德国地球科学发展战略的调整和走向概要

1、第19卷第4期2004 年8月地球科学进展A DVAN CE S I N E AR TH S C I E N C EV o l .19 N o.4 A ug. ，2004 文章编号：1001-8166 （2004 ）04-0533-06 德国地球科学发展战略的调整和走向*赵生才（香山科学会议，北京 ）关键词：德国；地球科学；发展战略中图分类号：P 文献标识码：A 2000年3月正式推出了德国未来15年的大型地学研究计划，其名称为“地球技术科学”，并冠以“地球系统：从过程认识到地球管理”的副标题（ G E O T EC H NO L OG I E N ： D a s “ S y s t e m

2、E r de ”： V o m P RO Ze V E R ST ？ n D N I S z um E r dm a n age m e nt ），这体现了德国地球科学发展战略的调整和新的走向，反映了德国及其科学界对地球科学未来发展的新的理解，以及新的科学理念、战略构想和科学政策。该计划反映着这样一种趋势：在国家目标、社会需求和市场驱动的互动作用下，人们在思考、探索地球科学发展战略新的思路和理念，地球科学正在发生自身存在形态的转型，从认识自然和地球的传统经典研究形态逐步演绎为社会公益型复合研究形态。1计划产生背景（1）保护地球生存空间的社会意识增强。（2）厚实的科学积累与飞速的技术进步。（3）

3、现代地球科学呈现全球一体化前景。（4）地学强国厚实的地球科学研究支撑基础。（5）巨大的社会需求迫使地球科学面临挑战。（6）1982年以来有关地球系统的讨论和地球系统科学的提出。2国家的战略目标定位制定重要行为准则，确保国际领先地位，是德国实施这项大型地学计划的两大战略目标。联邦政府教育与研究部部长E d e l ga r d B u l m a hn 女士在谈到制定这一计划的理由时曾说，世界人口的持续增长，对人类星球及其资源的日益高强度开发，都要求我们对这个生存空间采取持续的、国际协调一致的行动保护环境。她强调这一新的计划倡议“将有助于实现我们的政策目标，即有关的地学研究将给人类制定最重要的行

4、为准则，同时，也可以藉此来保持和扩大德国的地学研究在国际上居于前列。”3主导理念颇具新意，框架构想视野开阔该计划名称被冠以“ G E O T EC H NO L OG I E N ”，并以“地球系统：从过程认识到地球管理”为副标题，集中体现了本计划设计的科学思想和主导理念。从过程认识到在投入和发展创新方法的情况下实施地球管理，是整体框架构想贯穿始终的一根红线。该计划最为关切的是，阐明关于德国地球科学研究战略调整的观点和看法，并作为一个用来详细设计地球科学计划的框架服务于德国的研究促进机构。总体科技构想明确要求在对地球进行的各种比较中理解和认识地球系统，从人类活动造成的变化中区分出因自然过程发生

5、的全球变化，对内生的和外生的过程及其交互关系进行定性分析，并在对系统和过程认识的基础上确定发展战略，以保护和环境友好地开采自然资源，利用地球上部和下部空间，存放废料，评估气候与环境的发展趋势以及人类活动对其的影响，预防自然灾害和减少灾害后果。其最终目标是实施地球管理。该计划强调，惟*收稿日期：2004-03-22 ；修回日期：2004-04-31作者简介：赵生才（1941-），男，研究员，主要从事沉积学和科学管理工作. E - m a i l ： s cz h a o c as hq. a c. c n *本文根据作者于2004 年3月22日在国家自然科学基金委员会地球科学部地球系统科学战略调

6、研组研讨会上的报告整理而成 有在全球付诸实施的“地球管理”，才可能有公正合理的责任和义务，以保护作为生存空间的地球，为未来的子孙后代留下一个适宜的生存基础。这一主导理念同量级地考虑了过程（认识）、资源（利用）和地球管理（保护）这3个部分的互动关系，并以三角关系图示之（图1）。该三角图体现了“地球工程技术”涵盖的“过程资源地球管理”和“认识利用保护”这两个不同的要素链条间的综合关系及其功能集成。同时，也反映出“国家目标社会需求市场驱动”三者的综合影响是这一计划出台的根本背景，而“自然科学工程科学工业界”的协同则是该计划成功实施的必然要求。图1地球工程技术各要素关系图F i g 1 R e l a

7、 t i on s h i p of t he f a c t o r s o f g e o t ec h n o l og i e n4德国地球科学发展战略的调整和新的走向在上述主导理念指导下，该计划遴选设置了13个重大项目，涉及地球内部驱动力的地质过程、地球系统的空间观测、地球表层X 射线层析成像、大陆边缘、沉积环境、地球生命耦合系统、全球气候变化、物质循环、气体水合物、矿物表层、地下勘查利用和保护、地球管理预警系统和地球管理信息系统诸方面。这些核心领域被视为德国未来地球科学研究方向的关键课题，并从基本内容上阐明了德国地球科学研究的战略调整方向，体现了德国地球科学发展的科学政策。41经济

8、和社会发展面临的挑战将使地球科学扮演特殊角色德国地学界越来越关注人类面临的经济和社会发展以及自然灾害、生态恶化种种严峻挑战。作为一个国家的地球科学发展计划，明显地从传统经典的研究方向转向为解决紧迫的、与社会发展关系重大的问题和生态问题做出贡献。该计划的框架文本中也指出，伴随着地球科学对我们行星的发展和动力学知识的增长，今天关键任务已落在现代地球科学的身上。在实施这一社会性生存预防的中心任务过程中，作为“地球的科学”（ W i ss e n s c h a ftt e n d e r E r de ）的地球科学（ G eo w i ss e n- s c h a ftt e n ）将扮演一个完全

9、特殊的角色。地球科学在其关于我们行星的发展和动力学的知识的基础上，拥有一整套丰富、系统的认识，基于它所涉及的包罗万象的系统研究，可以源源不断地提供针对性的解决方案和解决问题的切入点。明确“地球科学”的任务是与其它科学进行跨学科的合作，为解决工业方面紧迫的、与社会发展关系重大的问题和生态问题做出贡献，为“地球管理”的未来发展方向奠定基础。显而易见，该计划既体现了地球科学在德国有很高的国家地位，也反映了在国家和社会层面对地球科学未来发展的深刻理解和诸多期待。42“地球系统”成为地球科学新的视角和研究对象整体性（内部、深部、表层、空间）、系统性（各圈层耦合关系与变化过程）、复杂性思想正在迅速融入地球

10、科学。地球科学以太阳系的行星地球为视角，着眼地球系统演变及其过程，以预测人类未来生存环境变化。在德国的地学计划中，表述了以下新的科学思想和理念：地球科学的研究对象是“地球系统”，也就是我们人类赖以生存的行星地球，在其内部和表面进行着化学、物理、生物学的过程，以及在其地圈、低温圈（ k r yo s ph ae r e ）、水圈、大气圈和生物圈各子系统之间发生着相互作用。地球是一个动力学行星，它通过内部规模巨大的物质对流和能量集聚过程以及通过来自外部的多方面影响得以驱动，并处在经常的变化之中。这个“地球系统”（ S y s t e m E r de ）突出的特点是具有很高的复杂性，地球内部和地球

11、上进行的过程是相互耦合的，形成分支很多的因果链，这个链条由于人类对自然的平衡和循环的侵犯而可能受到附加的影响。研究目的是理解这些过程及其交换关系，评估人类对自然平衡和自然循环造成的影响，以及在对这一系统和过程认识的基础上实施地球管理。435 地球科学进展第19卷43地球科学社会发展功能趋于全方位化德国科学界敏锐地看到，对地球科学研究的需求近年来发生了根本性的变化。这个社会不断引入新技术，而且日益全球化，从而引发了对我们行星地球未来的关注。世界人口的持续增长和由此引发的原料供给的安全问题和剩余产品的处理，以及我们的工业社会面对长期的气候变化或像地震、火山喷发等自然灾害后果而脆弱性日益增大等问题，

12、都只是相互纠缠成堆的诸多问题中的几个焦点问题。因此，基于计划中“地球管理”的主导理念，在核心领域的遴选和重大课题的设置上，不仅考虑科学前沿性，同时满足经济和社会发展的多方面需求。地球科学正在体现其科学、经济、社会发展功能的全方位性的变化。13个重大课题从研究内容和研究方向上涉猎地学基础、应用研究、技术发展、资源能源、环境与保护以及地球管理等方面：（1）地学基础。内部驱动力和全球构造。地球内部驱动力及其地质过程（）；大陆边缘地区：地球的潜在用途与潜在危险的焦点（）。（2）地学技术。地球系统的空间观测（）；地壳层析成像：从超声波测量到实时监测（）；矿物表层：从原子方法到地学技术（）。（3）资源和能

13、源。沉积盆地：人类的最大资源（）；气体水合物：能源载体与气候要素（）。（4）环境与保护。地球生命耦合系统：生物圈动力学与全球环境控制（）；全球气候变化：原因与结果（）；物质循环：地圈与生物圈之间的链环（）；地下经营：地下空间的勘察、利用和保护（）。（5）地球管理。地球管理预警系统（）；地球管理信息系统（）。44基础研究成果向实际应用上的有效转换趋势增强计划要求基础研究要为具有长期成效的应用研究奠定的基础。如“地球内部驱动力及其地质过程”课题，属于基础研究，但从地球管理角度提出，要求重视对地球内部驱动力导致的许多影响人类生存条件的过程的认识，着眼于对地球表面和大气层的影响。因此，课题设计了以下以

14、应用为目标的研究要点：（1）板块驱动力的定量化及对地震研究的意义。（2）全球性和区域性的热流平衡及其对地热的反作用。（3）地幔（源和汇）对进入大气层的有害物质定量化研究以及对气候研究的意义。（4）为矿产研究发展新的勘探方法。（5）评估火山危险性，必要时建立预警系统。（6）发展关于对流物质过程和热输运过程的模拟技术。（7）通过高压合成有目标地发展多顶砧技术和研制新的物质材料。如“大陆边缘”课题是地学基础研究，但着眼点却放在“地球潜在的用途和潜在的危险”上，并要带动相关技术的发展。科学家坦承，德国没有直接的大陆边缘（北海和东海部分是陆内海，部分是海洋沉积盆地）。但他们强调，“大陆边缘”研究课题不仅

15、有巨大科学价值，而且对德国有显著的直接和间接的意义：一方面开发新的勘探目标和技术，另一方面发展使自然的和人为的危险最小化的技术，这对德国的能源与原料工业及环境工业有直接利益。45研究与发展活动力求成果的延伸、辐射和利用总体框架计划强调，地球科学的研究与发展活动在未来必需以国家的需要确定自己的方向，同样重要的也应对准国际市场的方向。地球科学的研究与发展活动的第一位的任务是发展、开辟新的前景，服务于保护和转移德国在国际上有很高评价的如资源研究等诸多领域中已有的知名度，努力提高国家在国际上的竞争力。德国的研究与发展活动曾取得极大成功。仅列举几例：在德国大陆深钻计划（K TB ）框架中发展的并在此期间

16、在世界范围得到使用的垂直钻井处理技术；在海洋地质研究中奠定基础的用于海洋深部海底的调查和长期观测技术；或者将基础知识运用到文物保护的实践中去，以及为了作为经济场所的地下基础利用提供地球工程技术安全设计。因此，每个重大课题都有研究与发展任务的设计，要求加强“上游”、“下游”之间的关联，力求研究与发展成果的延伸、辐射和利用。如“地球系统的空间观测”课题试图通过大力发展技术以实现基础科学的发展。在近年来地球科学的飞速发展中，已出现了大量新的基于地面、飞机和卫星的测量方法，使可测量地球参数的范围明显增大，测量精度显著提高，还将时间因素包含进去。在“地球系统的空间观测”课题设计中，要求继续发展这些已有的

17、和新的测量方法，而且还要把大多数至今仍是分离的技术整合成大地测量地球动力学集成监测系统（ I GG M ）。如“气体水合物：能源载体和气候要素”课题要求促进相关基础研究和新技术的发展。该课题是基于社会界和经济界对于气体水合物研究的需求，也即在于事关气候和环境难题的解决、极地和海洋研究以及对孕育未来“洁净”能源资源的可能开发而设计的。其设计思想不仅要涉及气体水合物作为能源载体和气候影响因子的基础研究和应用研究，而且还要对理解沉积盆地中物质流以及大陆架的动力学和稳定性问题发挥重要作用。同时，明确要求促进新技术的发展，特别是在传感技术、钻井和开采技术，以及天然气生产工艺等方面：现场（ i n- s

18、it u ）取样仪，钻井技术。现场（ i n- s it u ）观测，传感器。软件开发。可能应用于生产的工艺技术。这都反映了德国科学家强烈的保护和转移德国在诸多领域中已有的知名度，努力提高国家在国际上的竞争力的意识。46信息技术应用和地球数据公共平台建设日益受到关注未来信息社会的核心问题与海量、多相的数据存量的合理操作、使用密切相关。德国政府认为，信息技术作为横断技术的应用将促使创造科学内部的创新网络，科学与经济之间的创新网络，这有利于深入了解研究与开发的重要实际成果以及完善市场数据、产品数据和经济数据。地球数据基础设施（ g eo d a t e n- i n fr a s tr uk t

19、ur ）的建设在当前极具重大意义，对政治、经济、科学均有重要价值。地球信息是解释空间关系的信息，以地球观测数据（遥感与卫星数据）、环境数据、地形图或各种专题地图，以及地圈、水圈、冰冻圈、大气圈物理与化学状态的数据作为依据。同时，地球数据以其高度的复杂性和多相性，而使地球科学数据采集、分布和跨学科应用的技术开发问题成为极富挑战性的地学前沿。“地球管理信息系统”课题的设置表明，科学与研究、技术与社会所提出的问题，都渴望有针对综合系统和问题答案的全面、准确的组合模型。数据可以作为跨学科领域以适用形式提供再应用的产品，数据以用户需求为条件，这既是学科延伸研究的关键，也是知识转化为应用的关键。模型化与信

20、息技术创新的结合，作为科学研究的重点越来越多地推动了以计算机模拟阐明动态变化的发展。当前，这方面主要集中在两项研究上：可视地球：这个系统能使专家、政治家、公民获得广博的信息从而展现了地球科学各种各样的作用及其重要性。“可视地球”系统的重要特征是能够在亚微观范围内对地球系统进行全球观察。虚拟地壳实验室：目标是创建一个模拟地球科学过程与构造的开放系统。他们也注意到，“地球数据基础设施”的建设与定向开发是一个复杂的问题，会受到多方面因素的控制与影响。同时，在课题设计中，十分重视有关课题间网络建设的内容。各个课题间的横向联系正在走向网络建设，共建数据和科学研究平台，这是为地球管理奠定厚实的基础所做努力

21、的组成部分。如在“全球气候变化”课题设计中要求：在德国通过国际互联网建立和准备数据与资料，以提供气候学家和模拟研究者共同使用的数据和科学研究的平台。确定供所有地学信息用的共同的和一致的时间尺度。组建多层次和参数的网络结构（局地区域全球）。研制有效的转换函数和气候替代数据参数（温度、降水、风速和风向等）。如在“地球生命耦合系统”课题设计中强调，尽快建立一个现代化的、具有互联网功能的古生物学数据库，对于地球科学和生物学充分利用地球历史档案资料研究古环境和古气候具有重要意义。要求收集广泛分散在发表的著作文献和大博物馆的收藏中的有关古生物学数据资料的信息，加强和迅速扩充现有的网站（大洋钻探地层信息网站

22、，不莱梅/基尔的大洋钻探计划数据库）。同时，古生物学数据库还应该与工业界的数据联网，以便于勘探矿产所需要的生物地层学信息能够提供使用。如“地壳层析成像”课题，与“大陆边缘”、“盆地演化”、“灾害研究”、“资源研究”等课题有密切联系，它们之间的横向关系是多种多样的。像德国反射地震计划（ D E KOR P ）（如 A N C OR P 、德国北部盆地、 T RAN S A LP ），系统的先定点勘测计划（ I C D P ），海洋地球科学研究规划（如 C I N C A 、 C ONDO R 、大西洋被动边缘等），都是受 B M B F 或 D FG 支持的项目。47明天的地学市场正在向我们走来

23、总体计划特别指出：今天地球科学基础研究的许多专门的研究计划已不再同应用研究分割开来。地球科学研究虽然像以往一样是以基础研究为方向的，但今天总是强烈地体现在发展新的技术、方法和有市场竞争力的产品等方面。伴随着地球科学对我们行星的发展和动力学知识的增长，今天关键任务已落在现代地球科学的身上，在自然科学和工程科学的交汇点上，要为更好地共同认识生存空间地球，为对其进行与环境友好的利用，以及为发展地球气候变化和自然灾害的预测预防战略做出贡献。“明天的地缘市场（ d e r G eo m a r kt vo n m o r ge n ）”将在对事关人类生存状况预防的广阔领域负有责任。该计划中的每个核心研究

24、领域都以此目标理念为基础，阐述了基于科学的未来趋势和导致工业应用的科学问题，反映了地球科学同工程科学和工业界加速融合、合作的发展趋势，也显示了德国科学家迎接明天地学市场到来的信念和决心。在“大陆边缘”课题设计中，它们已在考虑，今后10年将有100 个近海油气田被废弃，应如何使其对环境的损害最小。认为，假定破坏型主动大陆边缘前边的超深海沟是潜在的丢弃场所，应当通过地球科学和海洋学研究工作确定深海沟内不活动的可丢放位置。“地下经营：地下空间的勘测、利用和保护”课题设计表明，德国科学家已在深部钻探的稳定性保障、裂缝孔隙岩石地热能源储体利用、C O 2的地下储存、核废料地下储存和堆放等方面努力发展和储

25、备相关市场需求的技术。其中，证明地下作业的可行性；对环境直接和间接影响的评价模拟；地下系统长期特性的定量分析等是必需解决的地学课题。“矿物表层”课题，试图从原子尺度认识矿物表面的非均质反应，解决在环境（酸雨、C O 2平衡）、工业应用（炉垢水锈、重晶石、混凝土缓凝剂、石膏材料的微型结构、合成的络合剂）、农业（植物根系合成的高特性络合剂与吸收土壤中养料）等方面至今尚未解决的技术问题，或者比较容易地在工业应用中（如在建筑物和纪念碑上的表层风化过程）、在医学相关的过程（如牙齿蚀解过程）或在与环境有关的现象中控制晶体生长反应或分解反应。“地壳层析成像”课题，既是为了地球科学研究，同样也是为了工业应用。

26、在这个发展技术方法的领域，与工业界的关系体现在努力创造有用的技术知识，并积极参与将技术直接用于工业目标的总体计划（如油气生产与储存的监测，有害物质扩散的成像与监测等）。以应用定向的“气体水合物”研究对于制定社会政策以及未来能源勘探十分重要。于利希研究中心是开发复杂模拟方法的重要单位，而他们进行的研究都是在同德国的R uh r ga s 石油和天然气公司、 V EB A 、 W i n t e r s h a l l 和 I E S 公司等企业的合作中实现的。该计划的总体设计中认为，以下方面可能成为进入“明天地学市场”的入口：按照可持续利用的观点发现和评估矿物原料、化石能源矿床以及地下水和饮用水

27、资源。发展创新技术，例如在地球物理探测方法、钻井技术、早期预警系统、对地观测系统、用于深海采样和实验任务的机器人系统，或者软件开发方面。提高公共的和商业的服务能力，例如在土建工程或者废物处理技术和整治技术等方面。社会任务，如在环境管理和灾害防治方面。发展援助和技术转移。48人类作为地质因素的影响备受关切该计划在前言中指出，地球系统内部和地球上进行的过程是相互耦合的，形成分支很多的因果链，而这个链条由于人类对自然平衡和循环的侵犯而可能受到额外的影响。强调当人类的侵犯进入其所在的环境迫使我们的行星发生了大量持久性变化过程时，人类自己因此而变成了地质因素。生态恶化、灾害频发、全球气候变化不断产生的威

28、胁，致使地球系统的易损性和脆弱性已为社会公众之共识；保护我们赖于生存的家园行星地球，已成强烈的社会需求。该计划要求遴选出的各重大课题要在所有对行星地球进行的比较中理解和认识地球系统，从人类活动造成的变化中区分出因自然过程发生的全球变化，评估气候与环境的发展趋势以及人类活动对其的影响，预防自然灾害和减少灾害后果。人类作为地质因素的影响特别受到关切，而从人类活动造成的变化中区分出因自然过程发生的全球变化更是极具挑战性的命题。如在“物质循环”课题设计中，强调主要研究地球成因和人为成因的物质循环，重视地圈与生物圈之间的耦合作用。目标是表征和定量碳和硫的循环。二氧化碳：从失踪的汇（m i ss i ng s i nk ）问题入手，重视贮蓄层如大气圈、水圈、生物圈、土壤圈和岩石圈中碳的转移与滞留特点，把地球成因的与人为成因的碳区别开来；甲烷：以能源环境人的关系链为切入点，对538 地球科学进展第 19 卷 Drilling Program m e ， ） 欧洲南极冰芯计划。 甲烷贮存、 转移、 氧化到 CO 2 等过程链， 对纯粹受岩 石圈制约的碳循环部分 （如碳的形成与贮存 以及 ）， 受人为影响部分 （如甲烷在储集地的形成和稀释， 或者通过采矿作业、 天然气的开采