我国的地球系统科学研究向何处去_

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1、世界科学 2 0 0 6 . 8 我国的地球系统科学研究向何处去？ 本刊郑重向读者推荐著名海洋地质学家、 同济大学教授汪品先院士这篇文章。 在年初召开的全国科技大会 上， 胡锦涛代表党中央、 国务院向全国人民发出了建设创新型国家的号召， 并再次强调了坚持自主创新对于未 来中国发展的重要意义。当此关键时刻， 更需要有一种对当下、 对未来的清醒认识， 需要有全球化的眼光。汪先 生的这篇文章虽是基于地球科学的若干基础研究问题， 但相信文中的诸多见解、 思考， 对其他领域的科技工作 者， 对广大读者都会有所启发。 2 0 世纪末期起， 国际学术界正在经历着一场质的变化： 原来分头描述地球上各种现象的学

2、科， 正在系统科 学的高度融合， 成为揭示机理、 服务预测的 “地球系统科学” ， 地球科学又一场新的革命性突破正在来临。当此， 有必要对国内外地球系统科学的研究作一比较， 并在此基础上对学科发展的走向提出一点管窥之见， 就正于同 行。 科学家论坛 差距是在缩小还在扩大？ 近年来，“全球变化” 、“地球 系统科学”已经广泛列入各种有 关的科学研究发展计划，并且广 泛开展， 成绩卓著； 有关地球系统 科学的专著论文以及教材，也已 经有相当数量。如果几年前我们 曾经为我国地球科学国内论文数 量失控、国际论文停滞不前而忧 虑， 那么现在应当刮目相看， 我国 地学的国际论文数迅速增长， 国 际刊物上中

3、国作者的姓名处处可 见。 不过数量的增加，并不等于 质量的提高； 以 “地球系统科学” 为名称的项目与论文，也不一定 意味着进入了新的层次，摆脱了 原有的局限性。地球系统科学带 来的种种新概念、 新名词， 并不等 于科学家接受新思路、悟得新境 界。为了说明以上担忧并非空穴 来风，不妨将国内与国际的地球 系统研究现状作一对比： 国际讨论的许多重大问题， 不见于国内。 以 2 0 0 4 年 4 月欧、 美 地球物理学会在尼斯联合举行万 人大会为例， 讨论的热点如 “显生 宙的大气历史” ，“地球与类地行 星的岩浆发生与演化” ，“大气圈 与生物圈的交换：从源到汇的全 面探讨” ，“地幔构造与成分

4、： 地球 物理与地球化学模型的协调” 等 等， 均属地球系统科学的范畴， 却 都是我国不熟悉或者不大熟悉的 题目。 重大国际计划的学术总结， 往往不见我国参与。一些国际合 汪品先 汪品先院士 2 世界科学 2 0 0 6 . 8 地球与生命科学交叉的新高度 近十几年 “全球变化” 和 “大 洋钻探” 研究中最大进展之一， 在 于地圈与生物圈相互关系认识的 突破，结果是将地学与生命科学 的交叉提高到一个空前的新高 度。国际学术计划将这种交叉定 为新世纪前沿的首选，而在我国 似乎还没有提上日程。 地学与生命科学的结合， 并 不是新命题。地质学创立伊始， 就 与生物学结下不解之缘：地质年 代便是以生

5、命演化为序的。但传 科学家论坛 作计划， 在实际观测和数据采集中 我国曾积极参加， 大力投入； 到这 几年进行学术总结时， 我国学者的 参与却大幅度下降。 我们可以在研 究计划的外圈为产生数据出力， 却 难以在材料 “组装” 和理论探讨的 核心中发挥作用。 与传统的地球科学相比， 地球 系统科学从原始数据到科学解释 之间的工序增多，“原料” 的加工变 深。和国际市场经济相似， 学术界 也正发生着两极分化： 许多国家只 能输出 “原料” ， 只有另一些国家才 能够进行原料的 “深加工” 。 正当我 国学术界热衷于计算“S C I 论文” 数量的时候， 国际学术界却在朝向 地球系统科学的核心问题发

6、起攻 势。如果安于现状， 只以文章数量 为满足， 若干年后将会发现， 我国 尽管成为更大的数据输出国， 而在 学术水平上的国际差距却拉得更 大。 对于国际合作， 我们的习惯是 “重在参与” ， 往往以 “跻身 “为目 标， 至于合作研究最后究竟要解决 什么问题， 其实并不清楚， 似乎也 不大在乎。结果是开始投入很大， 最后总结无份；对于这种先例， 我 们应当引出教训。 在大型的长期国 际合作研究中， 播种者不等于收成 者。 关键在于我们自己能不能抓住 关键环节， 瞄准核心问题， 避免 “为 人作嫁” 或者 “种瓜得豆” 。 立足本国 面向全球 全球视野是地球系统科学的 前提。十几年来 “全球变

7、化”的 研究令人信服地表明：当今世界 的自然条件都在变化，而这种种 变化之间，又有着意想不到的相 互联系。温室气体排放的后果， 不仅使大气的 C O2增多、全球变 暖，而且造成地球表面一系列界 面的抬升：海平面抬升，上世纪 以来每年平均上升 1 . 5 2 . 0m m ; 雪线上升，非洲最高峰的雪线近 9 0 年升高数百米；连大气圈对流 层顶的高度也在上升，2 0 年来平 均上升 2 0 0 m 。 温室效应使对流 层增温，臭氧洞使平流层减温， 结果使得对流层顶升高。温室效 应不仅改变海平面，还改变着海 水的化学：每年估计有 6 5 0k m 3 的融冰淡水添进大洋，使得海水 变淡。温室效应

8、甚至还可以间接 地改变地球重力场：冰消期以来 冰盖消融、地壳反弹，地球扁率 长期下降；而近期的冰雪消融使 海水质量由南大洋北移，1 9 9 7 年 起地球的动态扁率停止下降，转 为上升。 温室效应引起的变化涉及所 有圈层，全球范围内无所不在； 同时也只有从全球着眼，观察到 的局部变化才可理解。第四纪以 来海洋沉积速率加快，我国习惯 的归因为青藏高原的隆升；但是 这种加快现象遍及全球，其实是 第四纪冰期大幅度的海面升降， 使沿海平原与陆架大量沉积搬运 入海的结果。无论“厄尔尼诺” 还是“新仙女木事件” ，起先都 认为是局部事件，现在才明白只 有在全球系统内方能理解。季风 是一种区域现象，但是亚、

9、非、 澳三大洲的季风有着内在联系， 加上美洲季风，构成“全球季 风”系统，从全球系统出发才能 更好理解各个子系统。 无论从我国地球科学的实力 和投入看，或者从我国经济与权 益的国际竞争看，都到了走出国 门、面向世界的时候。应当重新 考虑我国地球科学的定位，不能 以“原料输出”为满足。应当从 地球系统科学出发，改变我们的 研究视角：或者从全球问题出 发，用中国材料入手研究；或者 从中国问题出发，在全球的高度 进行分析。我国地学的成果在国 际舞台上的体现低于其实力，原 因主要还不在语言障碍，而在于 视角过低，就事论事有余，“上 纲上线”不足，难以引起国际兴 趣。相反，凡能利用本国特色又 能针对全球

10、问题的，便容易走上 国际接轨之路，黄土高原的古环 境研究便是一例。 3 世界科学 2 0 0 6 . 8 统的生物地层学是建立在化石形 态的肉眼鉴定基础之上， 难免其片 断性和表面性。世纪之交， 地球科 学向地球深处和地球以外发展， 生 命科学向更深入的微观世界进军， 正是在这里产生了两者交叉的新 层次: 地下深处微生物的发现， 在 分子生物学与生物地球化学的层 面上， 开拓了全新的研究领域。原 来所说的许多地学过程， 其实是生 物活动的结果； 原来探索的生命演 化，其实是地学环境变化的产物； 原来分头研究无从理解的一些现 象， 地学与生命科学的结合提供了 全新的答案。 “深部生物圈” 的发现

11、， 大大拓 宽了 “生物圈” 的分布范围， 直到极 地冰盖、火山热泉和洋底地层， 几 乎无所不在。生物的分类， 也扩展 到古菌、细菌与真核生物三大类。 地球历史的 8 5 %只有前两类组成 的原核生物， 它们从还原到氧化环 境都有分布， 在地球系统的时空坐 标中占据一大片，而我们熟悉的 动、植物只是真核生物中的一部 分。 从金属矿到水合物， 从火山口 到岩溶洞，无处不有微生物的活 动， 许多原来以为 “无机” 的地质过 程， 其实都是生命活动的结果。传 统地质学里生物的 “主角” 是大化 石， 其实改造地球的首先是原核生 物， 它们的生态过程影响着化学元 素周期表里几乎所有的元素， 默默 无声

12、地 “耕耘” 了 4 0 亿年， 直到今 天才有可能得到重新评价。 生命演 化史的研究很像社会史， 引人瞩目 的恐龙、 鳞木固然重要， 但真的要 揭示机理， 还非要深入到原核生物 不可。全面看来， 地球生态系统的 根本基础在于原核生物， 它们才是 “真正的英雄” ； 而我们熟悉的大型 生物其实是生态系的顶层， 相当于 社会史里的 “帝王将相” 。 寻找地球 和生命系统演变的规律， 必须深入 “基层” ， 深入到分子生物学和生物 地球化学的水平, 才能理解地球系 统的运作。 要记录更要过程 要现象更要机理 地球系统研究中， 既 有现象描述、 采集纪录的 方面，又有追踪过程、 探 索机理的方面。

13、前者是基 础， 后者是目标， 地球系 统科学作为一门科学的 基础理论， 就寓于这机理 之中。地球系统过于复杂， 不大可 能用牛顿定律或者门德列夫周期 表这样简明的基础理论加以概 括， 但是必然会有地球系统运行、 演变的自身规律，这就需要通过 现象的记录去探索机理。这种探 索，可以用厄尔尼诺的研究实例 加以说明。 厄尔尼诺现象早已发现, 到 6 0 年代认识到这是热带太平洋海 气相互作用中的重大异常，但是 不明白形成的机制。1 9 8 5 年热带 大洋与全球大气 （T O G A ） 计划开 始，在太平洋赤道两侧投放了将 近 7 0个锚系，对水文、 风速、风向等连续观测 十几年，追踪大气与上 层

14、海水的变化，终于揭 示出西太平洋暖池次表 层水温度与东太平洋上 升流的关系，为预测一 年或半年后厄尔尼诺的发生提供 了一种依据和初始资料。随后的 研究又发现，厄尔尼诺的强弱变 化多端，而且热带太平洋与大气 之间这种不稳定的相互关系也见 于年代际的变化和更长的时间尺 度，同时还发现厄尔尼诺影响着 科学家论坛 海底热液细菌在温度 1 0 0 下生活 4 世界科学 2 0 0 6 . 8 地球深部与表层系统的结合 人类生活在地球表层，首先 关心和比较了解的都只是表层。 但是 “由表及里” 是认识的规律， 近年来越来越多的证据表明地球 表层看到的现象， 根子在深部； 缺 了深部， 地球系统就无法理解，

15、 越 是大范围、 长尺度， 越是如此。 水循环和碳循环是贯穿地球 表层系统的 “红线” ， 其实两者都 深入到地球内部。只是在地球深 部循环的速度比在表层系统中慢 得多， 往往不被注意； 而在百万年 以上的长时间尺度里，地球系统 碳循环的主角就是地幔和地壳。 造山作用使岩石圈抬升并遭受剥 蚀，岩石圈主要成分硅酸盐的化 学风化相应加剧，消耗大气中的 C O2； 岩石圈随板块俯冲到地幔深 处，在高温高压下发生变质作用 放出 C O2， 通过火山活动又回到大 气。这种岩石圈和大气间的碳循 环周期， 长达千万年以上。由深部 排出的 C O2通量，与洋中脊扩张、 大洋壳生成的速率成正比。据此， B e

16、r n e r 等 3 人在 2 0 年前首次计算 了 1亿年来的碳酸盐 / 硅酸盐地 球化学循环， 提出了著名的 B L A G 模型， 探讨碳循环和大气 C O2浓度 的演变。地球深部向表层输出 C O2， 一方面由地幔物质在洋中脊 排气，另一方面又由俯冲到深处 的碳酸盐岩变质脱碳， 产生 C O2从 火山口排出, 这类深部成因的温室 气体可以对地球表层系统产生重 大的气候效应。 地球深部的水循环，是近年 来研究的热点。水在岩浆作用中 的重要性， 已经得到公认, 然而这 类认识仅仅处在起步阶段。最直 观的是大洋中脊的热液系统： 海 水 沿 着 海 底 的 裂 隙 下 渗 ， 到 4 0 0 0 5 0 0 0米深处与熔岩接触， 升温到 3 0 0 4 0 0度后重返海底， 将深部物质与能量带到表层， 造 成特殊的成矿作用和生命系统。 在俯冲带，大洋板块带着水下沉 到地幔深处。 实验表明，玄武岩和安山岩 的大洋壳可以 1 2 %的水，深入 到俯冲带 2 0 0公里以下；而最近 的研究提出，整体上 9 7 %的水在 俯冲过程中脱失，参加到岛弧的 岩浆作用中去，只有很少的一