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1、地球科学世纪之交的回顾与展望 中国科学院地学部 “中国地球科学发展战略” 研究组 (中国科学院 北京 100864) 摘要 地球科学在20世纪取得了空前的进步,21世纪将是其更加迅速发展的时代。简要回顾了 地球科学在20世纪的重大成就,展望了该科学领域21世纪初叶的发展趋势与战略重点,并提出了 具体措施建议。 关 键 词 地球科学,回顾,成就,展望,发展趋势 地球是人类居住、 生存和发展的家园。地球科 学是人类认识、 利用改造和保护我们目前惟一生存 环境 地球的基础科学。 20世纪地球科学突飞猛进,空前地加强了对日 地空间、 地球深部、 海洋和极区的探索,形成了较为 完整的、 以 “上天、 入
2、地、 下海” 作为时代特征的、 内 容丰富的学科知识体系,大大提高了对地球的认 识;开创了以解决重大科学问题为导向、 时空尺度 复杂多样(从矿物的原子到行星地球,从瞬间地震 过程到几十亿年地球演化过程)、 多学科交叉综合 和广泛应用高新技术的研究格局。 地球科学及其各分支学科的成就,为人类社会 的进步创造了辉煌的业绩。不仅在维持足够的资 源供给及其持续利用、 减轻自然灾害所造成的损 失,保护和改善环境、 促进生态系统良性循环、 协调 人与自然的关系、 保障经济和社会的整体发展、 提 高人类生活质量、 增强政府科学决策与管理能力等 方面做出了重大贡献;而且深刻地揭示了人类活动 对自然环境影响的严
3、重程度以至于威胁人类自身 生存的事实,从而引起人们日益关注人类与自然因 素相互作用对生存环境的影响。勿庸置疑,对地球 系统的整体性研究已经成为人类社会可持续发展 战略的科学支柱。 21世纪将是地球科学更加迅速发展的时代。 中国不仅是地球表面地域重要而独特的一部分,而 且拥有一支在世界上具有较强实力的地球科学研 究队伍。在新世纪开端,我国地球科学界应及时抓 住机遇,努力使我国 “从地学大国走向地学强国” 。 1 20世纪的重大成就 纵观20世纪地球科学的发展历程,大体上可 以看出,在这一世纪的前半叶,基本沿袭19世纪形 成的分支学科(如地质学、 地理学、 气象学和测量 学)并进一步深化,同时出现
4、了地球物理学、 地球化 学等新兴学科;二战之后的30年间,其发展特征是 新技术广泛应用于地球科学研究,特别是对新领域 的探索,促进了海洋调查、 对地观测的大发展和地 2001年 中国科学院 院 刊 第2期 研究组由中国科学院院士孙枢(组长)、 苏纪兰(副组长)、 陈运泰(副组长)、 马宗晋、 安芷生、 汪品先、 周秀骥和章申组成。学术秘书为孟 辉和刘勇卫。本文由孙枢根据中国科学院地学部 “中国地球科学发展战略” 研究组撰写的同名文章节录而成,略有增添和修改 收稿日期:2001年1月19日 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishin
5、g House. All rights reserved. 球科学各分支学科的全球化研究;80年代以来,由 于地球科学各分支学科的日益成熟和全球环境问 题的日益突出,人们认识到地球各圈层相互作用以 及人类活动的重要性,地球科学的发展开始进入地 球系统科学的新时代。 地球科学在百年的发展历程中,成就卓著、 五 彩缤纷。 20世纪地球科学的重大成就当首推板块构造 理论的建立。该理论认为固体地球的刚性外壳由 若干岩石圈板块构成。板块位于软流圈之上,在地 球内力驱动下可作大规模的水平移动。 板块构造理论被誉为一次全新的革命,其特点 是全球化的演化史观,改变了许多传统的概念和认 识,为认识地震和火山活动
6、规律、 矿产和化石能源 形成规律建立了新的科学原理。 板块构造理论的形成可以追溯到 “大陆漂移 说” 的提出,但其关键性理论基础则是海底扩张和 转换断层等概念。 1915年提出的 “大陆漂移说” 是挑战当时占主 导地位的洋陆固定论的划时代成就。尽管长期遭 到反对,但依然在少数学者中激起了新的思想,成 为新全球构造观的前驱。50年代后期,“大陆漂移 说” 获得一些新证据而重新被人们所重视。 40年代后期开始,广泛的科学调查在各大洋展 开。在此基础上,19611962年 “海底扩张学说” 诞 生,给出了大洋盆地形成的全新概念。这一新学说 认为,洋底岩石圈座落在地幔热对流循环的上方, 大洋中脊对应对
7、流的上升区,而海沟对应下降区。 热对流使高镁铁物质沿大洋中脊裂谷上涌形成新 生洋壳,裂谷两侧岩石圈块体受推挤而向外漂移; 在海沟处对流循环下降,洋底岩石圈下沉发生俯 冲。洋底以每年几厘米的速度扩张,整个洋底每3、 4亿年可更新一次。 “海底扩张学说” 极大地吸引了科学家们为之 努力探索。19631964年首先在印度洋中脊两侧 测得了岩石古地磁极性倒转异常条带随时间有序 排列,证实了大洋中脊新生地壳向两侧扩张过程, 同时很快为深海钻探沉积物的时代及其古地磁测 定所印证。1965年,据大洋新生洋壳区清晰的断裂 系提出了转换断层这样一种新的构造概念,认为属 刚性岩石圈在地壳表面发生转动的轨迹,并大胆
8、预 测北美圣安得列斯平移断层属转换断层,把东太平 洋中脊切断位移至温哥华岛的外侧,且当年即被探 测证实。由转换断层外延还认识了三联分叉,从而 使全球岩石圈块体可予定量描述,并推算出块体运 动的转动(欧拉)极。 上述重大进展于19671968年促成了世界六 大板块的划分,形成板块构造的基本理论。作为板 块运动驱动力的是地幔对流,还有一些问题有待进 一步的研究。目前,全球划分出十多个大小不等的 板块。 最近30年来的研究表明,10亿年甚至25亿年 以来的大陆演化历史是板块运动和相互作用的历 史。在地质历史时期,板块的边界、 大小和位置不 断发生变化。板块活动形成盆地和山脉,同时造成 可供人类利用的
9、自然资源。 在20世纪地球科学的重大理论成就、 重大发 现和有代表性的工作方面,还可以举出以下一些: 地球内部结构、 矿产资源的大量发现、 生物演化过 程中的突发事件和全球地质年表的建立、 气候变化 周期的发现与古海洋学的建立、 大洋环流理论、EN2 SO与海气相互作用、 大气环流和数值天气预报、 全 球变化、 地理地带性规律与地域分异理论、 深海热 液活动和深部生物圈的发现、 古人类的重大发现、 同位素年代测定、 对地观测系统和地理信息系统的 建立与应用、 以及登月取样与火星探测等等。这些 都是世界级里程碑式的成就。 2 21世纪初叶的发展趋势与战略重点 20世纪科学技术突飞猛进的发展,使人
10、们对新 世纪充满乐观,地球科学家也是如此。一些地球科 学研究强国,近年来纷纷展望21世纪地球科学的 发展,强调地球是人类的家园,因此人类必须对它 有深入的了解。地球是一颗硕大的行星,是不断变 化的、 多圈层的、 气液固三相共存的、 生命与非生命 物质共存的的复杂系统,是有着漫长演化经历的自 201 中国科学院院刊 学科发展 2001年 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 然历史体系,是时刻变化着的动态统一体。尽管对 地球已有了多方面甚至系统的了解,但未知的方面 可能
11、更多。对地球的科学认识,直接关系到人类的 生活质量和社会的可持续发展。 我国地球科学家满怀信心地迎接未来的挑战。 21世纪中叶,我国将基本实现现代化,建成发达、 民 主、 文明的社会主义国家。然而,在实现这一宏伟 目标的进程中,我国将继续面临比世界其它国家更 为严峻的人口、 资源、 环境的多重压力。我国西部 大开发战略的实施,更加重了我国地球科学解决重 大资源环境问题和促进西部发展的历史责任。因 此,地球科学研究要在对基本地球过程认识的基础 上,在资源、 能源、 环境、 灾害和地球信息等方面,为 实现我国现代化和西部大开发提供充分的科学和 技术支持。 到目前为止,我国只能说是一个地学大国,无
12、疑中国需要而且能够成为地学强国,因为中国不仅 拥有辽阔的地域和一系列独特的地球科学问题,而 且还有一支献身于地球科学事业的优秀科技队伍, 中国应为世界地球科学的发展做出更多的贡献。21 世纪初叶我国地球科学的发展,必须在科教兴国和 可持续发展战略框架下,从国情出发,遵循 “有所 为,有所不为” 的原则,着眼于质量,以提高理论水 平和效益为重点,加强学科间的交叉渗透与知识集 成,凝练对国家经济、 社会发展和科学发展具有带 动性的、 兼具区域特色与全球意义的发展方向和重 大科学问题,求真务实,开展创新研究。 2.1 对地球科学发展趋势的思考 对地球的科学研究已形成许多一级学科,而一 级以下的分支学
13、科更是数以百计。这里仅就地球 科学作为一个整体、 一个超级学科的发展趋势略作 讨论。 (1)地球各圈层(大气圈、 水圈、 生物圈、 地壳、 地幔和地核以及它们的组成部分)的深入研究推动 各分支学科的继续发展。研究内容涉及圈层的结 构、 成分及其在时空上的变化,圈层内物质的运动 和圈层的动力学。各学科的前沿科学问题将是关 注的焦点,并将首先得以突破。学科的深化研究会 导致新兴学科的形成和发展。 (2)地球各圈层相互作用的研究标志着地球系 统科学的逐步建立与发展。首先侧重海2陆2气2生 物圈相互作用的物理、 化学与生物过程;壳2幔、 幔2 核相互作用及其物理、 化学和地质过程。相互作用 的研究将导
14、致新兴交叉学科的形成与发展,并导致 地球系统观的建立,形成整体性的地球系统科学。 (3)人类活动作为地球上发生的有关过程的一 种作用力将进一步得到深入研究。地球在自然力 的作用下一直在发生变化。近30年来的观测和研 究,认识到人类活动对地球表层直到臭氧层有重大 影响,有时甚至超过自然力的作用。地球科学将从 人2地关系的角度审视环境的变化,为社会和自然 的协调发展提出科学原理和方法。 (4)地球科学将加强复杂性、 非线性的研究。 地球各圈层内物质运动的规律和相互作用都存在 非常复杂的非线性问题,以往大都在某种假定下把 非线性的数学模式线性化,然后求解。大型高速电 子计算机的广泛应用,将首先推动大
15、气科学、 海洋 科学和地球物理学的复杂性和非线性研究。 (5)地球科学将更加注重同现代科学技术各有 关学科之间的交叉。广泛采用高分辨率的观测系 统(地面、 水面的直到空间对地观测)、 高灵敏度和 高准确度的分析测试系统(包括微粒、 微量、 纳米级 和超微量)、 不同条件下的实验模拟系统、 建立在动 力学及高性能计算基础上的数值模拟以及数字化 的地球信息系统。 (6)解决资源、 能源、 环境、 灾害和地球信息问 题的能力进一步加强,预测能力继续提高,继续拓 宽为社会服务的领域,为国家的决策者和国际论坛 提供事关人类生活质量和可持续发展以及国家安 全的科学依据与咨询,逐步实现对地球的各个部分 直到
16、整体的科学利用和管理。 (7)地球科学研究将朝着 “宏观更宏,微观更 微,宏观微观相结合” 的方向发展,继续保持全球化 的研究工作特点。全球化的研究方式不仅指各类 国际研究计划的执行,更重要的表现为研究区域性 问题和全国性问题离不开对全球性信息和全球其 它地区、 其他国家研究进展的及时把握。越是前沿 3012期 地球科学:世纪之交的回顾与展望 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 性和原创性的研究,这种依赖性越强,因为地球及 其各圈层是一个整体。一些地球科学问题固然有 区域性的特点,但这种区域性是寓于全球性之中 的。在一定意义上,只有更好地了解全球才能更好 地了解区域。同时,区域是全球的窗口,区域性是 通向全球性的大门。21世纪的重大突破,将属于站 在区域性和全球性结合点上
