引领世纪的地球系统科学研究现状.pdf

第 2 7卷第 4期 2 O l2年 1 2月 ： 4 9 8 5 0 8 地质找矿论丛 Con t r ibut io ns t o Ge olog y a n d M ine r a l Re s our ce s Re s e a r ch V0 1 2 7 NO 4 S e p 2 01 2： 49 8 5 0 8 d o i： 1 0 6 0 5 3 j i s s n 1 0 0 1 1 41 2 2 01 2 0 4 01 6 0 引言 引领 世 纪 的地 球 系统 科 学研 究现 状 江 永 宏 ( 中国地质调查局发展研究 中心情报 室， 北京 1 0 0 0 3 7 ) 摘 要： 随着人类社 会谋 求可持续 发展 意愿 的加 强 ， 突 出系统科学 的服务 和规范 已成 为我 国公 益 性地质 工作 的战略要求 ， 并且成为引领新世 纪地球科学 的发展方 向。建立在 地球探针等技术 基础 之上的系统科学 ， 必将促进多学科交叉 融合 ， 从地球 系统整体行 为研究 寻求解决 办法 。由此 提 出 了地球 系统 和地球 系统科学 的概念 。通过 自由性 、 统计性 、 组合性 的研究 ， 研 究 自然界 中的秩序与 和谐 ， 通过体系 的完全性 、 参数性 、 层次性的研究 ， 揭示不同空 间的物质组成 ， 解释不 同结 构的物性 参数 ， 通过地质学 、 地球物理 、 地球化学信息的研 究 ， 探索开发矿 物原料 、 资源估算 、 水文生态 、 污染 治理 、 矿 山监测 。 关键词 ： 地球 系统 ； 地球 系统科学 ； 矿产资源 ； 挑 战与机遇 中图分类号 ： N 9 4 ； P 6 9 1 文献标识码 ： A文章编号 ： 1 0 0 1 1 4 1 2 ( 2 0 1 2 ) 0 4 0 4 9 8 1 1 地球 系统 是指 由大气 圈 、 水 圈 、 岩石 圈和生 物 圈 ( 包括人类) 组成的有机整体。地球系统科学就是研 究组成地球 系统 的这些 子系统之间相互作用 的过 程 。地球系统科学的学科范畴跨越了 自然科学与社 会 科学 ， 地球 系统 科 学 研究 的空 间范 围从 地 核 到 地 球外层空间； 研究 的视角是地球各组成部分之 间的 相互作用， 是将地球看作一个 由各圈层构成的、 相互 作用的统一系统 ， 进而综合估价固体地球 流体地球 与生态 圈 之间 的关 系 以及人 文 影 响 ； 时 间 的 尺度 从 几秒到几百万年 。地球系统科学是横跨 固体地球科 学、 大气科学 、 海洋科学等 的横断学科。1 9 8 8年美 国 地球系统科学 一书提出了地球系统科学的概念 框架 引。 自从上世纪 7 O年代 以来 ，国际地球科 学界相 继实施了一系列合作研究计划，如 国际地球动力 学 的计划 、 国际岩 石 圈研 究计 划 、 国际大 陆动 力 学计划 和 国际深海钻探计划 等 。存储在发达 国 家图书馆里的众多地质资料使人相信 ， 在上述计划 的实施 中获得的大量珍贵资料和数据， 足以改变传 统地球科学概念与面貌 ， 使地球科学作为 自然科学 领域中的前沿学科 ， 成为制约社会经济发展的战略 学科 。 按照二级学科统计 ， 中国地质大学现有 传统地 学、 地学延伸和非地学三大类学科专业 ， 在学科专业 数中大约各 占 1 3 ， 形成 了较 为合理 的专业设 置构 架 。但是 ， 它们 的发 展 是不 平 衡 的 。地 学 类 基 本 属 于特色明显的优势学科 ， 但需要在新形势下扩展学 科 领域 ， 构建地 球 系统科 学 。 地球 系统 科学 作 为 研究 地 球 系 统 的科 学 ， 包 括 4个部分 。辨证法则 ： 主要通过体系的 自由性、 统 计 性 、 组合 性 研 究 ， 研究 自然 界 中 的秩 序与 和 谐 、 进 序与退序 、 海侵与海退 ， 包括地球物理数据系统、 地 理空间开发数据系统、 地下水环境评价数据系统 、 矿 产资 源勘探 开发数 据 系统 、 自然灾 害系 统 ； 选 择法 则： 揭示不同系统与模型的资源影响， 解释不 同成因 的定位因子 ， 能标示 开发背景 中地球 的影响特征和 评价特征 ， 通过体系的完全性 、 参数性 、 层次性 ， 揭示 不同空间的物质组成 ， 解释不同结构的物性参数 ， 能 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 7 2 0 ； 改回日期 ： 2 0 1 2 - 1 0 0 7 ； 责任编辑 ： 余和勇 基金项 目： 国土资源大调查项 目( 编号 ： 2 0 0 0 1 0 2 0 2 2 3 0 2 3 ， 2 0 0 3 1 3 0 0 0 0 6 8 0 2 ) 和国家 自然科学资金资助项 目( 编号 4 0 0 7 3 0 1 2 ) 联合资助。 作者简介 ： 江永宏 ( 1 9 7 3 一 ) ， 男 ， 副研究 员， 博士 ， 2 0 0 4年毕业于中国地质大学( 北京) ， 现从事成 因矿物 学研究 、 地质调查项 目情 报编译与 科技成果集成课题研究。通信地址 ： 北京市阜外大街号， 中国地质调查局发展研究中心情报室 ； 邮政编码 ： 1 0 0 0 3 7 ； E ma i l： j a ck y k a t s i n a C O n l 第 2 7 卷第 4 期 江永宏 等 ： 引领世纪 的地球 系统科 学研 究现状 标示 自然背景 中地球系统 的地学特征和混合特征； 随机法则 ： 随机信息包括地质学 、 地球物理、 地球 化学信息 ， 从低端 、 低组合、 低模糊 的地质信息 、 标本 信息、 事件信息和存储信息发展到高端、 高组合 、 高 详细的集成信息、 使用信息 、 辅助信息和图表信息 ： 战略法则 ： 地球系统的战略涉及经济 、 社会 、 人文 和 自然 ， 包括战略的客观性、 依存性、 长期性 ， 揭示不 同序次的战略高度， 解释不 同国情的论证含量， 能标 示经济背景中地球 的 自然特征和经济特征 ， 适用于 矿物原料 、 资源估算 、 水文生态 、 污染治理 、 矿 山监 测。以下分由来与发展、 统一与思辩 、 内容与属性、 挑战与机遇 4个部分进行阐述。 l 地球系统科学 的由来与发展 自 2 O世纪 8 O年代以来 ， 地球科学开始进入一 个新的发展时期 。国际深海科学钻探计划已经开 展 了 3 5 年 ( DS DP， 1 9 6 8 1 9 8 3 ； O DP， 1 9 8 5 2 0 0 3 ) ， 如果用一句话来概括其科学贡献 ， 那就是推 动地球科学进入了“ 地球系统科学” ( 或者说“ 地球系 统演化” ) 的新阶段_ 6 。随着地球系统科学与人文研 究 的深入 ， 需要回答“ 地球资源的极限承载力及可持 续性” 、 “ 资源能支持人类社会发展多久” 、 “ 生存环境 对人类 自身发展的制约” 、 “ 人与 自然协 调发展 的契 约性范围” 和“ 全球环境在人类活动干预下 的变化趋 势” 等诸多问题。 要回答这些问题 ， 就要将地球 的大 气圈、 水圈、 生物圈 、 岩石圈 、 地幔和地核以及近地空间作为一个 整体 ， 并 与物理、 化学、 生物过程 和人类活动密切联 系 ， 实现多学科的交叉融合 ， 从地球系统整体行为研 究寻求答案 。近 2 O 年来 ， 国内外地球科学界的众多 科学家广泛进行了由国际地圈生物圈计划 ( I GB P ) 、 世界气候研究 计划( WC R P ) 、 国际全球环境变化人 文因素计划 ( I HDP ) 、 生 物多样性 计划 ( DI VE RS I T AS ) 以及大洋钻探计划 ( oD P I O DP ) 等大型研究 计划组成的全球环境变化研究 ， 使人们愈来愈认识 到地球的各个组成要素处在相互作用的动态系统之 中。任一层圈过程都在不同程度上与其他层 圈不同 时空尺度过程存在着相互影响和制约； 任一层圈的 结构、 功能和行为都是地球系统在局部的反映 ； 其中 某一成分的改变都会带来其他成分的响应 ， 同时这 种改变也是其他成分共同作用的结果 。由此提 出了 地球系统和地球系统科学的概念 。地球系统科学是 以了解地球系统整体运行与变化为 目的的一门新兴 的、 多学科交叉的复杂性研究学科 。 2 0 0 1年 ， 英、 美地 质学会在英 国爱丁堡联合 召 开的“ 地球系统的过程” 国际大会 ， 首次提 出了地球 系统科学。经研究 ， 将学科交叉分 为 3个层 次： Mo d id i s cip lin a r y ： 指形 式上 的学科交叉 ， 原 有学科 界线依然存在 ， 学科 的发展依据科研技术 ； I n t e r d is ci p lin a r y ： 指学科间的或跨学科的学科交叉 ， 学科 的前沿决定领导力 ； Tr a n s d is cip li n a r y ： 指彻底的 学科交叉与融合 ， 旧的学科 已不存在 ， 而是形成新的 超级学科 。会议确定 的两大主题代表了地球系统科 学的两大前沿 ： 一是“ 地球系统的联系” ， 强调对地球 不同层囤间相互作用 的了解 二是“ 地球 系统的演 化” ， 旨在探讨地球形成 以来其特征变化 的过程， 有 科学家认为， 地球 系统变化 的理论将成为 2 1 世纪地 球科学的突破点l _ g 。 观测 、 研究和模拟相结合是进行地球系统研究 的基本方法 ， 对地观测技术是推动地球 系统科学进 步的引擎。在地球过程的各层次研究 中， 地球系统 科学着重于全球尺度 、 几 十年到百年时间尺度的变 化。地球系统各要素的观测实验数据的长期积累是 研究地球过程 的基础 ， 因此 ， 新的数据观测获 取技 术 ， 数据 的转化一处理 压缩技术和模型计算技术 ， 数据资料的信息共享系统至关重要。用数学模型描 述各子系统相互适应的关系 ， 各种循环( 水 、 碳 、 生物 地球化学循环等) 和各种过程的内在联系 ， 最终达到 定量模拟和预测未来地球环境变化的 目的 。地球 科学系统的研究必须从 系统 的和整体 的观点出发 ， 把地球 当作一个行 星， 研究地球 的大系统及其子系 统， 即地球的整体演化方式 、 全过程的形成机制和可 能发生的变化 趋势 ， 在 这个 意义上 获得 全新 的认 识口 ； 而传统地球科学 的各分支学科多注重研究 自 然分类 的资源属性 和环境属性， 进而把地球客体划 分为不同的部分 ， 将对各部分研究成果的简单叠加 视 为 “ 地球科 学 ” 。 2 地球系统科学 的统一和思辨 2 1 统 一 的难点 我国地球系统科学研究 中可能遇到的难点是如 何加强模拟计算与平 台建设 ， 以及如何正确理解地 球系统的整体运行机制等。进入 2 1 世纪， 地球科学 的研究对象将会产生重大转变 ， 将从研究地球系统 5 O O 地质找矿论丛 天然地质作用及其产物 为主 ， 转变为研究地球系统 天然地质作用及其产物与人为地质作用及其产物同 时并重。即由早先的“ 理论地球科学” 逐步转化成为 “ 人为地球科学” 的全新学科体系口 。 复杂性科学是研究“ 复杂性涌现机制” 的科学 ， 它是集多种现代科学理论于一体的横断学科。地 球 系统 的复杂 性 无处 不 在 ， 复 杂 性科 学正 是 以 自然 界 的复 杂性 为研 究 对象 ， 自然 复 杂 性 的共 性 表 现 为 非 线性 、 多变 性 、 多层次 、 多 因素 、 峰 谷性 、 后退 性 、 闯 值性 、 妥协性 、 白体性、 对称性 、 时空演化 多样性、 奇 异性 、 确定性和随机性等 ； 地球系统是总体上远离 平衡 、 时空延展 的多圈层综合集成、 连续开放的复杂 耗散 动力 巨系 统 ； 地球 系 统 的 复杂 性 与 非 线性 是 由其属性所决定的， 主要表现在地球系统的层次性 、 无特征尺度性 、 开放性、 相干性 、 临界性和 自组织性 和其结构与动力学行为的 自相似性及分形性等诸多 方 面 ； 地球 系 统 复杂 性 的研 究 必 将 导 致一 种 全 新 的地球系统科学方法论和地球观的出现 。 2 2重要 的 问题 1 9 7 2年 ， 以麻 省 理 工 学 院 DL Me a d o ws为 首的研究小组提交了罗马俱乐部成立后的第一份研 究报告 增长的极限 ， 在学术界引起 了强烈 的 反响。报告中表现出对人类前途的“ 严肃 的忧虑” ， 并籍此唤起人类 自身的觉醒； 同年， 斯德哥尔摩召开 的联 合 国人类 环境会 议也 首次将 环境 问题 纳入 世界 各 国政府 和 国际政治 的议 程 ， 并 通过 了 人 类环 境宣 言 ； 1 9 8 7 年 ， 世界环境与发展委员会 ( wC E D) 向联 合国大会提交 了研究报告 我们共同的未来 ， 系统探讨了人类面临的一系列重大经济 、 社会和环 境问题 ， 提出了“ 可持续发展” 的概念， 把环境的保护 置于人 类 的发展 的语 境 中 ， 从 而 实 现 了人 类 关 于 环 境 与发 展思想 认识 的重 要 飞跃 。1 9 9 2年 6月 ， 在 巴 西里 约 热 内 卢 召 开 的 联 合 国 环 境 与 发 展 大 会 ( UNC E D) ， 通 过 了 里 约 环 境 与 发 展 宣 言 ( 即 地 球宪 章 ) 和 2 1 世 纪 议 程 2个 纲 领性 文 件 ， 标 志 着 人类 对环 境 与 发 展 的 认 识 提 高 到 了一 个 崭 新 的 阶 段 。 在 中国， 上世纪六七十年代兴起的对 自然地理 各要素进行综合研究 的思想， 可 以看作是 ( 表层) 地 球系统科学在中国的萌芽， 代表人物是钱学森等学 者。系统论思想和方法的引入 ， 推动了地下水系统 理论和成矿系统理论 的研究， 出版了一些相关的论 著 ， 形成了上世纪 8 0年代地球 系统科 学 的部分雏 形 。南京大学 于 2 0 0 0年 1 1月设立 了国际地球 系统科学研究所 ( E S S I ) _ 1 。 十多年来 ， 地球系统科学的发展有 2种趋势 ： 一 是地球科学的相关学科更多地从地球系统概念推动 学科发展， 使原有学科焕发出新的活力 ， 一些学科之 间的界限变得模糊 ， 学科问的交叉渗透更为普遍和 深入 ， 促进了新的分支学科的形成 ； 以火山和地震为 例： 近年来 ， 一方面重视壳 一幔和幔一核相互作用 ， 通过 矿物 ( 地球 细胞 ) 的分 子级 研 究 ， 联 合 一 整合 一 兼容其他原子级别和块体级别的元素 、 同位素、 岩石 和地质构造等研究板块俯冲和折返过程、 岩浆作用、 变质作用、 地幔柱活动和地球化学循环 ； 另一方面重 视岩石 圈 一水 圈 一大气 圈 一生 物 圈 相互 作 用 ， 通 过 沉积岩 、 化石 、 黄土、 湖泊沉积 、 岩溶和深海沉积等研 究沉积作用 、 海底热液活动、 生物地球化学循环 、 环 境变化和生物的演进 ； 二是将地球系统科学作 为一门新学科加 以推动和发展 ， 地球系统科学 一 书指出 ： “ 地球系统科学将地球视作各部分相互作用 的整体系统 ， 对 这一 系统 的研 究应 当超越 学科 界 限” 。中国科学院地学部 多次强调发展地球系统科 学是 2 1世纪初 叶的重要学术方向l _ 2 ， 并在其组 织编撰的 2 1世纪 中国地球科学发展 战略报告 中 提出了我国地球科学发展的 8个重大科学 问题 ： 行星地球 的物理、 化学 、 生物过程及其协同演化 ； 海洋的物理和生物地球化学过程及其 资源环境效 应； 陆面地表过程、 资源环境、 人类活动与可持续 发展 ； 天气 、 气候系统和空间天气 的变化与趋势预 测 ； 全球 变化 与地球 系统科 学 ； 矿产 资源 和 能源 的形成机制 ， 勘查新技术与可利用性 ； 水资源与可 持续发展 ； 自然灾害与防治 2 。 我国的经济 已经进人全球经济的大循 环体 系， 无论从地球系统科学 的性质考虑 ， 还是从参与国际 竞争的需求出发， 我 国的地球科学研究都应在立足 本国的前提下积极参与 国际竞 争； 同时通过 国内的 辐射 效应 ， 推 动 整 个 地 球 科 学 界 扩 大 眼 界 、 面 向 全 球 ； 从而 在 国内研究 项 目中具有 全球 意识 ， 在参 加 国 际合作时也应有本国的目标。中国进入地球系统科 学的核心研究圈， 需要结合我国的实际情况 ， 根据 自 身的力量和积累， 瞄准有突破前景的学科方向， 实行 记录、 模型与观测的结合 ， 选定既有本 国特色又有与 国际接轨 的长期性研究计划。比如“ 中国宏观 自然 环境格局及其演变趋势” ， 可 以对青藏高原、 季风气 候和边缘海盆的内在联系、 形成机理与演变方 向等 问题进行 系统研究， 实现基础理论和实际应用 的突 破 性成果 。同时 ， 应 大力 推进 地 学 和生 命 科 学 在 分 第 2 7卷第 4期 江永宏 等 ： 引领世纪 的地球系统科学研究现状 子水平上的结合， 采取有力措施 ， 组织有关学科 的力 量 ， 在地微生物学、 演化基因组学等方面参加国际前 沿 性研 究 _ 2 引。 2 3讨 论的热 点 2 0 0 4年 ， 欧美地球物理学会在尼斯联合举行万 人 大会 ， 会 议讨 论 的 “ 显 生 宙 的大 气 历史 ” 、 “ 地 球 与 类地行星的岩浆发生演化” 、 “ 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 ： 地 球 物理 与地 球化 学 模 型 的 协 调 ” 等 热 点 问 题 均 属 于 地球系统科学的范 畴； 其 中既包含基础性的现象描 述 、 采集 记 录 方 面 的 研 究 ， 也 包 括 目标 性 的 追 踪 过 程 、 探索 机理 方 面 的思考 。 地 球 系统不 同于 经 典力 学 和 阿里 斯 多 德 力 学 ， 偏 向于 地震衍 射 力 学 、 冰川 亿 年 演 变 规 律 和行 星地 球耗散规律 ， 因为过于复杂 ， 不可能用牛顿定律或者 门德 列夫 周期 律 这样 简 明的基 础理 论加 以概 括 。 比 如 ， 人们早 已注意到厄尔尼诺现象 ， 上世纪 6 0年代 认为是热带太平洋海气相互作用 中的重大异常 ， 但 是对其形成机制不甚 了解 ； 1 9 8 5年 ， 在热 带大洋与 全球大气计划 ( TO GA) 实施过程 中， 在太平洋赤道 两侧放置了近 7 0个锚系 ， 连续十几年 的观测 ， 跟踪 大气和上层海水的变化 ， 揭示 出西太平洋暖池海温 与东太平洋上升流的关 系， 为厄尔尼诺 的预测提供 了依据l _ 2 。随后的研究不断有所发现 ， 通过现代观 察 、 测试与古代记录的分析 ， 揭示出热带过程影响全 球气候系统的重要途径 ， 成 为地球 系统科学研究的 一 个范例 。 大气中 C O 浓度 的上升及其全球变 暖使 与海 洋 内无机 碳 含量 密切关 联 的“ 溶解 泵”( s o lu b ilit y p u mp ) 和“ 生 物 泵 ” ( b io lo g ica l p u mp s ) 呈 现 负 反 馈 。 C O。 在温度低 、 盐度高的水域易于溶解 ， 但全球变暖 促使海水产生分层现象 ， 使 C O 从海水表层 向深层 传输 的速度减慢 ， 影响固定的碳量 ； 由于全球变暖和 极地冰溶解增多等原 因， 海水表层形成了一层低盐 度的盖( ca p ) ， 使表层水更易结冰， 导致 c O ：溶解度 减小 ， 减少了传输 的 C O 量 ； 大多数的水生生物( 藻 类 ) 并 不 直 接 利 用 海 水 中 的 C O： ， 而 较 多 地 利 用 HC O - 作为光合作用 的碳源， 浮游生物光合作用降 低 了上层 海 水 的 C O 分 压 ， 促 进 了 海 洋 对 于 大 气 C O 的吸收； 每年大约有 1 1 0 1 6 0亿 t 的碳因此 由 海洋表层转移至海洋内部 ； 此外 ， 无机碳泵的作用使 C O 最 终 以碳酸 盐 的形式 被 固定 。 挪威特罗姆瑟大学天然气水合物研究组认为 ， 天然气水合物除 了一般的形成机制外 ， 在北太平洋 洋底的扩张带中洋壳裂隙一孔隙层中水 的热对流也 是 一种 可能 的形成 机 制 。我 国对 天然气 水合 物研 究 刚起步， 但进展较快， 而且投入了大量 的工作 ， 包括 “ 西太平洋气体水合物找矿前景与方法调研” 、 “ 中国 海域气体水合物找矿前 景研究” 、 “ 海底气体水合物 资源勘察 的关键技术” 等研究_ 2 引。 2 4可 供性 问题 世界矿产资源丰富， 对我 国具有一定可供性 ， 但 尚未形成满足我 国经济快速发展的稳定供给格局。 我国短缺和严重短缺的矿产 ， 在世界上均有丰富 的 资源 ， 在今后几十年 内不会出现全球性的资源危机。 从国家经济安全考虑， 中国政府和企业要共 同努力 建立利用 国外资源的稳定格局。刚刚进入进入 2 1 世纪 ， 国土资源部就组织力量开展了我国 4 5 种矿产 资源的可供性论证研究 ， 针对矿产资源现状与特点、 开发利用情况和条件 、 矿产可供性、 矿产资源供需形 势、 资源对社会经济发展的保证程度 、 利用两种资源 和两个市场 、 存在的主要问题与对策 2 。 等问题展开 详 细研 究 。 2 5 循环 性 问题 由于人 类长 期使 用 大量 的矿 物燃 料 ， 致 使 大气 和 海洋 中污 染性 的二 氧 化碳 大量 增 加 ， 而 大 片 的森 林 、 草地 、 湿地变为农 田、 城镇及类似的变化 ， 陆地生 物群落碳 的贮存能力却大为减少 ， 地球碳的循环分 布被迅速改变 2 ； 水循环和碳循环是贯穿地球表层 系统的“ 红线” ， 其实二者都深入到地球 内部 ， 只是在 地球深部循环的速度 比在表层系统 中慢得多 ， 通常 被人们所忽略； 而在 以百万年：为计量单位的时间尺 度中， 地球 系统碳循环 的主角就是 地幔和地壳。造 山作用影响到岩石圈 ， 由于高温高压反应放出 C O ， 岩石圈随板块俯冲至地幔深处 ， 通过火山活动又返 回到地表和大气中。B e r n e r 等首次计算了 1 亿年来 碳 酸 盐 硅 酸 盐 地 球 化 学 的 循 环 ， 提 出 了 著 名 的 B L AG模型 ， 突破前人局 限于静态物理 和动态势能 的角度研究温度压力关 系的研究思路 ， 探讨 了碳循 环和大气 C O 浓度的演化： 一方面地幔物质在洋 中 脊不断排气， 另一方面俯 冲到深部的碳 酸盐岩变质 脱碳 ， 产生 的 C O 从火 山 口排 出， 这是 深部 成因的 温室气体对地表系统产生的重大气候效应 。对氮循 环的影响也如此 ： 化石燃料和生物量的燃烧 、 氮肥的 使用以及污水的排放 ， 致使大气 中的 N。 O总量 以每 年 0 2 O 3 的速度增加 ， 水生生态系统的 N。 O 积累估计每年达到 1 0 1 2 g 。磷和硫循环也受到人 类活动的影响 ： 生产和消费活动增加了磷酸盐的排 5 O 2 地质找矿论丛 放 ， 大多数 河流 和河 口遭受 了富 营养化 过程 ， 酸雨 可 能改变原有生态系统的全部功能 。 3 地球系统科学 的内容与属性 地球 科 学 与 人 类 社 会 发 展 有 重 要 的 联 系 2 。 上世纪 3 0 4 o年代诞生了系统论、 信息论和控制论 等 跨学 科 的横 向科 学 ，并 在 6 0 7 0年 代 产 生 了耗 散 结构 论 、 协 同论 、 超循环 论 、 突变论 与混沌 论 等 ， 将 现代科学的边缘化 、 交叉化、 综合化的新趋 向推 向新 的高峰 ， 我国著名科学家钱学森将这新兴起 的学科 称为系统科学。系 统科 学 的兴起拓 展 了人们 的视 野， 使人们重新审视文艺复兴 以来产生的近代科学 ， 以分析方法为手段所研究的是简单性世界 ， 而系统 科学则以系统的有序运动为特征 ， 研究的是复杂性 世界 ， 它将成为本世纪现代科学研究的主题 2 。地 球 系统科 学 的内容 与属性 表现在 人类 与社会 的圈子 与 自然和资源存在本质依存关系。人类生活在地球 上 ， 一切活动都离不开地球 ： 人们从地球上获取生活 资料， 以求生存 ； 就要从地球上获得生产资料和矿产 资源 ， 以期发展与进步 ； 为求得更好的生存条件 ， 抵 御 自然灾害， 人类需要不断地认识地球系统， 了解地 球系统的形成规律 ， 逐步形成 以研究地球 系统为对 象的科学地球 系统科学 ， 并不断得 以丰富和完 善 。 。 3 1 地球 科学是 推 动人类社 会发 展 的重要科 学 地 质 工作是 一 项 涉及 地 质 历史 、 地 球 物 理 和 地 球表面的综合学科。我国地质学科发展多年 ， 主要 获取 了以下几方面的地质信息 ： 基础性地质信息 ； 与重大 基础 项 目建 设 所需 的地 质 工 程信 息 ； 矿 产资源地质信息： 包括能源、 矿产品、 工业材料、 农业 土壤所需的地学信息_ 3 。迄今为止 ， 世界上 已发现 的矿产 资 源 种类 达 1 6 2种 ， 已探 明一 定储 量 的 矿产 达 1 4 8种 ， 矿产资源的开发和利用 已成为人类社会 经济发展重要 的物质条件 。在 2 0 世纪的 1 0 0年间， 地 球资 源开发 利 用 的速 度 和 数量 迅 速 增 长 ： 石 油 的 年消费量由 2 0 4 3万 吨增加 到 3 5亿 吨， 增长 了 1 7 7 倍 ； 钢 、 铜和铝的年消费量分别 由 2 7 8 0万吨、 4 9 5 万 吨和 6 8 0 0吨增加到 8 4 7亿 吨、 1 4 0 0 多万吨和 2 4 5 4 万吨， 分别增加 3 O倍、 2 8倍和 3 6 0 0倍 ； 与此 同时， 全球 GD P增长 了 1 8 倍 ， 人类创造的财富超过 了 以往 历 史 时期 的 总 和 。矿 产 资 源 作 为 人 类 生 长的极限所有物 ， 不仅要解决 2 1 世纪矿产资源供需 问题 ， 而且要解决矿产资源开发带来的环境和土地 利用方面的问题 ， 所 以可供性 问题属于经济安全和 生 态安 全 的问题 ， 为实现 矿产 资源 的可持续 供 应 ， 美 国国会责成美 国地调局制定未来美 国矿产资源活动 计划， 即 国家矿产资源调查计划 州。在全球经济 异常繁荣的世纪之交， 地质资源开发市场异常活跃， 1 9 9 6 - 2 0 0 5年 ， 全 球 贱 金 属 和 金 的 并 购 额 超 过 1 1 0 0 亿美元 ， 2 0 0 5年大型矿业公 司并购达 到顶峰 ， 涉案金额达 4 2 8亿美元 。矿业公司的大规模联合和 兼并 ， 使全球矿业 的集 中度进一步提高 ， 并且解决了 上游断水的商业龙头危机。因为资源和生态业是重 要的经济产值行业 ， 有关数据显示全球前 5 0位 的大 型矿 业 公 司 产 值 份 额 占全 球 矿 业 产 值 的 5 9 01 =jo 。 3 2 人 类社 会 的发 展 为 地球 科 学 的 丰 富和 发 展 创 造 了条 件 地球科学在提供人类认识地球 ， 充分利用 自然 资源 和环境 ， 促进 人类发 展 的理论 和知识 的同 时 ， 也 在不断吸收和容纳人类文明进步 的成果 ， 使 自己得 到不断地发展和丰富 ， 逐步成为了一门综合性 的、 较 完善 的科学 ， 并在 如下 方面 有 了较 快 的发展 _ 2 。 3 2 1 从 侧重 固体 地球 的研 究发展 为 对地 球 系统 科 学的研 究 由于人类空间探测技术 、 航空一航天遥感、 大陆 海洋深钻、 地震层析成像 、 大规模海洋观测、 计算机 和信息科学技术等的发展 ， 使人类对地球 的研究能 上 天 、 入地 、 下 海 、 探 极 ， 视 地球 为地核 、 地 幔 、 地 壳 以 及 岩石 圈 、 大气 圈 、 水圈 、 生物 圈 、 人类 圈各 部分 组 成 并相互 作 用 的一 个 整 体 ， 形 成 了地 球 系 统 的 观 念 E 。 。 协 同演 化原 为生 物 学 和 生态 学 的概 念 ， 指 某 一 个或多个物种的特征受到其他物种特性的影响而产 生的相互演化现 象。为 了避 免引起生物学 家 的误 会 ， 我 国地 质学 家过 去 并 没 有 用协 同演 化来 表 达 生 物圈与地球系统之间的相互作用 ； 然而 ， 生物圈与地 球系统之间的协同演化这一概念在国外很早 以前就 已普遍 应用 。 生命过程与地球非生命部分 的演 化是相互作 用、 相互制约的协 同演化过程 。继 大陆漂移一海底 扩张一板块学说之后 ， 人们从地球 系统整体行为角 度综合多学科的知识 ， 又一次探索地球及其大气 圈、 水 圈和生 物 圈在 地质 历 史 时 间演 化 的记 录 ， 进 而 发 现和了解了地球历史上地球环境演变对生命演化的 影响， 同时在一定程度上又揭示了 目前 尚未知晓的 第 2 7卷第 4期 江永宏等 ： 引领世纪的地球系统科学研究现状 地质事件 。例如 ， 始新世以及其后的生物“ 跨太平洋 分布” 及其相关 的太平洋海盆形成的历史等 。对极 端环境条件 ( 如“ 深部生物圈” ) 的现代生命过程认识 不仅在生物技术应用上有 巨大潜力 ， 而且对于进一 步理解生 命 起 源 和地 外 生命 都 有 重要 的理 论 意 义 。 。 地球的整体性是有机联系的，整体 中性包含着 各事物之间相互联系 、 相互作用而存在 。整个地球 是 由物质转换 、 能量流动、 信息沟通 的多样性构成的 相互作用体 ，并且客观存 在于主观性之先 ， 一物 的 存在离不开与他物的联系和对整个系统 的依赖 。地 球的多样统一性的本质，突出表现在作为生命世界 的地球生物圈现象上 。现在的生物圈是宇宙在几十 亿年中进化 出来 的有机系统 ，它把地外物质环境、 地球上的无机物和生物种群协调为一个维持 自我平 衡 的和谐整体 。这个整体性必然需要更为宽余 的巨 大构造运动体系 ， 所有组织 的 自由度和非 自由量度 增长都有其隐含规律 ， 所有矿物种所具有的特殊性 都是对岩石圈中所有特殊环节相适应 的结果 。此外 无机 自然界的每一种非生命形式 的转变都对其他非 生命形式的进化以及对岩石圈协调功能的完善做 出 了 自己的贡献。 。 引。 3 2 2 现代科学技 术的发展促进 了地质 系统科 学 的 定量化研 究 高温高压实验技术 、 同位素地质年龄测定技术 、 电子计算机技术 、 电子显微镜、 大陆超深钻和海洋深 钻技术的发展 ， 为科学研究地球提供 了较为准确的 地学数据 ， 对地球 的科学研究逐步由定性描述与分 析向定量一半定量分析与研究发展 引。 我国极为重视“ 数字地球” 这一人类历史上最大 的信息系统建设 ， 加速“ 数字 中国” 的建设进程 ； 在加 大硬件等基础设施建设 的基础上 ， 积累了大量建立 “ 数字地球” 所需 的原始数字化数据和相应资料， 包 括海量的数字化地 理基础 图、 专题 图、 城市地籍 图 等。据不完全统计 ， 全国已有光纤 1 0 0万千米 ， 计算 机 1 2 0 0万台， 因特网用户 4 0 0万户 ， 国家公用信息 网络 已覆盖约 3 0 0个城市 ， 各地建设的大 中型地理 空间数据库多达 2 0 0多个。国家先后启动了“ 中国 重要矿种的原产地调研计划” 、 “ 中国隐伏矿床 的寻 找计划” 、 “ 中国紧缺矿产资源风险评估和对策” 等计 划； 国家科技部组织 了第 4次 国产 GI S软件 测评 ， 国产 GI S软件取得了重大进展 ， 国土资源部开始启 动“ 数字国土” 工程 ， 国家测绘局建成 了 l ：2 5 0 0 0 0 数据库 ， 建立了七大江河重点防范区 1 ：1 0 0 0 0数 字高程模型( D E M) ， 并开始启动 1：5 0 0 0 0基础地 理数据库工程。中科院院士徐冠华认为， 在工业化 尚不充分 的条件 下， 中国完全 有条件通过“ 数字 中 国” 的构想， 在信息化方面实现跨越式发展 3 。 Ge o Ma p p e r 是相 当完 整的经过野外测 试 的基 于 Win d o ws的软件 ， 可在 野外 生成地 质 图 的填 图系 统 ， 可用 于地质填图、 采矿 、 勘探专业 的地表和地下 填图及工程 ； 该系统有较为完备的野外数据采集 、 解 释功能 ， 丰富 的图形 图像显示 、 编辑处理功能 ， 用户 定义的 GI S数据库和数字高程模型等功能 ； 内置 了 各类地质花纹 、 符号及其生成器； 设置了一批非常实 用的功 能 性 系 列 按 钮 ； 它 的： 外部 设 备 接 口包 括 G P S 、 激光测距 仪、 快速分 析仪、 光谱仪 、 数码相 机 等 ； 可生成多种数据格式的输出。 。 引。2 0 0 2年对 系统 进行了完善， 增添了图例生成软件、 与 Ar cMa p的无 缝输出等。 。 。 美国航空航天局编写的 地球系统科学 一书表 达 了美 国人 对 “ 全球 变化 ” 的认 识 l _ 3 。书 中认 为 ， 地 球系统科学将地球视作一个具： 有相互关联现象 的协 同物理系统 ， 由涉及到地圈、 大气圈、 水圈和生物圈 的复杂过程所控制 ； 建立地球系统科学方法的基本 途径是要强调相应的化学 、 物理 、 生物及其相互作用 的动力学过程 ， 这些过程在空 问上可以从微米到行 星轨道尺度 ， 在时间上可以从毫秒到数十亿年 ； 脱离 传统学科 ， 走 向新兴学科 ， 地球系统研究观点 已经完 全与现代发展的交叉前沿两头兼重的学科群 目标吻 合 。1 9 9 1年 ， 美国开始实施地球系统科学教育计划 ( E S S E ) 。其 目标是通过经费的支持 ， 在大学 中建立 地球系统与全球变化科学的学术基地 ； 这个举措不 但积极推动了地球系统科学的研究 ， 而且使美国成 为探索 地 球 系统 科 学 教 育 、 培 养 新 型 人 才 的先 锋 。 引。 欧亚大陆北部研究计划最早是由美国宇航局和 俄罗斯科学院发起制定的 ， 旨在对欧亚大陆北部开 展多学科的综合研究 ， 查清这一区域对于全球地球 系统的作 用 ， 同时开展广泛 的国际间的科学合作。 该计划支持开展多学科 ( 如气候过程、 环境变化和社 会发展) 的交叉研究 ， 其重点是观测、 监测、 评估和研 究环境变化对社会 的影响和反 馈， 主要 的研究手段 为遥感 、 数据分析 、 信息技术和模拟 3 。 国际科学联合会( I C S U) 在 1 9 8 6年提出国际地 圈一生物圈计划( I G B P ) ， 并得到科学计划专门委员 会的确认 4 。 。 。该计划设立之初便开辟 了多学科性 的地球 表层 作 用研 究 ， 发展 了人 地关 系观 和 地球 表 5 O 4 地质找矿论丛 层动 力观 ， 将 地 球 表 层 整 合 为 一个 系 统 ( 即 地 球 系 统) 进行研究 ， 从外层地质营力的角度拓宽了人的肉 眼 可见 圈层 的地 质观 点 ， 并 将 人 视作 地 质 成 因 营力 ( a n t h r o p o g e n ic p r o ce s s ) ， 强 调 了 环 境 再 生 和人 的 预 测探讨 ， 标 示 了新 人 地关 系 的“ 以地 为 亲 ， 以人 为 纽带” ， 巩固和发展了新的以传统地质为辅助、 以现 代地质为主体的全新地学观 。I GB P计划强调对地 球进行系统研究 ， 重视跨学科研究 ， 在时间上囊括 了 过去 及现代 的考 察 ， 并 通 过模 拟和 分 析 来探 讨 未 来 的 可预测 性 。I G B P 核 心计 划 的设 置 包 括 ： 强 调 生命 之源 水 的水 文 循 环 的生 物 圈计 划 ； 强 调 全球 的全球分析、 集成和模拟计划； 强调陆地的全 球 变化 与陆地 生 态 系统 计 划 ； 强 调海 洋 的全 球海 洋生态系统动力学计划 ； 强调气体的国际全球大 气化学计划 ； 强调海洋生物 的联合全球海洋通量 研究计划； 强调海洋陆地的海岸带海陆相互作用 计划 ； 强调土壤的土地利用和土地覆被的变化计 划； 强调气候的古全球变化计划 ； 强调海洋和大 气 的海洋表 面 与大 气 底 层研 究 计 划 ； 强调 发 展 中 国家 的全球 变化 系统 的分 析 、 研究 与训 练计划 E 4 1 。 地球是一个系统 ， 不仅 由生命本身控制 ， 而且超 越生 命 变 化 的气 候 范 围 ， 具 有 正在 性 、 加 速性 、 长 周 期性 和 复杂性 。这 种 全 球 变 化 不 是 简 单 的 因果 关 系 ， 而是 一种 扩 散 性 ( r e v e r b e r a t i o n )的或 串联 式 的 人类活动， 局部或 区域尺度的变化可能会 以多种方 式 在全 球 出现 。从 机 械力 学 和 量子 力 学 的角度 说 ， 地球的动力学特征是它具有一个临界 阈值 ， 而且具 有 突 变性 ， 并 可 能 触 发灾 难 性 的后 果 。 目前 地 球 的 运动 是处 于一个 没有相 似形 的状 态 4 。 地球科学 的进展 不但 加深了人们对地球 的认 识 ， 同时也总结 出了全新的科学思维方法 。复杂性 理论 和 系统思 维是 科 学 认 识论 的一 次 飞跃 ， 系统 思 维 和逻辑 演绎 法相结 合 的思维方 式是研 究 和认识 地 球 复杂 巨 系统 并 推 动 地 球 科 学 理 论 创 新 的指 导 思 想 ； 运用现代地球系统理论和方法体系， 可 以更深入 地认识地球系统的行 为机制 ， 为解决人类面临的资 源 、 环境和灾害问题提供新的思路 。 4 地球 系统科学研究 的挑战与机遇 地 球 系统科 学是一 个迅 速成 长 中的具有 战略 意 义的领域 ， 是人类文明向信息社会过渡时期形成的 新 的学 科群 。 联 合 国 2 1 世 纪议 程 ( 1 9 9 2 ) 第 3 5章 “ 可持续 发展 的科学 ” 指 出 ： “ 地 球系统 科学 的研 究 是 可持续发展战略的科学基础” 。我国著名地理学家 黄秉维先生亦反复强调“ 地球 系统科学是可持续发 展 战略的理 论基础 ” 。从 这个 意义 上看 ， 地球 系 统科 学 已不单纯 是学术 思想 ， 而 已经上 升为 一种 理论 、 一 种科学 ， 其一系列特定的研究对象 、 指导思想 、 研究 方法及理论框架 已逐步 明确 。地球 系统科 学具 有整体性、 临界性 、 适应性的特征 ， 与其他 自然科学 和社会科学交叉融合产生 的新技术 、 新方法和新理 论 将推 进复 杂地 球 过程 的研 究 ， 对 资 源 环境 和 政 府 管 理将 产 生革 命 性 的影 响 4 。地 球 系 统 科 学 涉 及 到 自然体系与属性 、 生成介质和有用信息、 勘探前沿 的发展 与研 究 、 资源 的开发 与模 型 、 循环 特色 的经 济 战略 。地球 系统 学是综 合运 用地 表和深 部 的物理 和 化学的信息 ， 预测和分析矿物谱学和图表数据 ， 进行 矿体 、 地质体、 隐伏体 、 物质体、 目标体的地质和矿床 普查 、 勘探 、 开采， 用于探测和发现深部和地表矿体 、 解决环境与灾害、 自然和人类等 问题 。 4 1 挑 战性 l9 9 1年 ， 美 国普林 斯顿 大 学 的经济 学 家 G 格 鲁 斯曼 和 A 克鲁 格对 6 6个 国家和地 区 的 1 4种 空 气 污染 物和水 污染 物 的变 动 情 况 进行 研 究 ， 结 果 发 现 ， 大 多数污 染 物 的变 动 趋 势 与人 均 国 民收入 的变 动趋势间呈倒 U型的关系 ， 因此提出了环境库兹涅 茨曲线( E Kc ) ， 该 曲线通过对人均收入与环境污染 指标之间的演变模拟 ， 说 明经济发展对环境污染程 度 的影 响_ 4 。 1 9 8 6年 以来 ， 在 国 家科 技 部 、 自然 科 学 基 金 委 员会 和 中 国科 学 院 的组 织 下 ， 我 国在全 球 变 化 研 究 领 域 已有 了较 大 规模 的投 入 ， 推 动 了 我 国多 项 全 球 变 化研究 项 目的相 继展 开 。1 9 8 5 1 9 9 5年 间 ， 国家 科 技部 、 中 国科 学 院和 有关 部 委 实施 了大 约 3 5 0项 与全球 变化有 关 的项 目， 投入 经 费 为 1 5亿元 人 民 币 ； “ 九 五” 期 间 ， 国家科 技 部 、 中科 院和 自然科 学 基 金委在 全球 变化 研 究项 目中 的投 资额 度 达 2 4 5亿 元 。2 0 0 0年 以后 ， 我 国 又相 继 开 展 了 “ 中 国陆 地 和 近海 生态 系统碳 收 支 研究 ” 、 “ 全球 变 化 及 其 区域 响 应” 等重 大项 目的研 究 ， 海洋 环境 、 城 市 环 境 和水 环 境等 与全球 变化 有关 的 国家重点 基础研 究 也先 后立 项 实施 。 在全球变化研究计划 的组织与实施过程 中， 中 国科 学家 提 出了一 系列具 有导 向性 的重大 全球 变化 问题 ： 在 I G B P计划的酝酿阶段 ， 提出要以气候变化 作为全球变化 的 中心 问题 加 以研 究 ， 从 而导致 第 2 7卷第 4期 江永宏等 ： 引领世纪的地球系统科学研究现状 I GB P的执行计 划 以全球 气候变化为 中心展开 ； 叶 笃正等在 2 1 届 I C S U 大会上提出， 将土地利用引发 全球环境问题作为 已经引起关注的另一类重大全球 变化问题 ， 导致土地 利用 土地覆盖核 心计划 的诞 生 ； 在 国际 地 圈 生 物 圈 计 划 中 国委 员 会 ( C NC I G B P ) 1 9 8 8年 的 国家 报 告 中提 出 ， 到 目前 为 止 到 底 发 生 了一些什么样 的全球变化?人类处在( 变化中的) 什 么 阶段 ?这些 问题 引起 后来 国际一 批科 学家 的关 注与探讨 ； 2 1世 纪初 ， 符淙斌等提 出了亚洲 季风是 具有全球意义的重 大区域环境问题 ， 从而使季风亚 洲成 为 I GB P S T AR T 第 二 阶段 集 成 研 究 的 重 点 。 2 0