地球科学领域发展观察 | 2019科学发展报告
郑军卫¹ 张志强² 赵纪东¹ 张树良¹ 翟明国³
1. 中国科学院兰州文献情报中心;
2. 中国科学院成都文献情报中心;
3. 中国科学院地质与地球物理研究所
地球科学在人类认识､利用和适应自然界的过程中发挥着不可替代的重要作用｡2018年地球科学领域（本文所指的地球科学主要涉及地质学､地球物理学､地球化学､大气科学等学科）在地球深部物质循环与结构､板块构造､地球系统､矿产资源绿色开采､行星地质学以及大数据与人工智能技术在地球科学中的应用等方面取得了一系列新的重要进展,一些国家和国际组织亦围绕上述领域进行了研究部署｡
一､地球科学领域重要研究进展
1. 地球深部物质循环与结构研究获得新认识
地球内部的运行控制了表层系统的演变,地球深部过程及动力学是地球矿产资源分布和地质灾害发生的深部根源｡为了更全面､深入地理解地球深部作用的过程,人类不断向地球深部进军,围绕地球深部物质结构组成､演化的研究不断深入并取得突破｡
英国牛津大学与德国拜罗伊特大学等机构合作研究发现地表下约500km 的地方存在高度氧化的铁,这一发现令科学家们震惊,因为按照以往的认识,铁元素在地下深部发生氧化的可能性极小,他们推测碳酸盐流体或熔体导致铁的氧化,进而推测自然界的碳循环可以深入到地幔深部｡
美国密歇根州立大学等机构合作也通过实验室模拟的方法研究了经改造(将原镁和硅原子换成三价铁原子)后的地幔矿物———布里基曼石(Bridgmanite)的密度､压缩性和电子传导性等特征,促进了地幔中铁的认识｡
传统观点认为,在地球早期演化过程中地核与地幔的分离是一个有序过程,致密的铁质金属向内沉没形成地核,而大量的硅酸盐则向地球表面聚集形成地幔｡
但美国华盛顿卡内基研究所等机构开展的一项基于夏威夷火山热点的钨和氙同位素地球化学研究发现,地球早期演化中地核与地幔分离过程中的短寿命碘与现在地幔样品中的氙同位素存在重要关联,现代热柱岩中发现的氙同位素异常是在早期地核形成的高压阶段碘/钚分馏的结果,经历高压地核形成的地幔部分存在与挥发性无关的大量碘/钚亏损,其现代地幔玄武岩中观察到的氙和钨异常的来源｡
2. 地球板块构造理论得到进一步完善
板块构造理论一经提出,就一直是地球科学研究的重要内容和热点领域｡传统观点认为,克拉通作为大陆地壳中年龄最古老的部分,通常远离活动构造边界,极少受到深部地幔动力学过程的影响,具有极强的稳定性｡
但2018年2月一项由美国伊利诺伊大学和意大利帕多瓦大学等机构完成的研究发现,位于南美洲和非洲大陆下部的岩石圈地幔具有明显的分层结构且下层部分的密度更大,在进一步分析后认为克拉通底部岩石圈地幔的分层作用使得岩石圈的浮力发生变化,从而影响到克拉通的稳定性｡
澳大利亚国立大学和英国伦敦大学学院通过检测地震波在地球不同深度的传播速度后发现,岩石样本中的水含量同地震波在其中传播的速度之间并无关联,首次揭示出板块运移的关键在于构造板块基底发生的部分熔融过程而非地幔水的存在,这颠覆了已有的认识｡
此外,在一些涉及对具体板块的研究方面也取得明显进展,如
英国普利茅斯大学和自然历史博物馆开展的有关英国大陆成因研究表明,英国大陆的形成是3个板块碰撞作用的结果,而非此前认为的2个｡
3. 地球系统研究取得新进展
盖亚(Gaia)理论作为一种地球系统的认知框架,对地球系统科学的建立和发展完善具有重要意义｡
英国埃克塞特大学和法国巴黎政治学院合作研究认为,进入“人类世”后,人类及其技术的改进可以为地球的自调节系统(盖亚理论的核心)增加“自我意识”,使其升级为(人类)自我意识下自我调控的盖亚2.0,这将有助于地球系统科学的发展和完善｡
由于人类活动对地球系统影响的范围和强度迅速增大,人类已被视为一种独立的地质营力来研究,并据此提出了“人类世”概念｡
瑞典斯德哥尔摩大学和澳大利亚国立大学等合作,以古气候动力学､现代观测和复杂性科学为基础,分析了“人类世”地球系统的可能演变轨迹,指出受自我强化反馈机制影响的地球系统可能正在接近行星临界点,这个临界点可能将地球锁定在一条向更热环境发展的路径上｡
4. “四稀”关键金属矿产资源研究与绿色开采技术获得突破
稀有､稀散､稀土和稀贵金属由于具有独特的性质,广泛应用于高科技､军事､核工业､航空航天和新能源等领域,是支撑战略性新兴产业发展的重要原材料,关乎国家经济安全､国防安全和战略性新兴产业发展,近年来受到世界各国高度关注,纷纷被列为各国的“关键矿产”｡
爱沙尼亚塔尔图大学和奥地利维也纳技术大学等开展了钴､铌､钨､稀土等关键原材料的可持续性评价,认为通过回收获得二次资源是一种实现对这些关键金属再利用的可取方法｡
巴西圣保罗大学的研究人员评述了液液萃取法提取稀土的选矿技术研究进展,并提出了改善稀土元素链的可持续性管理对策｡
随着环境保护意识的不断深入人心,探索矿业绿色发展已成为实现资源利用效益最大化和矿业高质量发展的重要方式｡
目前,大多数的金矿开采还依赖于毒性大的氰化物法｡美国圣母大学研究人员研究出了一种新型大环分子(四内酰胺受体),其可以把含金矿石转化为氯金酸并用一种工业溶剂萃取出金,还可以在不使用酸性水汽提取的情况下选择性地把金从溶剂中分离出来,从而可减小金矿开采对环境的影响｡该工艺也适用于铂和钯等其他贵金属的提取｡
此外,澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)也宣布成功实现利用硫代硫酸盐替代传统的氰化物提取金的技术,且该技术的成本投入相较传统的氰化物加工而言要低很多,仅相当于后者的1/14~1/12｡
5. 行星地质学受到重视和发展
作为地球科学的一个重要分支学科,行星地质学研究已经从早期的宏观定性化发展到定量化和精细化的阶段,近年来以欧美为主的科学家围绕一些类地行星开展了多项综合性研究｡
美国汉普顿大学和中国香港大学等机构合作,基于对木卫冷却过程的观察,对类地行星的热演化机制进行了深入研究,提出了类地行星形成早期的热管冷却模式,并探讨了其对火山作用演化的影响｡
挪威极地研究所通过雷达探测首次确认了火星上存在液态水,该液态水位于火星南极1.5km 厚的冰层下,宽约20km｡该研究结束了关于火星上是否存在液态水的争论,增加了火星上存在生命的可能｡
美国国家航空航天局(NASA)和法国国家科学研究中心(CNRS)等机构合作,借助“好奇号”火星探测器在盖尔陨坑(Galecrater)地表处采集了一块有30亿年历史的沉积岩,从中发现了有机分子,包括噻吩类､苯､甲苯和小的碳链(如丙烷或丁烯),由此推测火星可能曾存在远古生命｡
6. 人工智能技术在地学研究中得到应用
人工智能技术的发展为传统地球科学研究提供了新的研究方式和新的发展机遇｡
美国哥伦比亚大学等机构共同利用机器学习算法对加利福尼亚州间歇泉地热区3年46000多次的地震记录进行处理,从中识别出了与其他地震存在细微差别的地震波图谱,并据此发现水的运移与引起岩石滑动或破裂的机械过程相关,是引发当地地震的重要诱因｡
火山灰颗粒的形状能够反映火山喷发的类型和信息,一直是火山学家进行火山研究和灾害评估的重要内容,但此前对火山灰颗粒的分类主要靠人工完成｡日本东京工业大学通过训练一种卷积神经网络的人工智能程序来对火山灰颗粒的形状进行分类,并据此判断火山喷发类型和帮助减轻火山灾害,大大提高了分类的速度且有效避免了人工识别过程中的人为因素干扰｡
二､地球科学领域重要研究部署（略）
三､启示与建议（略）
致谢:中国地质大学(武汉)马昌前教授､中国地质调查局施俊法研究员､中国科学院广州地球化学研究所凌明星研究员､西北大学陈亮副教授等审阅了本文并提出了宝贵的修改意见,中国科学院兰州文献情报中心刘学､王立伟､刘文浩､刘燕飞､安培浚､李小燕等参与了本文的部分资料收集与翻译,在此一并感谢｡
参考文献（略）
本文摘编自《2019科学发展报告》（中国科学院 编. 北京：科学出版社，2020.01）一书“第四章 科技领域发展观察”，有删减，标题为编者所加。
《2019科学发展报告》
中国科学院 编
北京：科学出版社，2020.01
ISBN 978-7-03-064608-8
本报告是中国科学院发布的年度系列报告《科学发展报告》的第22部,旨在全面综述和分析2018年度国际科学研究前沿进展动态,研判和展望国际重要科学领域研究发展趋势,揭示和洞察科技创新突破及快速应用的重大经济社会影响,报道和介绍我国科学家具有代表性的重要科学研究成果,观察和综述国际主要科技领域科学研究进展及科技战略规划与研究布局,概括和介绍我国科学研究整体发展状况,并向国家决策部门提出有关中国科学的发展战略和科技政策咨询建议,为国家促进科学发展的宏观决策提供重要依据｡本报告对国家各级科技决策部门､科研管理部门等具有连续的重要学术参考价值,可供国家各级科技决策和科研管理人员､科研院所科技研究人员､大专院校师生以及社会公众阅读和参考｡
【相关阅读】
《2019 高技术发展报告》
中国科学院 编
北京：科学出版社，2020.1
ISBN 978-7-03-064290-5
《2019高技术发展报告》的主题是航空航天和海洋技术。报告综述了2018年高技术发展动态，着重介绍了航空航天和海洋技术领域技术及其产业化新进展，分析了中国高技术产业国际竞争力和创新能力，探讨了高技术与社会等社会普遍关注的重大问题，提出了世界科学、技术、工业革命趋势，人 工智能产业发展前景，“十四五”战略性新兴产业发展，知识互联网发展，新一轮科技革命和产业变革趋势与影响等若干战略思考。报告有助于政府部门和社会公众了解高技术， 特别是航空航天和海洋技术发展及产业化动态，理解高技术对社会的影响。
【相关阅读】
世界科学、技术、工业革命趋势分析 | 2019 高技术发展报告
（本文编辑：刘四旦）
地球为你而转！
欢迎关注并设星标：赛杰奥（sci_geo）
科学出版社地球科学订阅号
传播科学，欢迎分享“在看”▼