从地球过程到人地和谐--关于地球系统研究科学战略的思考

较为详尽分析了地球系统科学的由来与发展、我国地球系统科学研究所面临的机遇与挑战,阐明了我国开展地球系统科学研究的基本思路,从而提出8个战略重点：区域气候环境系统变化与适应;水系统、水循环与水安全;生态系统与全球碳循环;人类活动与地球表层系统;地球内部动力学与地球系统演化;地球灾变事件与生命过程;地球观测系统与地球系统模拟以及耦合过程动力学、响应动力学、适应和预测理论。     

地学前沿--地球物质学与矿物标型学

地球物质学是一门新兴的独立学科。它不仅研究地球的物质，还从物质的角度，研究地球内部的层圈结构和动力学过程。因此，地球物质学研究是宏观与微观的结合，集中体现了极大、极小、极复杂这一系列理学前沿。在地球物质学中，矿物的研究正试图为宏观与微观建立联系，也是地球物质的时间科学、空间科学研究的内容。本文通过矿物标型学在矿物学中地位的揭示，认为矿物标型学在地球物质学中有理论和方法两方面不可替代的作用?     

地球多级循环及其资源、能源、灾害、环境效应

在综合分析前人资料和系统梳理笔者认识的基础上,以整体观和系统论的思想为指导,针对板块构造学说存在的核心科学问题,采用分尺度、分层块、分阶段的研究思路,探讨开放复杂地球系统的物质运动方式。将水平运动与垂直运动相结合,流体运动与固体运动相结合,地球内部过程与外部过程相结合,探索盆山和洋陆的成因及其关联机理,认为热动力是驱动盆山地壳物质循环和洋陆壳幔物质循环的关键因素。开放地球系统存在与盆山、洋陆物质循环有关的水循环、火山物质循环、大气循环、碳循环、生物地球化学循环、洋流循环,由此产生资源、能源、灾害、环境效应。地球内部热能经过长期的积累之后,以超级干旱-火山-冰冻-地震-洪水-海平面上升组成的全球性巨灾链形式释放,具有时空结构和关联机理的巨灾连发导致生物分批死亡,集群绝灭。地质历史上还有无数规模较小、结构相似、机理相同的热灾害链,不同程度地影响地球生态环境和全球变化。热灾害链贯穿地球整个演化过程。根据下地壳流动规律和热灾害链时空结构对中国大陆强震进行了预测。强调取热减灾减排不仅能够解决能源危机,而且可以降低灾害强度,推迟灾害发生时间。     

核—幔相互作用及其地球动力学意义

核－幔边界是地球内部反差最大的一个边界,也是最重要的边界,界区的核－幔相互作用过程在整个地球动力学系统中起着重要的作用。本文在概述了该－边界基本特征的基础上,系统地总结了有关核幔物质的化学反应和Ｄ”层的形成,核－幔间的质量传递及其对地幔对流之贡献,核－幔耦合与动量传递等的研究成果及有关问题。     

地球内部各圈层的物质运动与动力学响应和力源

地球内部物质在动力作用下重新分异、调整,深部和浅部物质与能量进行着强烈的交换和运动,并导致成山、成盆、成岩、成矿和地震与火山等灾害的形成。地球动力学受到地球科学界的高度重视,并相继产生了诸多假说,如地球的收缩说、膨胀说、脉动说、自转说、涌流说、地幔对流说、地壳均衡说等,而问题是何为其力源?因为力源确是驱动地球内部物质运动的核心所在。本文通过对各种动力假说的分析和理解,讨论了1地球内部物质运动和动力学响应;2对历史上诸多动力学假说的分析和理解;3地球内部物质运动的深层动力学过程;4地球动力学研究中的几个重要科学问题的思考;5地球内部物质运动和动力学响应与力源及机制问题的探索。地球科学研究中的核心问题不仅涉及到地球内部的物质组成、空间特异结构与变异,而更为重要的却是如何深化认识地球本体,并厘定物质运动的动力学响应和力源机制。     

浅议地球系统的复杂性及非线性

结合复杂性科学的产生及发展历程，认为复杂性科学对研究地球系统复杂性及非线性具有重要的理论指导和方法论意义。同时，在论述地球系统基本属性的基础上总结了地球系统复杂性及非线性的具体表现，即地球系统的层次性，无特征尺度性，开放性，相干性，临界性，自组织性和其动力学行为的自相似性及分形性。认为地球系统是总体上远离平衡，时空延展的多层圈综合集成，连续开放的复杂耗散动力巨系统。随着复杂性科学和地球系统的复杂性及非线性研究的不断深入，在21世纪，地球科学研究将会取得理论上的重大突破和飞跃。     

大陆构造、大洋构造和地球构造研究构想

大陆动力学和大洋动力学是当前固体地球科学的前沿领域 ,反映处于中期阶段的板块理论正向更加深入、全面、完善的方向发展 ,并走向统一的地球构造学的趋势。中、新生代造山带构造 ,全球高原构造的比较 ,周边洋底构造对欧亚大陆的动力作用 ,应是大陆动力学中优先研究的问题。对全球洋底构造的继续探测 ,用地震各向异性研究地幔的流动或变形 ,布设海底宽频带地震台阵探测地幔细结构 ,将会提供更多的地球内部过程信息。“地球大系统科学”概念的提出 ,将能推进固、液、气三态地球多球层相互作用的研究 ,例如固体地球微动态、固液气三态球层运动的可比较性、不同球层分区性的比较等 ,都是需要深入探讨的问题 ,代表了从整体地球系统开展学科交叉研究的方向     

化学地球动力学

化学地球动力学是地球化学的分支学科,它在研究地球内部化学组成和演化时,把地球视为一个完整的动力学系统而不是彼此孤立的地质集合体。它通过研究地球各层圈内部的化学结构和过程以及不同层圈之间的化学相互作用,从而从本质上研究和认识发生在地球内部的各种地质作用。简述了化学地球动力学研究在固体地球科学中的重要性,概括了化学地球动力学的特点和突出成果,分析了化学地球动力学研究的科学意义,并对在中国开展壳幔相互作用的化学地球动力学研究提出了建议。     

从同位素到板块构造:化学地球动力学

化学地球动力学是地球化学的分支学科,它在研究地球内部化学组成和演化时,把地球视为一个完整的动力学系统而不是彼此孤立的地质集合体。通过研究地球各层圈内部的化学结构和过程以及不同层圈之间的化学相互作用,从本质上研究和认识发生在地球内部的各种地质作用。文中概括了化学地球动力学的特点和突出成果,分析了化学地球动力学研究的科学意义,并对在中国开展壳幔相互作用的化学地球动力学研究提出了建议。     

中国地球动力学研究的方向和任务

地球动力学是研究和探索地球内部物质在力源作用下,呈大尺度的运动行为及其在整体运动中物质与能量的交换、深部圈层耦合、介质与结构变异的物理-力学属性、深层过程和动力机制的一门边缘科学。地球动力学集成了当代众多相关学科和学科交叉领域的高、新学科研究成果,它涉及到成山、成盆、成岩、成矿、成灾和深化对地球本体的认识,它在地球科学研究中占有极为重要的地位。本文通过深入研究、综合集成与剖析讨论了该领域四个重要的基本科学问题,即:(1)地球动力学在地球科学研究中的地位和作用;(2)地球动力学研究的趋势和导向;(3)中国地球动力学研究的方向和任务;(4)地球内部物质运移的力源机制和综合研究。     

中国地球深部结构和深层动力过程与主体发展方向

地球深部结构、构造与大陆动力学研究在地球科学领域中占有重要地位。地球深既是资源、能源形成和演化的场所,又是地震灾害的策源地。它涉及了当今众多相邻学科的发展与成就,故对地球本体的认识在不断深化,特别是地球深部物质与能量的交换的深层动力过程。本文在阐述我国20世纪,主要是20世纪下半叶以来地球深部结构与构造研究主体成就的基础上,依据当今该领域在全球范围内的发展趋势,探讨了21世纪初、中吉的发展导向,并提出了某些战略重点。基于这样的前提,文中着重讨论了以下6个问题：①地球深部结构与大型动力学研究的意义、主题与目标;②地球物理深部地震探测揭示的地壳和上地幔的复杂性;③岩石圈内的大型滑脱构造和地震“孕育”的深部环境;④地球内部地震波传播速度分布与各向异性;⑤地球深部结构、构造与大陆动力学;⑥21世纪初,中叶地球深部与大陆动力学研究的发展战略重点。     

地球深部物质科学在地球深部研究中的作用和意义

为解决地球深部探测过程中地球物理和地球化学两大系列研究成果无法联系和统一的难题，地球深部物质科学应运而生。该学科既要研究组成地球深部的一切物质实体的物理和化学的属性，又要从物质的角度去研究地球深部的结构和动力学过程。随着该学科的发展，将会为地球深部的观测结果和计算模拟结果赋予物质内容，从而促进对地球深部的物质组成、结构分层以及动力学形成统一认识，建立适合于各学科的地球深部模型。     

放射性元素集中于上地壳的原因及其地球动力学意义

地热学和陨石学的研究都指出, 地球上放射性热源浓度随深度指数衰减.但为何会存在这样的分布特征仍是地球科学的疑谜.通过地球排气现象的研究指出, 正是类地行星及小行星演化中的排气作用, 将放射性元素带到了类地行星及小行星的表面; 而且演化时间越长的类地行星, 深部的放射性元素也越少.目前流行的地球动力学理论是以地球内部的热为根本动力的学说, 地球深部放射性热源数量的稀少对“热机动力机制”提出了质疑.由于地球动力学依靠的能源只有地球内部的热和地球自转动能2种, “地球自转动力机制”应更多地被重视和研究      

中美两国对地系统观测比较分析及对中国的启示

地球系统各要素间的相互耦合作用对资源开发利用、粮食和生存空间供给以及自然灾害防治等维持人类社会稳定发展的基本活动产生着巨大影响。因此,建设对地系统观测工程成为地球系统科学界的重大课题。对地系统观测工程包括三大彼此联系的功能模块,分别是破解地球系统要素耦合作用机理、提升对地球系统发展变化趋势的预测能力以及为决策者提供具有明确行动指向的信息情报。近期,中美两国均提出了未来对地系统观测的战略构想。通过比较分析两国对地系统观测的构想和实践过程,梳理两国对地系统观测的异同,在借鉴美国经验的基础上,提出了对中国对地系统观测工作的启示。     

地应变固体潮对微渗漏作用的动力贡献研究

目前国内外对构造应力作用下地球内部流体运动的规律与特征的研究已经很多 ,但面向地应变固体潮对地壳微裂缝系统的微渗漏作用影响的研究尚属空白。地球在太阳、月球的引力作用下 ,一方面在其表面的海洋、湖泊形成直观的潮汐现象 ;另一方面固体地球自身还形成肉眼无法看到的粘弹性形变 ,称为固体潮。固体潮不仅能引起重力变化、地面倾斜和地面伸缩等地球物理现象 ,而且还为地壳内微裂缝系统提供了永恒的、周期性的伸缩开合变化的动力 ,大大提高了流体在微裂缝系统中微渗漏的规模和距离 ,造成流体中物质元素的迁移和变化的地球化学现象。文中主要阐明了地壳裂缝系统和流体微渗漏作用的客观存在 ,探讨并总结了地应变固体潮对微裂缝系统的应力作用特点以及为流体微渗漏作用所作出的重要动力贡献 ,并将固体潮与地球化学有机联系在一起 ,从理论上说明流体携带包含深部矿藏 (体 )信息的特征元素或物质完全有可能通过微渗漏作用迁移至地表并形成该元素或物质的地球化学异常 ,为当前的地表土壤法、地气法、电提取法、电吸附、吸附丝等多种地球化学找矿方法提供可信的理论依据。     

地表过程研究进展与趋势

地表过程复杂多样、涉及广泛。针对当前地表过程研究现状,从地球系统科学和全球变化的视角讨论了与地表过程相关的一些概念及研究内涵。在分析单要素地表过程和多要素地表过程的基础上,从研究内容的综合性、多国合作的国际性、针对区域突出问题的区域性、以过程变化为核心的动态性及研究方法的多样性等方面论述了地表过程研究的特点,总结性地给出了国内外研究的总体趋势。在上述分析基础上,进一步从国际科学发展趋势、国家需要和信息、技术等方面分析了中国地表过程研究所面临的机遇;从多学科交叉、自然与人文过程的定量与有机耦合等方面讨论了地表过程研究所面临的挑战。     

全球表层系统研究的思考

1900年前后,以徐士、阿尔冈、魏格纳、李四光等为代表的先驱们从不同视角开始了对地球表层的整体性研究。20世纪人造卫星的应用和板块理论的建立,推动了全球整体观思想的发展。进入21世纪后,伴随社会全球化进程,地球整体观在科学前沿领域显示出极为重要的导向作用。在这个思想引导下的广义地球系统科学是关于地球多圈层的整体研究,但由于涉及人类生存的资源、环境、灾害问题的紧迫性,在未来10至20年内地球系统科学的优先领域之一应是整体观指导下的地球表层系统的研究,它涉及大气层、海洋、地壳、生物和人类。目前可列举出4个重大问题:(1)全球变暖引起的大范围灾害与环境变化;(2)以SARS和禽流感为代表的全球性生物病毒传播灾患;(3)影响人类生存的全球性水资源短缺;(4)导致严重损失和全球性影响的大地震的频繁发生。厄尔尼诺现象与地震的相关性,全球大地震十几年尺度的幕式活动与区域间交替变换,十几年尺度的大范围旱、涝交替变换,表明上述全球性异常变化都是地球表层系统整体性动力过程的表现。应从全球尺度研究包含气体、液体、固体的地球表层系统的微动态变化,分析它们与地、水、大气和生物各圈层之间的相互作用及物质与能量交换的关系,加深对地球表层相互联系的系统过程的理解。     

青藏高原及邻区三阶段构造演化与成矿演化

青藏高原具有典型的三分时空结构和3种尺度动力学体系.青藏高原由3个构造结调整的3个盆山体系组成, 北部、东部和南部3个盆山体系分别受控于古亚洲洋及西伯利亚、西太平洋和特提斯三大构造域, 经历了前寒武纪超大洋一超大陆耦合、加里东期-印支期-燕山期和喜马拉雅早期自北而南的洋陆耦合和板内盆山耦合三大构造发展过程, 形成于地核流层驱动的地核(或全球) 动力学过程、地幔流层驱动的地幔(或岩石圈) 动力学过程和地壳流层驱动的地壳(或大陆) 动力学过程, 构成历史地球系统动力学系统.青藏高原不是印度板块与欧亚板块碰撞的结果, 而是形成于下地壳流动驱动的板内盆山作用, 可分为以中、新生代有序向南迁移式构造隆升、水平运动、地质作用和成矿作用为特征的板内造山阶段和以脉动式快速隆升、垂直运动、地理作用和环境变化为特征的均衡成山阶段.构造谱系决定了成矿谱系, 区域构造叠加演化造成地壳成熟度的不断增加和矿床密集度的不断提高.青藏高原3个构造成矿演化阶段包括1.8~1.4Ga、500~420Ma、300~260Ma、180~120Ma、65~30Ma、23~7Ma等6个主金属成矿期, 1.8~1.4Ga超大陆裂解事件形成与深地幔火山岩浆作用有关的大红山式海相火山喷流沉积改造型铁铜矿、金川式与镁铁-超镁铁质岩有关的铜镍硫化物浆矿床, 500~420Ma、300~260Ma和180~120Ma特提斯裂解环境下形成罗布莎式地幔剪切-改造脉型(豆荚状) 铬铁矿床、呷村式海相火山成因块状硫化物矿床等, 180~120Ma、65~30Ma和23~7Ma是青藏高原自北而南板内伸展环境下大规模成矿期, 形成驱龙式斑岩铜矿床、哀牢山式剪切带型金矿床、金顶式陆相盆地沉积型铅锌矿床, 构成一个完整的地球系统成矿动力学演化体系.