浅议学科交叉与地球系统科学

以整体系统的观念认识地球 ,强化学科间的交叉与渗透 ,是 2 1世纪初地球科学发展的主题。各国都十分重视推动学科交叉研究 ,并将学科交叉分为Modidisciplinary、Interdisciplinary、Transdiscipli nary三个层次。地球系统科学的两大前沿为“地球系统的联系”和“地球系统的演化” ,2 1世纪地球科学的突破在于地球系统变化理论的形成。笔者指出 :目前 ,我们的观念还跟不上地球科学的发展 ,尤其是“学科交叉”的理念不强 ,缺乏地球系统科学的思维 ,但我们有开展地球系统科学研究的有利条件     

全球变化科学的进展

全球变化科学对揭示和理解人类赖以生存的地球系统运转的机制、变化规律及人类活动对地球表层环境系统的影响具有重要的意义。从深海氧同位素曲线的建立与米兰科维奇理论的发展、高分辨率冰芯记录的研究、短周期气候变化、突变事件的发现、南北半球古气候对比的研究以及我国学者对过去全球变化研究的贡献等角度论述了地球环境变化历史的研究进展；并在对温室效应和全球气候变暖、臭氧洞、土地利用和土地覆盖的变化以及水资源等研究和现代观测资料分析的基础上，阐述了人类活动对地球环境的影响；提出了当前全球变化科学研究的发展趋势以及在新世纪全球变化科学所面临的挑战。     

国际地球科学发展态势

从学科发展的角度综述了20世纪80年代以来地球科学研究在思维方式、研究对象的时空尺度、研究内容、研究形式、组织形式、信息交流、方法手段等方面所发生的深刻变化，指出地球科学已经进入地球系统科学时代和为人类社会经济可持续发展服务的时代。进入21世纪，地球科学研究的主要趋向、热点与重点问题是：①突出地球系统科学，关注全球变化与地球各圈层相互作用及其变化的研究，以及人类活动引发的重大环境变化研究；②突出地球演化的动力过程研究，关注地球内部深层过程与岩石圈动力学、气候系统动力学与气候预测、生态系统动力学与生态环境的保护和建设；③突出地球信息科学，关注数字地球、3S（GIS、DIS和GPS）一体化和地球科学定量化的研究趋势；④突出地球管理科学，关注减灾防灾、环境保护治理、资源合理开发利用以及碳循环、水资源、食物与纤维、能源战略等问题；⑤突出地球科学跨学科研究进展与创新，关注经济社会发展对地球科学的影响与需求，重视地球科学在自然科学内部与其他学科的交叉融合以及高新技术在地球科学中的应用。     

江汉平原地球关键带监测网建设进展

地球关键带是地球科学领域的热点研究主题,我国地球关键带研究尚处于起步阶段,如何形成符合我国实情的地球关键带调查与研究范式,仍需进一步探索。江汉平原地处长江中游,是长江经济带的重要组成部分之一,其主要特点在于受不同级次水利工程的强烈影响。基于多年调查研究,在江汉平原建立了一套较为完善的地球关键带监测网络,涉及水、土、气、生物等各地球关键带要素。监测网络设置上,既考虑了不同级次水利工程的影响,也考虑了区域营养元素/重金属的富集特征; 监测技术上,部分指标实现了原位监测,大部分指标实现了野外现场测试,未来将进一步加强在线监测并实现数据远程传输。目前,江汉平原地球关键带监测网已成功纳入全球地球关键带研究网络,这是我国地球关键带调查与研究的初步探索,不仅可为长江流域的地球关键带调查研究提供示范,也可为长江大保护战略提供有力的理论与方法支撑。     

江汉平原地球关键带监测网建设进展

地球关键带是地球科学领域的热点研究主题,我国地球关键带研究尚处于起步阶段,如何形成符合我国实情的地球关键带调查与研究范式,仍需进一步探索。江汉平原地处长江中游,是长江经济带的重要组成部分之一,其主要特点在于受不同级次水利工程的强烈影响。基于多年调查研究,在江汉平原建立了一套较为完善的地球关键带监测网络,涉及水、土、气、生物等各地球关键带要素。监测网络设置上,既考虑了不同级次水利工程的影响,也考虑了区域营养元素/重金属的富集特征; 监测技术上,部分指标实现了原位监测,大部分指标实现了野外现场测试,未来将进一步加强在线监测并实现数据远程传输。目前,江汉平原地球关键带监测网已成功纳入全球地球关键带研究网络,这是我国地球关键带调查与研究的初步探索,不仅可为长江流域的地球关键带调查研究提供示范,也可为长江大保护战略提供有力的理论与方法支撑。     

天体化学:地球起源与演化的几个关键问题

以近几年天体化学研究取得的一些重要成果，论述了对于认识地球的起源和演化进程的重要意义。地球主要由一套具有独立化学成分组成的硅酸盐质星子群随机碰撞吸积而成。地球的星子堆积形成方式和初始化学成分的不均一性制约着地球后期的非均一、非均变演化过程。以１８００Ｍａ为转折点，地球的演化具明显的两阶段演化特征：早期以初生壳体———星子源地体的形成和发展为特点，后期以岩石圈板块运动为特点。地球演化史中的地外撞击事件，是太阳系形成机制———碰撞吸积作用的继续，是地质历史生物、沉积、岩浆、构造等演化的重要营力之一。     

关于我国开展地球系统研究战略概念模型的讨论

自20世纪末以来,地球科学开始进入一个新的发展时期,地球系统科学理念逐渐成为引领新世纪地球科学的发展方向。世界各国在制定其地球科学战略时,均基于各自掌握的科学资源和实际需求,形成了各自的特色。我国地球科学发展的优势在于区域自然条件,以及社会经济快速发展产生的需求和机遇。基于我国的实际情况的分析,提出了一个地球系统科学研究的概念模型。在这一框架内,我国可以在两方面选择研究范例,并为地球系统科学的发展做出贡献：一是在地球系统物质、能量循环中关注我国具自然条件优势的关键环节;二是强化区域集成研究。同时,还需要加强地球系统观测和模拟的平台建设。     

长江经济带地质环境综合调查工程进展与主要成果

为保护长江生态环境,近年来,中国地质调查局组织实施了“长江经济带地质环境综合调查工程”。通过采用环境地质调查、评价、监测以及专题研究和综合研究相结合等方法,取得了一批重要成果和认识: ①初步构建了长江经济带地质资源环境综合信息管理与服务平台,系统梳理了长江经济带与重点区域的资源环境条件和重大地质问题,提出相关建议; ②创新地将“光纤技术”应用于地面沉降和地裂缝监测,相关成果引领了光纤监测技术发展; ③编制了1:5万比例尺的环境地质调查技术标准和要求; ④创新形成了3个层次环境地质调查合作机制,探索建立了3种尺度资源环境承载能力评价方法体系和大流域环境地质工作模式; ⑤建立了江汉平原地球关键带监测网络,编制了平原区地球关键带调查技术方法指南; ⑥提出了长江流域重大水利工程与生态地质环境多元响应研究思路,创新构建了一套多模态传感器调查系统,提出了重大水利工程对地质环境影响新判断; ⑦建立了长江中下游不同沉积单元区第四纪地层多重划分对比序列,构建了重点地区第四系三维地质结构模型,提出了长江贯通时限和演化新认识; ⑧编制了流域、经济区和城市系列地质调查报告和图集,成果转化与服务成效显著。该工程进展及成果提升了长江经济带地质调查工作水平,可为区域国土空间规划、绿色生态廊道打造、立体交通走廊建设、产业转型升级、新型城镇化建设以及脱贫攻坚工作等提供科技支撑。     

长江经济带地质环境综合调查工程进展与主要成果

为保护长江生态环境,近年来,中国地质调查局组织实施了“长江经济带地质环境综合调查工程”。通过采用环境地质调查、评价、监测以及专题研究和综合研究相结合等方法,取得了一批重要成果和认识: ①初步构建了长江经济带地质资源环境综合信息管理与服务平台,系统梳理了长江经济带与重点区域的资源环境条件和重大地质问题,提出相关建议; ②创新地将“光纤技术”应用于地面沉降和地裂缝监测,相关成果引领了光纤监测技术发展; ③编制了1:5万比例尺的环境地质调查技术标准和要求; ④创新形成了3个层次环境地质调查合作机制,探索建立了3种尺度资源环境承载能力评价方法体系和大流域环境地质工作模式; ⑤建立了江汉平原地球关键带监测网络,编制了平原区地球关键带调查技术方法指南; ⑥提出了长江流域重大水利工程与生态地质环境多元响应研究思路,创新构建了一套多模态传感器调查系统,提出了重大水利工程对地质环境影响新判断; ⑦建立了长江中下游不同沉积单元区第四纪地层多重划分对比序列,构建了重点地区第四系三维地质结构模型,提出了长江贯通时限和演化新认识; ⑧编制了流域、经济区和城市系列地质调查报告和图集,成果转化与服务成效显著。该工程进展及成果提升了长江经济带地质调查工作水平,可为区域国土空间规划、绿色生态廊道打造、立体交通走廊建设、产业转型升级、新型城镇化建设以及脱贫攻坚工作等提供科技支撑。     

美国国家大气研究中心优先研究领域新特点

美国国家大气研究中心于2005年11月提出了新的战略计划。该计划突出的新特点在于无论科学研究活动还是教育、观测设施等方面的战略目标和优先领域,都是以地球系统研究为中心。如在科学研究方面的战略目标确定为：认识地球系统的作用、准确预报地球系统的演变。相应的优先研究领域则为：研究和了解地球和太阳的自然变率;地球系统各分量的相互作用;地球系统预报;人类活动与地球系统的演变等。鉴于NCAR在国际大气科学界的地位,这种以地球系统为中心的优先研究领域对我国大气科学及地球科学研究有一定的借鉴意义,同时也将促使大气科学工作者摆脱传统天气、气候概念的束缚,站在更高的高度来科学审视学科的发展。     

“地球系统探测新原理与新技术”优先领域与地球系统科学

地球系统科学是研究组成地球系统的子系统之间相互联系、相互作用的机制，研究地球整体结构、特征、功能和行为，研究地球系统变化的规律和控制这些变化机理的科学。对地观测、探测与分析技术的发展是地球科学创新思维来源的技术保障，同时对地球科学基础理论研究水平的提高起着重要的作用。21世纪地球科学的发展将更加重视发展地球系统科学的理论、方法与技术体系。“地球系统观测、探测新原理与新技术”被列入国家自然科学基金委员会地球科学部“十五”优先资助领域。回顾“十五”期间的资助情况，探讨该领域和地球系统科学的关系，将有利于“十一五”对该领域资助工作的调整与完善。     

我国的地球系统科学研究向何处去

近15年来,全球变化与地球系统科学研究在中国广泛开展,我国科学家越来越积极地参加各项国际计划。当前,一些重大的国际计划正在进入其新阶段（如IGBP-II,IODP）,恰好我国也正在制定科技发展中长期规划,迫切需要回顾我国地球系统科学的现状并探讨其今后方向。尽管中国作者的国际论文数量在增长,我国地球系统科学落后于国际的差距仍有拉大的趋势：国际前沿的许多热点问题,在中国尚未提上日程;中国学者在国际计划中早期多有贡献,但在项目总结中却很少有份。为此,提出 3点建议：（1）中国地球科学家应当扩大视野、立足本国、面向全球;（2）应当注意国际前沿动向,促进地学与生命科学在分子水平上的结合;（3）中国的地球科学,应当从以描述为主向探索理的方向发展。我们不应当满足于向国际学术界输出"原料",而要积极参加地球系统科学中关键问题的理论探讨。     

地幔氧逸度的研究进展

通过对目前国际上诸多有关地幔氧逸度的研究结果的系统分析和总结 ,提出了地幔中自由氧对地幔物质的性质、状态及运动过程产生影响的基本作用方式 ;介绍了目前地幔氧逸度研究的主要研究手段 ,包括本征氧逸度的实验室测量、模拟氧逸度的实验室测量、地幔氧逸度计及理论计算等及其优缺点 ;定性探讨了地幔氧逸度的时空分布规律 ,获得了地幔随时间的推移变得愈来愈氧化 ,随深度的增加变得愈来愈还原 ,以及在横向上不同大地构造部位的地幔区域具有不同的氧逸度等诸多结论。结合目前人们对地幔物质组成、性质、状态、运动过程及地球的起源与演化历史等的认识 ,初步提出了地幔不同圈层氧逸度的约束机制。最后 ,针对目前地幔氧逸度的研究现状 ,为今后提出了一些参考性的研究方向。     

地球系统演化原因研究的回顾与展望

简略回顾了地球系统的研究历史,指出人类数千年来关于地球系统的研究可分为古代、大分化和大融合 3个阶段,提出"地球系统学"在今后相当一段时间内将是地学研究的主流。第二部分探索地球系统演化的原因,指出："热"是影响地球系统的途径,但地表面受热的准周期性变化不应是整个地球系统演化的主要原因;对于各种引力的准周期性变化对气候变化的影响,归纳出这样一条可能的途径：天体引力→地核环流变化→通过地幔热柱影响软流圈波动变化→通过地热影响气候变化;宇宙磁场通过"变压器效应"调制地核中的Lorenz力,使地核环流变化,进而影响地球系统演化。第三部分提出"外核环流是主导地表系统演化的总枢纽"假说。最后指出：一定要从宇地相互作用中寻求地球系统演化的原因;宇地之间相互联系的热、力和电磁三种物理过程中,"磁"是最值得予以关注的;核幔边界层很可能是推动地核环流和地幔对流的能源区。     

地球环境与生命过程

生物圈是地球系统中唯一具有生命活动的圈层,生物圈及其与各圈层之间的相互作用对地球环境变化起着巨大的推动作用。因此,有关生命过程与地球环境相互关系的知识对于人类理解地球系统以及利用地圈、水圈和大气圈资源至关重要。地球环境与生命过程研究的内涵就是研究地球环境与生命过程相互作用中的各种化学、物理、生物过程,以及其在地圈、水圈、大气圈、生物圈各子系统之间发生的相互作用,增进对地球系统的理解和认识,区分人类活动与自然过程在全球变化中的作用,评估气候与环境变化对生命过程的影响及其反馈作用,揭示生命过程对于地球环境的适应性及其调控机理,为科学地管理地球,确保地球系统的可持续发展提供依据。其核心目标就是通过理解生命过程与地球环境相互作用的过程,评估人类对自然平衡和自然循环造成的影响,进而实施地球管理,确保地球生命支持系统的可持续发展。基于当前地球系统科学研究前沿,提出了未来关于地球环境与生命过程研究需 要重视的方面,尤其是关于生态系统对全球变化响应的阈值研究应引起高度重视。     

初论构造应力-应变系统的复杂性

地球内部构造应力主要集中于岩石圈上层。通过岩石变形的微观机制与宏观表现的研究 ,可以看出 :构造应力应变作用绝不仅仅是一种简单的、线性的力学过程 ,而是多圈层相互作用、受多种物理和化学因素控制的、非线性作用过程。地球构造应力场在不可逆演化过程中是一种具有某种阵发式变化的复杂系统。     

CZChemDB and EarthChem: Advancing management and access of critical zone geochemical data

Multiple Critical Zone Observatories (CZO) have been established in recent years in the USA and other international settings to conduct collaborative research on processes that occur at and near Earth’s surface, also known as the Critical Zone (CZ). Data documentation and data sharing are two persistent problems facing the CZOs that impede the ability for cross-site comparisons and integrated analysis. In this study, a relational database was developed for CZ rock and regolith geochemical data – CZChemDB. There are a total of 24 interrelated tables in the database, each representing different aspects of CZ features. The main data group includes tables of locations, sites, samples, subsamples, preparation/treatments, laboratory-analysis and data values. The meta-data group includes tables of methods, references, and data quality. Lookup tables (variables, units, etc.) contain lists of “controlled” vocabularies. The CZChemDB is currently implemented in the MS Access database management system. It is expected to be integrated into the EarthChem portal by summer of 2011 for broader online accessibility and usability. This integration also complements the EarthChem’s global geochemistry database with CZ regolith data. The structure of the CZChemDB is simple, straightforward, and flexible so that it has potential to accommodate other chemical data collected from CZOs, such as pore fluid data. Furthermore, the development of CZChemDB represents the first attempt toward the standardization of geochemical data documentation and data sharing among CZOs. This effort will establish a model to bridge the connections between data acquisition, data management, data sharing, and data searching/discovering that are all essential but weak in terms of linkages within most geoscience research projects.     

地球内部流体系统科学统一理论

从当前人类面临的重大而紧迫的全球性资源、环境、减灾问题的挑战出发，论述了地球内部流体研究在三大领域中的地位和作用。地球内部流体系统科学统一理论从科学系统观出发，在研究思路上坚持多门学科间大跨度交叉，立足于层次性、全球性和统一性的整体观，并以地球系统科学为理论基础，从而具有在更高层次上进行综合学科研究的特点和时空有序多层结构的研究领域。最后，阐述了从定性到定量的系统学、非线性科学的方法学和方法论。同时，地球内部流体与成矿作用，与环境、灾害及全球变化，地球内部流体的实验研究和动力学研究以及地球内部流体的探测，是统一理论研究的主题。     

Earth System Science: Conception and Misconception——To the Third Conference on Earth System Science,Shanghai

Earth system science should not be understood as an all embracing term that combines various disciplines studying the planet Earth. Rather, it is a new approach to consider interaction between its various subsystems, and seeks to integrate various research fields to understand the Earth as a system. Earth system science has developed from global changes studies, then extended into the deep geological past and now is facing a new challenge connecting the surface processes with those in the Earth’s interior.     

地学发展若干问题及对策

一、目的 地学包括地质学、地理学、地球物理学、地球化学、大气科学、海洋科学,以及环境科学、空间科学、生态学和资源问题的一部分,其中大部分是自然科学中最早形成的一些学科,有着悠久的发展历史;而另有一些则是由于当代技术发展和人类面临要解决的重大问题的需要而应运产生的新学科。所有这些学科和它们的若干分支在当代都有着蓬勃的发展,起着越来越大的作用。