-宣扬地学成果，传播勘查技术方法-
郑永飞1，郭正堂2，焦念志3，穆穆4，朴世龙5，傅绥燕6，杨顶辉7，朱茂炎8
1．郑永飞，中国科学院院士，岩石圈演化与环境演变全国重点实验室、中国科学技术大学地球和空间科学学院教授2．郭正堂，中国科学院院士，岩石圈演化与环境演变全国重点实验室、中国科学院地质与地球物理研究所研究员3．焦念志，中国科学院院士，厦门大学海洋与地球学院教授4．穆穆，中国科学院院士，复旦大学大气与海洋科学系教授8．朱茂炎，德国哥廷根科学院外籍通讯院士，中国科学院南京地质古生物研究所研究员责任编委：谢树成，中国科学院院士，中国地质大学教授。
基金资助：国家自然科学基金项目(92155306、L2224031)资助近年来，地球系统科学研究异常火热。地球系统科学是一门综合性学科，涵盖从地球内部到地壳、水圈、大气圈及地球外层空间的广阔范围，时间上包括从地球形成、超大陆形成到现在的漫长历史，致力于研究地球系统整体行为及其组成部分之间的相互作用和影响。地球系统科学的目的是理解地球圈层的相互作用及整体运作机制，解释和预测地球内部和外部自然现象的原因和发展结果，探讨地球系统扰动与地球宜居性变化之间的时空关系，并为人类社会可持续发展提供科学依据。地球系统科学研究需要多学科合作，跨越时空尺度，揭示地球各系统的形成和演化规律，以实现人类社会的可持续发展。当前，大数据、人工智能等新方法和新技术迅速发展并广泛应用于地球系统科学，为其研究提供了新思路和方法，同时也带来了新的机遇和挑战。在此背景下，9位科学家合作完成了《地球系统科学研究态势》论文，主要介绍地球系统三大组成部分的基本特点及主要研究进展，概括当前研究中存在的问题和面临的挑战，旨在推动地球科学不同分支学科之间的交流与合作，促进新理论、新技术和新方法在地球系统科学中的应用，推动地球科学研究向纵深发展。因此，本文不仅对地球系统科学进行了态势分析，还为地球科学的过去、现在和未来提供了线索。地球系统科学研究进展、存在的科学问题与挑战、当前的研究热点和前沿都是地学工作者所关注的，为此本期推文从《地球系统科学研究态势》论文中摘录相关内容如下：4 重要研究进展
5 科学问题和挑战（固体地球系统）
6 研究热点和前沿
6.1固体地球系统
6.2表层地球系统
6.3日地空间系统
过30多年来的努力，人们对地球三大系统的结构和组成及其相互作用有了更加深入的认识(图5)，在地球系统科学研究领域也取得了一系列重要进展，不仅深化了人们对地球系统及其组成部分的理解，还为应对全球环境变化提供了科学依据。这些重要进展主要体现在如下10个方面：图5 地球系统科学三大组成部分及其作用要素示意图
(1)气候系统研究：发现气候系统是一个复杂的物理化学系统，主要受控于地球外部圈层之间的相互作用，有关要素决定了气候的形成、分布和变化，共同维持着气候系统的稳定性和动态平衡。当某个要素发生变化时，它可能会引发一系列连锁反应，导致整个气候系统的变化。气候记录中信息的挖掘及气候模型的发展与不断改进，使人们不仅能够全面理解气候系统的运行规律和变化趋势，而且能够准确地预测预估未来气候与气候变化。综合考虑这些要素之间的相互作用和反馈机制建立的气候系统模型，可以用来探讨气候变化的自然和人为因素，以及它们如何相互作用。此外，对极端天气事件的研究也在不断深入，有助于更好地理解和预测这些事件对全球社会和经济的影响，为防灾减灾提供科学支撑。(2)全球变化研究：发现全球变化是一系列复杂的物理、化学和生物过程的结果，涉及多个尺度和多个方面的变化。认识到引起全球变化的主要是自然因素，不仅包括太阳辐射、地球绕太阳公转的轨道变化，而且包括地球内部活动如火山和地震等。这些自然因素往往不是孤立的，而是相互叠加、相互作用的。例如温室气体和火山气体排放都可以引起全球变暖，这不仅会加剧极端天气事件的产生，而且会引起海水发生复杂的物理、化学和生物协同变化。通过改进气候模型和增加观测数据，对全球变化有了更深入的理解，可以预测气候变化可能带来的海平面上升、海洋酸化/缺氧、极端天气事件增多等后果。(3)地球微生物学的发展：发现微生物和表层地球系统之间存在着相互依赖和共生的关系。表层地球系统的变化，如气候变化、环境污染等，都会影响微生物的生存环境和代谢活动。例如，全球变暖可能导致一些微生物种群的扩张或衰退，从而影响生态系统的平衡。同时，环境污染也可能导致一些微生物的变异或适应性增强，进而对生态系统产生新的影响。因此，微生物在地球生态系统中对维持生态系统稳定性起着至关重要的作用，而表层地球系统则为微生物提供了生存和繁衍的环境。例如，通过研究微生物在生态系统中的分布和代谢活动，揭示了生态系统的物质循环和能量流动等过程；海洋微生物碳泵研究则揭示了海水惰性溶解有机碳的来源和存储机制。(4)深海和极地的探索：虽然深海和极地是地球上人类探索最晚的领域之一，但是其初步成果在一定程度上拓展了人们的认知边界、揭示了生物适应机制、改进了气候模型、促进了跨学科研究、推动了地球环境保护。发现深海和极地生态系统中的生物面临着极端的生存条件(如高压、低温、低氧等)，认识到它们独特的适应机制为研究生命起源及其如何在极端环境中生存和繁衍提供了重要信息。深海探索揭示了黑暗食物链、深部生物活动等未知的生物圈层。深海探索技术，如潜/浮标观测系统、无人/载人潜水器和原位观测系统，使人们能够直接观测深海地质情况(如海山、海沟等地貌特征)。极地地区丰富的自然资源和原始的自然环境为研究全球气候变化提供了独特视角。通过对极地冰川、海冰以及冰雪消融的研究，促进人们开发更准确的模型来模拟全球气候变化情况，有助于预测未来的气候变化趋势。(5)地球内部结构和组成研究：通过地震波、重力波等地球物理探测手段以及地球动力学模拟技术，对地球内部结构有了更为深入的认识，发现地壳和地幔的分层结构和成分在时间和空间上存在不均一性，它们的物质组成与动力学过程之间存在成因联系，进而影响了地球内部圈层的形成和演化。通过研究地球内部结构和组成，不仅认识到地球内部的动力学过程是地球演化的主要驱动力，而且更加准确地发现地壳内部蕴藏的矿产资源，从而为预测这些资源的分布和储量、为资源勘探和开发提供科学依据。(6)板块构造与地幔对流研究：板块构造理论是固体地球系统科学的核心理论之一，已经从20世纪简单的运动学理论发展成为21世纪集成的运动学-动力学理论，不仅强调板块边缘离散-汇聚耦合体系在质量和动量上的耦合，而且将板块运动与地幔对流在时间和空间上联系起来，发现板块边缘的结构组成和动力学是揭示板块运动规律和机制的关键。通过理解板块边缘的相互作用，如板块之间的离散、汇聚和走滑运动，可以预测和解释地震和火山活动的分布、频率和强度，这对于灾害预防和减轻自然灾害的影响至关重要。地幔对流研究板块之下地幔中物质和热量传输的方式和速率及其效应，包括水平对流、环形对流和极向对流等方式，其中极向对流引起地幔上涌乃至地幔柱作用，对板块内部和边缘产生自下而上的影响，是地球上岩浆作用产生的主要动力。因此，板块构造和地幔对流研究对认识全球环境变化产生了深远的影响，这不仅体现在自然灾害的预测与减轻、地形地貌的形成与变化、海洋环境的演变等方面，而且促进了环境保护和资源开发的科学发展。(7)磁层-电离层-热层耦合过程的揭示：发现磁层-电离层-热层耦合系统是一个动态平衡的系统。在太阳活动、地球自转等多种因素的影响下，这个系统会不断发生变化。例如，当太阳活动加强时，太阳风中的高能粒子和磁场会增强，导致磁层、电离层和热层的变化加剧；而当太阳活动减弱时，这些变化则会相对减缓。这些耦合过程不仅受到太阳风、地球磁场等外部因素的影响，还受到地球自身的大气环境、地形地貌等多种因素的共同驱动。例如，太阳风中的高能粒子和磁场会与地球磁场相互作用，形成磁层；而地球大气层中的氧、氮等分子则与电离层中的等离子体相互作用，产生辐射和化学反应。对太阳风、太阳耀斑、日冕物质抛射等现象的观测和分析，以及太阳磁场结构和演化的研究，更好地预测了太阳活动对地球空间环境的影响，深化了对地球空间环境的变化和响应机制的理解，为空间天气预报和防护提供了科学依据。(8)空间天气监测和预警系统的完善：通过全球分布的地面和太空观测设备，能够实时监测太阳风、高能粒子、磁场等空间环境参数的变化，并预测其对地球空间环境的影响，为卫星通信、导航和电力传输等提供了重要保障。这一监测范围非常广泛，涵盖了从距地面20~30千米的中高层大气直至太阳表面的广大空间，使其能够全面、准确地获取空间天气的各种参数和变化。监测手段多种多样，对电磁波采用光学遥感和无线电手段来观察；对磁场采用磁通门或磁阻技术来感知，对粒子采用半导体或静电分析仪的手段来监测。系统具有高精度、高可靠性的特点，不仅能够实现对空间天气的实时监测和预警，而且具备数据实时传送、远程故障诊断等功能，使得系统的运行稳定可靠。(9)地球观测技术的进步：随着卫星遥感、雷达探测、大地测量和地震学等地球观测技术的不断发展，人们能够以前所未有的精度监测地球表面和内部的变化。因此，地球观测技术的进步促进了相关学科之间的交叉融合和相互借鉴。例如，通过遥感技术可以获取地表覆盖、植被状况、土地利用等信息，为生态学、地理学等学科的研究提供数据支持；气象卫星可以实时监测全球气象变化，为气象学、气候学等学科的研究提供重要依据；海洋卫星遥感作为这一领域的重要分支，能够监测海洋水色、海表温、海表高、海洋生物量和海表面风速等重要指标，为海洋学发展提供了关键数据。这些技术不仅增强了人们对大气和海洋动力系统、陆地生态系统动态的理解，而且促进了气候变化的监测研究和预测预报，以及陆地和海洋资源的可持续管理和保护。通过实时监测和数据分析，可以及时发现自然灾害的发生和发展趋势，为灾害预警和应急救援提供科学依据。例如，通过遥感技术可以实时监测洪水、地震、火山喷发等灾害的发生情况，为灾害评估和救援决策提供有力支持。通过大数据分析、人工智能等技术的应用，可以更加深入地挖掘地球观测数据的价值，揭示地球系统的更多规律和特征。(10)表层地球系统数值模型的研发：将不同学科的知识和方法整合到一个统一的框架中，整合大气圈、水圈、生物圈、土壤圈和岩石圈等多个领域的数据和信息(图6)，建立针对气候和生态环境等关键要素的模型，帮助人们更好地理解地球系统的各个组成部分如何在热能和物质上发生相互作用，以及这些相互作用如何影响全球环境变化。这些模型能够模拟地球表面各种物理、化学和生物过程，以及这些过程之间的相互作用机制。同时，模型中的参数化和物理过程也更加精细和复杂，能够更真实地反映自然界的实际情况。中国科学院大气物理研究所研制了我国首个具有自主知识产权的表层地球系统数值模型，它集成了大气环流、海洋环流、陆面过程、海冰、气溶胶和大气化学、植被动力学、陆地生物地球化学和海洋生物地球化学等8个分系统模式，通过耦合器来实现地球各圈层间物质、能量的交换。这种全面的集成性和高分辨率，使得该模型能够更准确地模拟和预测表层地球系统的各种现象和过程，为防灾减灾及应对未来气候变化提供决策依据和科技支撑。图6 表层地球系统储库之间物质和能量传输示意图
从研究内容和方法上看，地球科学和地球系统科学都关注地球系统的各个方面，但地球科学注重对地球系统各个组成部分的详细研究，而地球系统科学则更注重从系统的角度研究地球各圈层之间的相互作用和整体运作机制(图7)。地球科学中的部分传统学科(例如大气科学与物理海洋学)已逐步进入定量、半定量的研究水平，对地球圈层的基本性质及其演变、形成和演化规律都有了一定的认识。但是，现有的地球科学分支理论和方法尚不能完整准确地认识和预测地球系统的扰动和变化，给地球系统科学的发展带来了挑战。图7 地球系统科学与地球科学之间关系示意图
随着全球变暖、环境突变、资源短缺、生态危机和灾害加剧等问题的凸显，对地球系统科学的研究仅仅局限于表层地球系统的圈层相互作用是不够的。对地球系统科学的研究不仅跨越地球圈层，而且横穿时空尺度，因此需要不同学科之间的联合攻关，最终才能实现地球科学理论的突破和资源环境利用效率的提高。地球系统科学通过扩大研究视野，从物质传输、动量传递和能量交换等三个维度来认识地球圈层相互作用(图8)，从而推动地球科学不同方向和不同尺度的交叉融合。固体地球系统研究涉及许多一级问题，包括：(1)岩石圈热结构与地热资源：研究岩石圈的热状态和热流分布，了解地壳和岩石圈地幔中的热异常区域，探索地表地热能的可持续利用途径，有助于缓解能源危机和预防火山气体排放，对于地热资源的勘探和开发以及人类活动具有重要意义。(2)岩石圈构造活动与地壳稳定性：深入研究岩石圈构造变形、断层活动和地壳应力分布，了解构造活动与地表地形、地貌和沉积作用的关系，有助于评估地壳的稳定性和地震、火山等自然灾害的风险和防灾减灾，对于理解地质历史和地表过程的演化至关重要。(3)岩石圈演化与古气候重建：通过研究构造古地理演化、古地磁变化、地壳变质变形和岩浆作用随时间变化的岩石学、矿物学和地球化学记录，结合同位素年代学研究，可以重建地球过去的演化历史，提供不同尺度下的古气候、古海洋、古环境和古地理等方面的信息，进而了解地壳物理化学变化与古气候之间的相互作用过程，有助于预测未来气候变化的可能趋势和幅度。(4)地球内部与外部系统之间的相互作用：研究地球内部与外部系统之间通过板块俯冲和地幔对流所发生的相互作用，包括地壳运动和地质活动对气候变化、海平面升降和生物多样性变化等方面的影响，以及表层地球系统对地球内部过程的响应和调节作用，有助于理解地球系统的整体行为和地表环境的变化。固体地球系统研究还有一些二级问题，包括：(1)地壳均衡与重力异常：地壳均衡是指地壳在垂直方向上的物质调整和应力平衡过程。研究地壳均衡有助于理解地壳的稳定性、地形的形成和变化，以及地震和火山活动的分布。重力异常是指地球重力场与理论重力场之间的差异。通过研究重力异常，可以揭示地球内部物质密度分布的不均匀性，进而推断地壳和地幔的结构和性质。(2)地壳热流分布与地热产生：地壳中的热产元素(如铀、钍、钾)通过放射性衰变产生热量，岩石圈之下的软流圈上涌可以向地壳传导热量。研究这两类热量的分布和传输过程，确定地壳内部的热源分布和地热产生机制，不仅对于地热资源的开发、利用和管理具有重要意义，而且有助于解释一些重要地质现象，如超高温变质岩和热液金属矿床的形成。(3)地电化学与地磁场变化：地电化学是研究地球内部电场和电流分布及其与地质过程相互作用的学科。通过研究地电化学现象，可以了解地球内部的电化学性质、物质运移和能量转换过程。地磁场是地球的重要物理场之一，其变化与地球内部过程密切相关。研究地磁场的变化有助于理解地球内部的磁源分布、磁层结构和地磁极反转等现象。(4)板块构造与大陆动力学：板块构造是固体地球科学的基本理论之一，它解释了地壳运动和岩石圈变形以及地震和火山活动等自然现象。深入研究板块构造的运行机制、边界类型和相互作用，认识地幔对流与板块构造之间的相互作用，有助于理解板块边缘地壳的稳定性以及地质资源和灾害的产生机制。大陆动力学是研究大陆形成、演化和动力学过程的学科。通过研究大陆地壳的组成、结构和变形变质历史，可以揭示大陆岩石圈的形成机制、生长过程及其与下伏软流圈地幔之间的相互作用。固体地球系统的研究涵盖许多关键问题，这些问题对于深入了解地球演化的动力学机制至关重要：(1)地球深部物质性质与状态：研究地球深部岩石的物理和化学性质，如密度、弹性、黏性、熔点以及矿物学组成，有助于了解地球内部物质的运动和变形特征。探究地球深部物质在高温高压下的相变和物态变化，如固-液-气转变，对于理解地球内部的热结构和热演化具有重要意义。(2)地球内部地震波传播与层析成像：研究地震波在地球内部的传播速度、衰减和散射特性，可以揭示地球内部不同层级的结构和物质分布。通过地震层析成像技术，可以构建地球内部的三维图像，进而揭示地壳、地幔和地核的精细结构及其相互作用。(3)地球内部热源与热传递机制：确定地球内部的热源分布和强度，主要包括放射性衰变、地幔对流等，是理解地球热演化的基础。探究地球内部的热传递机制，如热传导、热对流和热辐射，有助于揭示地球内部的热平衡和热流路径。(4)地球内部水循环与地质作用：地球内部的水可以影响矿物岩石的物理和化学性质，进而引发岩浆作用、变质作用和变形作用等地质过程。研究地球内部水的来源、储存状态和运移路径，对于理解地质作用和地球演化具有重要意义。(5)地球内部磁场起源与变化：地磁场的起源和维持机制是地球物理学的重要问题之一。研究地球内部的电流系统、磁性物质分布和地磁场的历史变化，有助于揭示地磁场的产生和演化机制。对固体地球系统的研究面临如下挑战：(1)地球深部环境的极端性：地球内部环境极为恶劣，具有高温、高压、高辐射等特点。这种极端环境对探测设备和技术的要求极高，使得直接观测和数据获取变得非常困难。(2)地球内部物质的复杂性和不确定性：地球内部物质具有复杂性和不确定性，包括岩石、矿物、流体和挥发份等多种成分。这些物质的性质和行为在地球内部环境下可能发生显著变化，增加了对地球内部过程理解和模拟的难度。(3)地球动力学过程的复杂性：地球内部的动力学过程以板块运动和地幔对流为主导，导致了地震、火山活动、地热流等。这些过程受到多种因素的共同影响，如地球的自转、重力、浮力、热传导和膨胀等。理解和模拟这些复杂的动力学过程需要综合考虑多种因素，增加了相关研究的复杂性。(4)地震和火山喷发预报的准确性：地震和火山活动是固体地球系统对表层系统能量和物质传输的典型表现，是影响地球宜居性的重要因素。控制地震孕育发生和火山喷发形式的因素较多，对地震发生的时空和震级、火山喷发的时间和等级进行准确预报还存在很大的不确定性。(5)观测手段和技术限制：目前对地球内部的观测主要依赖于地震波、重力、磁法等间接手段。这些手段虽然能够提供一定的信息，但受到分辨率、精度和可靠性的限制，难以完全揭示地球内部的精细结构和动力过程。(6)理论和模型的局限性：现有的地球内部理论和模型大多基于简化和假设，难以完全准确地描述实际的地球内部过程。此外，由于地球内部数据的不完备性，对这些理论和模型的检验和修正也面临一定的困难。地球系统涵盖了从空间经大气和海洋到地壳、地幔和地核广阔的空间尺度以及从过去经现在到未来漫长的时间尺度。构造尺度(百万年)、轨道尺度(万年)和人类尺度(百年到季节等)的气候环境变化既有一定的联系，又有物理机制上的区别，需要就不同尺度的地球系统扰动问题开展一系列物理机制和数值模型的分析研究。地球系统科学从研究全球环境变化开始，然后向解译地球早期地质记录推进。因此，地球系统科学不是各门地球科学的简单叠加，而是将地球作为一个完整系统来研究。这不仅需要整合其中各个学科的内涵与外延，而且重在探索圈层之间的相互作用。自地球系统科学建立以来，所面临的任务就是将地球外部与内部过程相结合，探索如何认识地球各个系统内部及其之间在物质传输和能量交换上的物理化学行为(图9)。图9 地球系统内部及其之间物理、化学和生物相互作用的行为示意图
地球系统存在不同类型的物理、化学和生物学过程，其中物理过程的空间尺度变化很大，可从微观经中观到宏观，而化学和生物学过程的空间尺度变化较小，一般限于微观到中观尺度。就地球三大系统而言，虽然这三类过程在其中发生的时间尺度存在很大变化，但是它们的时空尺度总体上存在一定的负相关性：在空间尺度上，日地空间系统最大，表层地球系统最小，固体地球系统介于其间；在时间尺度上，日地空间系统最短，固体地球系统最长，表层地球系统介于其间。因此，地球系统科学不仅是现代复杂系统科学的一个组成部分，而且在系统内部可以出现不同性质和类型的线性或非线性过程，例如物理化学混合与分异以及混沌效应、分岔效应、涌现效应等。在地球系统的结构和组成上，都有宏观、中观和微观之分，其中微观机制是导致中观和宏观表象的基本过程，而宏观机制是诱发微观过程的动力。热点领域：(1)板块构造与地球内部圈层相互作用：研究板块俯冲将洋壳或陆壳物质带入地幔不同深度的机制和过程(图10)，识别地壳物质在地幔不同深度发生脱水熔融和化学分异的机制和过程，理解成矿元素从俯冲板片经地幔楔传输到主动大陆边缘地壳的机制和过程，确定成矿元素在板块边缘聚集成矿并得以保存和出露的机制和过程。(2)地球深部结构与物质性质：通过地震学、地磁学、重力学等多种地球物理方法，结合岩石学、矿物学和地球化学等手段，研究地球内部的几何结构、物质组成和物理性质，探讨地球深部构造环境和过程与表层地质现象之间的关系。(3)地球动力学与地质灾害预警：研究地球内部的热流、物质运移、应力应变等动力学过程，分析这些过程对地壳稳定性、地震活动、火山喷发等地质灾害的影响，为地质灾害预警和风险评估提供科学依据。(4)油气和矿产资源形成机理与分布规律：针对石油、天然气和不同类型的矿产资源，研究其形成的地质背景、形成条件、形成过程和分布规律，为石油、天然气和矿产等地下资源的勘查和开发提供理论指导。
前沿领域：(1)地壳物质再循环：板块俯冲与岩浆作用和成矿作用等地质过程之间的物理化学联系及其地球动力学机制，俯冲带几何结构和温压结构随时间演化的动力学以及驱动新生地壳形成和演化的机制，特定矿物在俯冲地壳中的变质脱水和部分熔融行为，俯冲地壳再循环物质的形式是液体还是固体，俯冲板片如何在不同深度析出富水溶液、含水熔体或者超临界流体交代小地幔楔和大地幔楔从而分别形成岛弧型玄武岩和洋岛型玄武岩的地幔源区。(2)板块构造与地表环境变迁：板块边缘能量和物质以自上而下和自下而上两种方式传输的机制和过程，地壳形态变化、地震灾害和构造-气候相互作用的地球动力学机制，矿产资源和化石能源在板块边缘聚集的物理化学机制和过程，岩石圈板块俯冲/碰撞以及软流圈物质上涌影响板块边缘结构和成分及其地质环境的机制和过程。(3)地球深部探测技术与方法创新：发展新型地球深部探测技术，如高分辨率深部地震探测、大陆科学钻探、海洋地球物理探测等，提高地球深部结构和物质性质的探测精度和分辨率，为揭示地球深部的奥秘提供技术支撑。(4)地球系统数值模拟与预测：借助高性能计算技术，构建地球系统数值模型，模拟地球的气候系统、生态系统、水圈和岩石圈等各个圈层的相互作用和长期演变，预测未来地球系统的变化趋势和可能发生的极端事件。亟待解决的问题：(1)地球内部与外部圈层之间的相互作用：固体地球系统与表层地球系统之间存在着密切的相互作用。例如，地球内部的地热活动、物质运移等都会对地表的气候、地貌和生态系统产生影响。反之，地表的过程也会通过改变地表的载荷、温度和化学环境等对固体地球系统产生作用。因此，需要深入研究这两个系统之间的相互作用机制和耦合过程，以更好地理解地球系统的整体行为。(2)地球内部结构与物质分布：尽管人们已经对地球的内部结构有了一定的了解，但关于地球深部的物质组成、分布和性质仍存在许多未知。例如，地幔和地核的具体成分、地震波速异常的解释、地球内部的热状态和物质运移等都是研究的热点。为了解决这些问题，需要进一步发展地球物理学、地质学和地球化学等多学科的交叉研究，提高观测技术和数据处理能力以及结果的可靠性。(3)地震发生机制与预测：地震是地球内部能量释放的一种表现形式，对人类社会和自然环境产生重大影响。然而，目前对地震的孕育发生机制、预测和防范仍存在许多挑战，因此需要深入研究地震的成因、地震波的传播规律、地震活动的时空分布特征等，以提高地震预测和预报的准确性和可靠性。(4)地热资源与地热能开发：地热能是一种清洁、可再生的能源，对缓解能源危机和应对气候变化具有重要意义。然而，地热资源的勘探和开发面临诸多挑战，如地热储量的评估、地热能的提取和利用技术、地热开发的环境影响等。因此，需要加强对地热资源的研究和开发，推动地热能技术的创新和应用。(5)地球深部生物圈与生命起源：近年来的研究发现，地球深部可能存在一个庞大的生物圈，这些微生物可能在极端环境下生存并影响地球内部的化学和物理过程。此外，关于地球上生命的起源问题也可能与地球内部环境密切相关。因此，需要深入研究地球深部的生物多样性、生态功能和生命起源的机理，以揭示生物活动与地球内部之间的内在联系。热点领域：(1)全球气候变化及其影响：全球气候变化是表层地球系统研究的核心和热点之一。研究关注气候变化的机制和速率以及不同气候模型对预测结果的影响，包括极端天气气候事件的频率和强度变化规律，以及这些变化对生态系统、水资源、农业和人类社会的影响。(2)生物多样性保护与生态系统服务：随着全球生物多样性丧失的加速，生物多样性的保护和生态系统服务的维持成为研究热点。研究聚焦于生物多样性及其分布格局的评估、威胁因素、保护策略以及生态系统服务(如气候调节、水源涵养、土壤保持等)的评估和管理。(3)海洋与人类生存和发展：海洋覆盖全球面积70%，是地表最大的生态系统，不仅是生命的摇篮、生物多样性的宝库，而且是生命进化与地球演化的实验场(包括海底热泉、泥火山、海沟、洋中脊等环境)、人类赖以生存的资源库(生物资源、矿产资源等)，是应对气候变化、开发各种资源等的重要场所。(4)水资源管理与水安全：水资源是表层地球系统的重要组成部分，随着全球水资源短缺和水安全问题的日益突出，水资源管理成为研究热点。研究关注水资源的可持续利用、水资源保护和污染治理、水危机管理以及跨流域调水等问题。(5)土地利用/覆盖变化及其环境效应：土地利用和土地覆盖变化是全球环境变化的重要驱动力之一。研究关注土地利用变化的模式、驱动力、环境影响以及土地退化、土壤侵蚀和生态恢复等问题。(6)地表灾害风险管理与减灾：地表灾害(如地震、火山喷发、洪涝与干旱、森林火灾、滑坡、海啸等)对人类社会和自然环境造成严重影响，因此需要研究地表灾害的成因机制，为风险评估、监测预警以及减灾策略的制定和实施提供科学依据。(7)城市化和工业化与环境质量：随着全球城市化的快速推进，城市化和工业化对环境质量的影响逐渐成为研究热点。研究关注城市化过程中的环境污染(如空气、水、土壤、噪音等)、资源消耗、生态破坏以及城市绿色基础设施的建设和管理等问题。前沿领域：(1)地球内部系统扰动对地球表层环境的影响：地球内部构造活动主要包括板块运动和地幔对流(图11)，在地壳层次引起地震、火山喷发、山体滑坡、地面裂缝、山脉隆起、裂谷等。这些活动不仅改变了地球内部的物质分布和能量状态，而且通过物质和能量的交换对地球表层气候环境和生态系统产生显著的影响。(2)表层地球系统的模拟与预测：利用高性能计算机和先进的数值模型，对表层地球系统的各个组成部分(大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈)进行整体模拟和预测。通过模拟不同情景下和不同尺度下的地球系统变化，评估全球变化对地表环境的影响，为制定应对策略提供科学依据。(3)地球关键带研究：地球关键带是指从地表到地下一定深度范围内的区域，是表层地球系统中物质循环和能量交换最活跃的部分。研究地球关键带的结构、功能和过程的耦合机制及其环境效应，对于理解地表环境的形成和演化、评估自然资源和环境风险以及加强人类活动对物质循环和能量交换的影响研究具有重要意义。(4)深海界面过程与化能生态系统：深海是一个多界面多介质并存和高度互联的水-岩-生物环境，拥有冷泉、热液、海山等复杂多样的极端特殊生态系统。地球深部的物质循环与动力过程影响着海底界面过程，塑造了深海特殊生境。同时，活跃的生命过程不仅驱动了深海的物质循环和能量流动，而且对全球尺度的元素循环产生影响。多学科交叉研究对于理解物理、地质和地球化学过程如何控制生物和生物地球化学过程、影响深海生态系统，以及确定它们在整个地球系统演化中的作用至关重要。(5)生物地球化学过程与全球变化：研究地表系统中碳、氮、氧、磷等元素的生物地球化学循环过程以及这些过程对全球变化的响应与反馈，探究人类活动如何干扰这些循环过程以及可能产生的环境后果。借助微生物学的知识，可以更好地理解表层地球系统的运转机制和变化规律。例如，海洋微生物碳泵模型旨在阐述微生物在海水有机质降解代谢、病毒裂解宿主、以及原生动物捕食等过程中如何改造并分泌惰性溶解有机碳的机制和过程，是检验海洋碳循环的一个关键环节。(6)地表环境与人类健康：研究地表环境(如空气质量、水质、土壤污染等)对人类健康的影响及其机制。探索如何通过改善地表环境来促进人类健康以及制定相应的公共卫生政策。(7)地表系统优化管理与可持续发展：探索地表系统优化管理的理论和方法，研究如何实现地表系统的可持续发展，包括资源合理利用、生态环境保护、社会经济协调发展等方面。(8)大数据与人工智能的应用：利用卫星遥感、地面观测、社交媒体等来源的大数据，结合人工智能和机器学习技术，对地表环境进行监测、分析和预测，揭示地表环境的时空变化规律和内在机制。![]()
亟待解决的问题：(1)气候变化与全球变暖：全球变暖导致的极端天气气候事件频发，对生态系统、社会经济和人类健康产生了广泛而深远的影响。因此，亟待深入研究气候变化的机理、预测预估未来气候趋势，确定气候变化与碳循环之间的互馈关系，揭示气候系统对温室气体变化的响应，为准确预估气候变化趋势以及未来碳排放空间提供关键科学依据。(2)生物多样性保护与生态系统恢复：随着人类活动的不断扩张，许多物种面临灭绝的威胁，生态系统的稳定性和服务功能也受到严重损害。因此，需要加强对生物多样性的监测和保护，推动生态系统的恢复和可持续管理。(3)水循环与水安全：揭示气候变化和人类活动包括跨流域调水和水利工程等对水循环的影响与机制，定量评估和预估水资源安全，为制定合理的水资源管理制度和机制、提高水资源利用效率和应对水安全挑战提供关键科学支撑。(4)土地退化的影响与应对：阐明土地退化的驱动机制、未来趋势与可能影响，揭示气候变化和土地退化的互馈关系，提出科学合理的土地利用规划与管理对策以减缓土地退化，为实现粮食安全、开展“山水林田湖草沙冰”系统治理和生态文明高地建设提供理论支撑。(5)表层地球系统模拟器：表层地球系统是一个复杂的巨系统，亟待研发囊括不同圈层和不同时间尺度无缝链接的地球系统模式并在关键区域能实现高分辨率模拟，降低模型模拟在主要过程的不确定性，并充分考虑生物活动的影响，提高未来多圈层变化的预估精度，为实现可持续发展提供可靠的数值模拟器。热点领域：(1)太阳活动对日地空间影响的物理机制：研究太阳活动(如太阳风、太阳耀斑、日冕物质抛射等)对地球磁层、大气层、电离层等结构的影响过程及其物理机制，包括各区域中电磁场、等离子体的扰动以及高能带电粒子分布变化规律以及可能引发的空间天气事件等。(2)日地过程因果链的监测与建模：针对太阳活动引发的日地因果链进行监测和研究，以理解日地空间这个复杂系统的行为和机理，包括实现对太阳-地球空间的全方位立体探测以及建立从扰动源头到环境效应全过程整合的模型等。(3)空间天气预报与服务：随着人类对空间活动的依赖程度不断增加，空间天气预报和服务成为研究热点。这包括预测太阳活动的爆发、空间天气事件及其对地球环境和人类活动的影响，为卫星通信、导航、空间探测等提供保障。前沿领域：(1)多尺度日地空间系统研究：从微观到宏观的不同尺度上研究日地空间系统中能量与物质的传输与演化(图12)，揭示跨尺度过程和不同圈层之间的相互作用，包括利用高分辨率卫星观测数据、地面观测站网以及数值模拟等手段进行物理机制和耦合过程的研究。(2)日地空间环境与人类活动的相互作用：研究日地空间环境对人类活动的影响以及人类活动对日地空间环境的反馈作用，包括研究空间环境扰动对卫星轨道、姿态和性能的影响，以及人类空间活动产生的空间碎片对航天器安全的影响，以及地面电磁发射活动对空间粒子环境的影响等。(3)日地空间系统模拟与预测技术的发展：利用高性能计算机和先进的数值模型对日地空间系统进行模拟和预测，以揭示其复杂性和时变性。这包括发展更精确的爆发性事件的物理及经验预测模型，如太阳活动预测模型、空间天气事件预测模型等。(4)日地空间探测技术的创新与应用：研发新型的空间探测技术和仪器，以提高对日地空间环境的感知能力和数据获取精度。这包括发展高分辨率太阳磁场观测仪器和空间天气监测设备以及高精度地球磁场测量技术等。图12 日地空间系统不同层次和类型物质和能量传输示意图亟待解决的问题：(1)太阳活动精确预测：尽管对太阳活动的监测和预测已经取得了显著进步，但仍存在许多挑战。目前的预测模型在准确性、时效性和可靠性方面还有很大的提升空间。为了实现更为精确的太阳活动预测，需要深入研究太阳内部的物理过程、改进预测模型，并加强多源数据的融合与分析。(2)日地空间环境对人类活动影响的评估：随着人类对空间环境的依赖程度日益加深，空间天气对卫星通信、导航、空间站运营等关键空间活动的影响越来越显著。因此，亟待研究和建立针对空间天气效应的日地空间环境综合评估模型，并发展有效的防护和应对措施。(3)多尺度日地空间系统耦合研究：日地空间系统涉及从微观到宏观的多个时空尺度，包括太阳活动、地球气候变化、空间天气等。如何在不同区域不同尺度之间建立联系，并实现跨尺度的综合研究是一个亟待解决的问题。这不仅需要发展多尺度联合观测技术，而且需要充分利用大数据和人工智能技术，不断加强数据融合与处理，并推动跨学科的协同研究。(4)新型空间探测技术的研发与应用：设计新颖的探测计划以及新型探测技术的使用，将有助于提升对日地空间环境的感知能力和数据获取能力，从而推动日地空间系统研究的深入发展。这包括设计新型的星座观测或星地联合观测计划、发展新型的太阳观测卫星、空间天气监测卫星计划等。原文来源：郑永飞,郭正堂,焦念志,穆穆,朴世龙,傅绥燕,杨顶辉,朱茂炎.2024.地球系统科学研究态势.中国科学：地球科学,54(10)：3065–3090.
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