測短期地震可能嗎？可以給出多少震前警告？緩慢地震 的作用是什么？什么控制火山噴發(fā)的規(guī)模、頻率和方式？什么樣的火山噴發(fā)可以被預(yù)測?在有關(guān)地震預(yù)測 方面地球科學(xué)家已經(jīng)學(xué)到了很多。板塊構(gòu)造理論為科學(xué)家理解大多數(shù)地震發(fā)生的地點提供了一個框架， 同時也限定了復(fù)雜斷層系統(tǒng)的長期滑動速率。但是，就預(yù)測單個地震發(fā)生時間來說，科學(xué)家需要對控制 斷層破裂啟動和終止因素進(jìn)行更深入地了解。在地震、大地測量和地質(zhì)方面新的觀測能力為科學(xué)家繼續(xù) 提供新的洞察地震行為的方式，而且在地震科學(xué)領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)也持續(xù)快速增長。對于地面運動預(yù)測而言， 高性能計

22、算為地震強(qiáng)地面運動的物理模擬提供了廣闊前景。對于一切形式的地震預(yù)報，最重要的是要找 到合適的辦法來驗證新技術(shù)的有效性。技術(shù)進(jìn)步，尤其是用于地下活動過程監(jiān)測的實時地震、電磁和大 地測量探測儀器的發(fā)展，同樣也促進(jìn)了火山活動研究。更好地理解火山活動需要將這些地球物理觀測與 火山結(jié)構(gòu)實地研究和火山物質(zhì)實驗室研究結(jié)合起來。火山研究的最終目標(biāo)是繪制一幅清晰的巖漿運動圖 像:從巖漿位于上地幔的源頭，到其臨時存儲的地殼，最終到其噴發(fā)的地表。靈敏的新的地球物理和地球 化學(xué)技術(shù)提升了科學(xué)家跟蹤巖漿運動的能力，而對經(jīng)過抬升侵蝕的巖漿層和補(bǔ)給系統(tǒng)的野外研究為如何 解釋這一信息提供了線索。為了提高火山易發(fā)地區(qū)不斷增加的人口的安全，需要提高人類對火山噴發(fā)的 基本認(rèn)識和加強(qiáng)公共教育，以及進(jìn)行更好地規(guī)劃以減少人類面對火山噴發(fā)的脆弱性。地球內(nèi)外流體運動對人類環(huán)境的影響地質(zhì)科學(xué)歷來就與礦物、石油、天然氣、地?zé)崴偷叵滤茸匀毁Y源的評價和發(fā)現(xiàn)密切相關(guān)。最近， 地質(zhì)學(xué)在了解排放到環(huán)境中的廢棄化合物和其他物質(zhì)的命運方面發(fā)揮了重要的作用。在未來，一些廢棄 化合物及其副產(chǎn)品，如CO2和來自核電廠的放射性元素，可能會被人類有意封存在地層中。地質(zhì)學(xué)也 關(guān)注侵蝕和構(gòu)造作用對地形演化的影響，并且地質(zhì)學(xué)在評價人類活動對河流及其流域盆地的物理特征和 這些