打开全球地学研究新视野――2013年国际地球科学领域发展态势概览
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打开全球地学研究新视野――2013年国际地球科学领域发展态势概览
郑军卫 安培浚 赵纪东
中国矿业报
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　　地球科学是与自然环境演化和社会经济发展密切相关的一门历史悠久的自然学科。地球科学自身的发展和完善不但大大提升了人类认识地球、利用地球和管理地球的能力，同时也为生态学、水文学、环境科学以及全球变化研究等提供了支持。
　　笔者基于对2013年国际地球科学领域的重要科学发现和重要科技文献的整理调研，对2013年国际地球科学研究发展动态进行了系统监测，遴选并总结了2013年国际地球科学领域的主要科学前沿问题和科技发展态势，以供读者参阅。
　　固体地球科学研究发展态势
　　2013年国际固体地球科学研究更趋于解决与地球演化和人类生存密切相关的重大科学问题，如地球起源、板块运动机理、地震成因、自然资源开发等。与此同时，一些重要的传统基础理论认识受到挑战。《自然：地球科学》杂志在2013年第1期发表特刊文章对2007年以来地球科学领域的研究进展进行回顾，指出当前地球科学研究的热点领域是：气候变化评估、人类世、大气氧之谜、海冰大幅缩减、大型逆冲区地震、海洋酸化、淡水循环、拥挤的太阳系、气候敏感性。2013年1月，英国地质调查局（BGS）、瑞士联邦理工学院（ETH）、德国地球科学研究中心（GFZ）等发布报告《年及以后欧洲固体地球科学路线图展望》，提出未来20年欧洲固体地球科学研究将集中在气候变化、自然灾害与风险、资源、地球起源和地球动力学等5大主题领域，并指出了各领域的关键科学问题。
　　地球系统科学研究得到加强
　　2013年美国国家科学基金会（NSF）再次增加了地球系统科学研究方面的投入。继2010年发起的地球系统动力学前沿（FESD）计划及2011年10月前后批准的7个项目后，2013年9月NSF出资2800万美元，继续资助FESD计划的6个新项目：地球系统的氧化动力学，亚马逊/安第斯森林生物多样性形成及山脉、景观和气候分布的动力学，地球系统动力学及其在非洲人类进化中的作用，火山、海洋、冰川以及碳实验，大陆-岛弧波动，南半球臭氧层空洞对气候的影响。设立这些项目的最终目的是探索地球过程和系统之间的联系。随后NSF又宣布在地球系统动力学的重点发展方向――人与自然耦合研究领域资助21个研究项目，总经费1940万美元，用于促进更好地理解自然过程和循环、人类行为和决策、以及它们如何互相影响和何时互相影响。
　　地球动力学研究取得新发现
　　2013年6月，地质学家研究发现葡萄牙海岸附近海域有一个新的俯冲带正在形成，即欧洲大陆和美洲大陆越来越靠近，而大西洋正在闭合。这是“大西洋板块的被动边缘正变得活跃”的首个证据，并预示着在伊比利亚区威尔逊循环是一个新阶段的开始。9月，德国科学家对微小地震信号进行直接计算后，获得了浅层地震波速结构的详细的近实时图像，进而在近地表部分识别出了2个小的分支断层，这一直接观测结果为大量发生在帕米尔和天山地区的300千米深度的地震提供了解释。12月9日，《自然》杂志发表题为《地下火山》的文章指出：地震波研究显示夏威夷地幔柱不同于经典模式，呈罕见的膨胀趋势，在地下约110千米～155千米处存在一个暖池，该暖池并非位于夏威夷主岛的正下方，而是在主岛西侧100千米处。这一发现可能意味着夏威夷地幔柱受某种化学界面的影响，到达地表时地幔柱发生转向，或者地幔柱一开始就沿着倾斜的路径上升。
　　“地幔羽”假说受到质疑
　　板块构造理论从根本上改变了人们对地球内部运动的认识，但是，对板块内部及板块分离边界处的隆起或海山的形成，并没有合理统一的解释。20世纪70年代，J Morgan提出了“地幔羽”假说，认为发起于壳幔边界的温度的局部异常所导致的大规模岩浆涌出地表，形成了代表较厚地壳或洋壳的隆起或海山。2013年，同济大学周怀阳与美国伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）的Henry J B Dick在《自然》杂志撰文指出，西南印度洋马里安隆起（Marion Rise）有约3200平方千米的区域几乎完全缺失洋壳，地幔直接出露于地表，而原“地幔羽”假说对此无法解释。他们认为，地幔的成分异常很可能才是控制洋中脊深度变化的主因。英国剑桥大学教授Maclennan在评论文章中认为，如果这一对印度洋洋中脊的地质观测是正确的话，将对人类深入理解地幔具有重要意义。
　　资源科技研究发展态势
　　日，国际重要石油与能源新闻专业网站“oilprice”的资深编辑James Stafford发表《全球油气工业未来趋势分析》文章，指出未来全球油气工业出现5大趋势：海底油气作业系统将成为研发重点；三次采油技术（CO2-EOR技术）将得到广泛应用；超级计算机系统将成为未来油气勘探所必需的设施；液化天然气相关基础设施投资规模持续扩大；页岩油气革命将彻底改变全球油气供应格局。
　　全球对页岩气认识更趋理性
　　以页岩气为代表的非常规油气勘探开发依然是2013年全球关注的热点，但与2012年相比各主要机构对这一事件的认识更趋理性。2月，普华永道公司（PWC）发布报告《页岩油――新的能源革命》，该报告指出未来20年全球页岩油产量将强劲增长，预计2035年页岩油产量将占到全球原油供应总量的12%，同时页岩油供应的大幅增加可能导致油价下跌40%。5月14日，国际能源署（IEA）发布2013年度《中期石油市场报告》，指出北美地区以非常规石油为主的原油产量的大幅上升给全球供应链带来冲击，这将成为未来5年市场的变革性力量。8月，美国研究理事会（NRC）发布《能源技术诱发地震的可能性》报告，认为：水力压裂及目前采用的页岩气开采技术不会诱发高风险的可感知地震；废水注入地下会造成一定风险，但有文献记录的地震只占很少一部分。11月7日美国布鲁金斯学会在其网站发文指出，美国页岩能源革命将可能对中国产生5个方面的重大影响：页岩能源革命输出到中国；为中国国有石油公司海外收购创造机遇；制约中国石油公司在伊朗的经营活动；为中国在中俄天然气管道谈判带来了更大优势；有利于中国加大波斯湾石油进口。11月15日法国科学院发布《关于页岩气开发的建议》对欧洲页岩气开发现状和前景进行了评估，并就解决页岩气开发面临的技术和环境等问题提出9点建议。
　　全球矿产勘探投资持续增加
　　全球矿产勘探投资持续增加，深部、深海和隐伏矿产资源勘探开发得到重视。2013年3月，金属经济集团（MEG）发布《2013年全球勘探趋势》深入分析了2012年全球非铁矿产的勘探情况，并简要分析了2013年的发展形势。2012年全球勘探总支出达到215亿美元，主要投资在开发程度较高的项目上。MEG预计，2013年的勘探预算达到与2012年相当的水平，但在新区勘探投资可能会低于2012年，这将导致全球非铁矿产勘探水平的小幅下滑。5月，加拿大政府宣布投资5100万美元资助新的“足迹项目”（Footprints Project）合作项目用于采矿业的研究和创新。在澳大利亚公布的年财政预算中为地球科学领域额外提供3400万美元的资金支持，以帮助确保澳大利亚未来的能源和矿产资源需求。8月，挪威贸易与工业部（NMTI）发布了《挪威矿业发展战略》，提出了挪威矿业的几个战略优先领域，包括海底矿产资源等。10月21日，挪威科技大学（NTNU）、挪威国家石油公司Statoil和矿业公司Nordic Mining正在合作开展研究项目，绘制沿大西洋中脊的海洋矿产资源地图。此外，国际上一些企业深海采矿计划正在或已经付诸行动，深海采矿产业端倪显现。
　　淡水资源研究取得突破
　　日，《自然》期刊在线发表了题为《作为一种全球现象――近海岸蕴藏着地下淡水》的文章，澳大利亚等国科学家研究发现在澳大利亚、印度尼西亚雅加达、美国新泽西州和佛罗里达州、中国东海、北美苏里南（Suriname）、南非布雷达斯多普盆地（Bredasdorp Basin）、格陵兰岛等附近大陆架海床下储存着低矿化度的地下水，总量估计达到50万立方米。这一发现意味着人类在缓解干旱和陆地水资源短缺影响方面有更多的选项可供考虑。
　　海洋科技研究发展态势
　　海洋酸化研究得到重视
　　2013年6月，北极委员会发布报告对北极地区的海洋酸化现状进行了概述。11月，美国伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）等机构联合发布了《海洋酸化的20个事实》报告，归纳出海洋酸化问题被科学界广泛接收的20个事实。同月，IGBP等发布报告，对海洋酸化相关问题的置信级别进行了分类，将海洋酸化问题的判断分为非常可信、高可信、中度可信和低可信4个级别。
　　美国开始重点关注北极海冰融化
　　2013年2月，美国北极研究政策联合委员会（IARPC）确定了年北极研究5年计划。重点资助的7个研究领域。8月，美国国会研究部（CRS）发布了题为《北极的变化：服务于国会的背景与问题》，对北极海冰融化带来的主权、航道、资源、生态等问题进行了分析。9月24日，美国NOAA宣布了其新的《五年研究和发展计划》，将工商业对北极的影响和北极生态系统特征研究作为未来研究重点之一。北极海冰融化趋势已渐趋清楚，以美国为首的相关国家正着手应对海冰融化后的新形势，北极资源和航道既是北极地区最重要的战略资源，也是北极地区问题的焦点。
　　日本加强海洋资源勘探开发
　　2013年4月，日本内阁正式通过了《海洋基本计划》（）决议。制定了未来5年的新举措，其中值得关注的资源开发措施有：2018年，完善可燃冰商业化开采技术；年逐步扶持私营企业参与海底热液矿床商业化项目中；对锰结核与富钴结壳的资源量与生产技术开展调查研究。3月12日，日本宣布成功从爱知县附近深海可燃冰层中分离出甲烷，成为世界上首个掌握了海底可燃冰采掘技术的国家。
　　研究平台基础设施建设态势
　　地学研究平台基础设施建设得到加强，重点建设海底观测、碳观测、生态系统观测、数值模拟和基础研究设施，逐步实现了观测、探测和模拟相互补充的地球系统与环境科学研究体系。
　　2013 年1月，英国多家研究机构发布的《年欧洲固体地球科学路线图展望》咨询建议报告指出欧洲固体地球科学未来20年急需的基础设施包括：多参数观测和研究中心（链接地球物理、地球化学、水文、气象、环境参数等），可以提供永久性综合监控超级站点；多参数设备工具，以提高特定区域的分辨率；大型野外实验移动设备；用于地球科学监测的卫星飞行任务；用于海底、断裂带、冰下的钻井设备；钻孔观测网络；海底电缆网络；已有的冰芯和沉积物数据与海洋和大陆基础设施链接设备等。
　　2013年10月，荷兰皇家气象研究所（KNMI）基于欧洲板块观测系统（EPOS）、加强美国和欧盟环境基础设施研究领域之间的合作（COOPEUS）、欧洲地震风险评估和减灾基础设施研究网（NERA）和欧洲地震学观测和研究设施（ORFEUS）项目的研讨会，发布了题为《欧洲地球科学路线图：下一代地球物理研究的基础设施》的报告，提出集成核心服务（ICS）为正在开发的技术发展规划提供多学科服务，将覆盖固体地球科学领域，重点为应用于地球过程的地震学、火山学、地质学、大地测量学和地磁学，科学数据管理（如EPOS和EarthCube战略）。
　　大数据研究计划不断推出，支撑地球科学与资源可持续发展的需求。继2012年3月宣布正式启动“地球立方体”计划之后，2013年10月NSF公布了新一轮的研究资助计划，集成地球科学领域的信息和数据。2013年澳大利亚先后发布了《数据知识发现》、《国家地球科学数据网络》报告，试图利用新的大数据及其相关软件与技术来解决生态学、地球科学和物理学领域的挑战。美国国家研究理事会（NRC）8月发布《大数据分析的前沿》报告指出，气候研究将继续以迅猛的速度增长，气候模型和卫星观测持续增长，以支持新的发现。仅在年10年间来自行星科学、机器人探索太阳系方面的数据量就达到过去40年收集数据量的100倍。
　　（作者单位：中国科学院国家科学图书馆兰州分馆）
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