徐义刚院士：地球科学对人类文明的贡献
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本文由科学大院根据徐义刚院士在中国科学院学部第九届学术年会上的报告《地球科学对人类文明的贡献》整理而成，首发于科学大院。
今天在座的和不在座的人们有一个共同的特点，那就是我们都生活在地球上。迄今为止，地球是我们人类赖以生存的唯一的家园，地球哺育了我们，地球系统即使产生微小的变化，都会对人类文明产生深刻的影响。从这个意义上说，地球科学的发展与人类文明的进步是相互交织的。
但是非常遗憾的是，迄今为止，无论是国内还是国外，尚无有关地球科学与人类文明关系的系统梳理。所以，在新一轮科技革命来临的前夜，在科研范式正在变革的当下，进行相关的梳理工作，对提升地球科学的社会功能，使其在未来发展中发挥更大的作用，具有重要的意义。
地球科学是研究地球的结构形成演化的基础学科，包括了地理学、地质学、地球化学、地球物理和空间物理学、大气科学、海洋科学和环境科学等分支学科。
它具有双重属性：一方面帮助我们认识地球，它是自然科学体系（数、理、化、天、地、生）中的一员；另一方面它始终围绕人类的基本需求，解决人类生存的问题，造福人类。
地球科学的研究对象横跨数万里，上下数亿年，是一个十分复杂的系统。
人类文明则是人类在社会发展过程当中创造和积累的物质财富和精神财富的总和。它经历了从原始文明、农耕文明、工业文明到生态文明的演替发展，人类文明发展的根本动力是生产力，是人类生存和发展的需要。
如何来评判一个学科对人类文明发展的贡献呢？根据我个人的理解，我认为人类文明有三个要素，分别是认知、财富和规则。地球科学有三个能力，就是认识自然、利用自然、和谐自然的能力，分别对应这三个要素。因此我们定义了判断的依据：相关研究是否颠覆了人类的认知？是否提高了生产力，又创造了财富，改善了人的生存质量，改变了人的生活方式？是否和谐了人际关系，促进了全球治理？
下面我将从这三个维度来跟大家汇报一下地学对人类文明的历史贡献，展望一下未来社会发展中的地学的担当。
地学对人类文明的历史贡献：
四个改变世界的地球故事
在基金委地球科学部学科梳理组、中国科学院地学部常委会以及中国科学院武汉文献情报中心的支撑下，我们梳理了很多有关地球科学对人类文明历史贡献的经典案例。由于时间的关系，我想跟大家分享其中的4个故事。
第一个故事是“没有地质学就没有进化论”。
“我们是谁？从哪里来？要到哪里去”是人类的根本问题。说到这个问题，大家可能马上想到是达尔文的《物种起源》，但是我这里想讲的是莱伊尔经典的《地质学原理》一书。
莱伊尔生活的时代其实是宗教控制的时代，所有的地质学知识都来自于《圣经》中的《旧约-创世纪》：认为创造这个世界的是神，地球年龄只有6000年，诺亚洪水造就了地层当中所有的一切。莱伊尔则认为地质作用的过程是缓慢渐进的，所以地球的过去只能用通过现今的地质作用来认识，无需求助于《圣经》或者“灾变论”。他认为地球年龄至少有3亿年。千万不要小看他在当时提出的“3亿年”，因为达尔文提出的进化论需要大量的时间，因此，《物种起源》牢牢地根植于渐变论的知识体系当中。
事实上，达尔文是带着《地质学原理》的第一册开启为期5年的全球航海考察的。他在自传中写到，在这5年的考察当中，正是这本书给他以最大的启迪。1836年达尔文考察回来，与莱伊尔见了第一面就成为好友，他们之间频繁的书信往来都是探讨地质学和生物进化之间的原理的。1875年莱伊尔去世的时候，达尔文说：“我在科学上所做的一切，几乎归功于对他伟大著作的研究”。
地球科学家在追溯地球和生命起源的历程当中，始终没有停下脚步。地球化学家在上世纪50年代就用同位素的方法精确把地球的年龄确定为45亿年。古生物学家在地层当中发现最早的生命出现于38亿年前，38亿年以后的各种化石则为地球生命史书增添了新的篇章，所以地球科学家为达尔文的进化论从更广空间、更长的时间尺度提供了实证。
同样是地球科学家领导的团队，在东非阿法尔洼地发现了318万年前的直立人化石，奠定了人类走出非洲的学说。现在地球科学家正与生命科学家合作，利用古DNA技术逐步揭示人类起源的神秘的面纱。
1979年“阿尔文号”深潜至海底6000英尺，发现了海底黑烟囱。在这个暗无天日的海底世界里，竟然有生物存在，这告诉我们“万物生长靠太阳”的说法可能不一定完全正确，地球的内能也可以支撑生命的存在。这为揭示深部地球生命的极限，掀开了新的篇章。
第二个与大家分享的故事是“没有地质学，就没有工业革命”。
如果说煤炭点燃了第一次工业革命的烈火，那么石油就是第二次工业革命的血液，铀、锗、硅、锂、稀土等是第三次工业革命的“维生素”，现在的新型能源和能源金属则是第四次工业革命的基础物质。
这是一张世界能源体系图，横坐标是年代，纵坐标是一次能源结构占比，图中的这些曲线分别代表了木材等其他能源、煤炭、石油、天然气以及未来的核能以及清洁能源随时间的演变图。我们看到的这些小红点，标志着一种能源超越另外一种能源所发生的时间，它跟人类文明发展的转换时间是吻合的。所以我们说人类文明史就是一部能源利用史。
我还想提醒大家注意这些小红旗所插的位置，它是经典的地质石油地质学原理（比如说背斜说、页岩气成藏理论）提出的时间。请大家注意这些小红旗所处的位置，也就是说，每一次石油地质新理论的提出都发生在能源更替之前。我想这张图可以证明基础研究对人类文明演替的促进作用，还说明基础研究有时是无法预先规划的。
全球90%的油气储量是发现于海相地层中，因而学界很多人认为只有海相地层才能生油，陆相地层是贫油区。正是因为我国从中生代以来主要以陆相地层发育为主，所以美国人早在上世纪20年代就给中国扣上了“中国贫油”的帽子。但是以潘钟祥为首的我国科学家提出了中国陆相沉积当中可以生油的认识，系统地认证了新华夏系沉降带具有良好的生油和储油条件。正是在陆相生油理论的指导下，我国的早期石油普查蓬勃发展，发现了陆相的大庆油田以及胜利油田，从此我们国家的石油工业才真正得以兴起。
没有陆相生油理论，就没有中国的现代化工业体系。没有陆相生油理论，现在外边的大街上可能跑的还是像这样的公共汽车（编者注：在5,60年代的贫油期，公共汽车只能利用煤气作为燃料，因为当年没有气体压缩技术和设备，只能在常压下将煤气储于车顶上的大气袋中，老百姓称为“大气包”）。陆相生油理论具有巨大的辐射作用，近几年全球重大的油气发现地都是原先海相生油理论认为不可能出现油的地方，所以我觉得，陆相生油理论不仅给我们国家，而且给世界能源产业的发展提供了重要的理论支撑。
人类文明发展史也是一部资源发展史。伴随着工业化进程，矿产资源的消费是呈S型增长的，资源利用的种类也急剧增多。地质学上成矿理论的研究，为这些大规模矿产资源的发现提供了理论支撑。
我用下面三个小故事来说明，找矿行动是红色政权和新中国冲破各种封锁的突破口。在五次反围剿过程当中，铁山垅钨矿产钨7500吨，收入453万大洋，这是当时苏区财政收入的70%，养活了十万红军。“一五”期间国家重点建设项目有一半是投资在资源型城市，53个城市因矿而兴，为建设我国独立完整的工业化体系立下了汗马功劳。1954年中央给时任地质部长的李四光下达了绝密任务——寻找铀矿石。8个月以后找矿队伍就在广西的富钟找到铀矿，样品送到中南海以后，毛主席听取汇报以后当场拍板“中国要研制自己的原子弹”。后来的“两弹一星”确保了我们国家的一方平安。
第三个故事就是“改变世界的地图和板块构造理论”。
地图是人类文明史上的伟大创想，它以科学的符号系统、精确的地图投影和系统的综合方法表达对复杂地理世界的空间结构和关系。
有一本书叫《改变世界的100幅地图》，我读后深以为然。1495年哥伦布就带着托勒密编制的世界地图，从西班牙出发，一路西行发现了美洲大陆，之后欧洲人持续向美洲迁移，掀起了人类历史上迁移史上的第三次高潮。
地图也引出了地球科学上伟大的发现。气象学家魏格纳发现大西洋两岸的大陆形态非常吻合，完全可以拼在一起，所以全球各大陆可以拼成一个完整的大陆，证明古大陆沿大西洋发生过开裂和漂移。但是非常遗憾的是，1930年魏格纳在格陵兰遇难的时候，这个理论还没有被承认。27年之后的另一张海底综合地图，使这个伟大的理论复活，就是这个小姑娘，玛丽·塔普，用当时二战期间的海底声呐测深系统数据，绘制了全球第一张海底综合地图。人们惊讶地发现，在平静的海平面下，竟然躺着全球最长的山脉——长达8万公里的洋中脊。
洋中脊的发现动摇了地质学的基础，这是哈里·赫斯1957年看到这幅地质图的时候说的一句话。他在大陆漂移学说的基础上提出了海底扩张学说：地幔从洋中脊上涌，两边对称生长，遇到海沟的时候产生俯冲作用。从此，地球不再因为海陆固定而暮气沉沉，而是因为有“生”有“死”、周而复始而变得生机勃勃。
板块构造理论改变了世界，因为它颠覆了固定论的地质思维模式，动力地球从此深入人心。它预测了地球上大部分火山、地震发生的位置，预测了地球上各种矿产资源的分布和富集状态，也揭示了板块构造对地球宜居性和生命起源的重要性。正因为如此，板块构造理论与量子力学、分子生物学和相对论一同成为20世纪自然科学的四大成就。
如今，地图与人工智能、卫星导航结合变成了智能地图。智能地图当中依然用到许多地球科学知识，比如说地球的参考系提供了空间基准的参考、地球的板块运动监控提供了监控运控点的坐标、地球重力模型参与了轨道确定的计算。今天智能地图改变了人的生活，在某个地图开放平台，每天日均位置的服务要求达到了惊人的1300亿。前段时间伊朗总统失事直升机的定位花了12个小时，如果采用北斗国际搜救服务系统，可在1秒内把失事位置定位在20米之内。
第四个故事是气候变化改变了世界经济发展的范式。
我来自广州，今年的广州的雨水比往年多很多，我深感到气候变化研究的重要性。在梳理里程碑事件的时候，我们发现了很多的案例，从中我想讲这几个人的故事。
美国气象学家爱德华·洛伦茨在1963年提出混沌理论，由此诞生了非线性科学。他由大气运动方程简化得到洛伦茨方程，得到了洛伦茨蝴蝶效应。他在报告中说过一句有名的话：一只南美洲的蝴蝶扇动翅膀，可能导致美国德克萨斯州的一场龙卷风。混沌理论的提出引发了自然科学的一场革命。在数学、物理等基础学科乃至社会科学当中，引起了非线性科学的研究热潮。
1985年，三位科学家发现南极上空的臭氧层有一个空洞，人类遭受紫外线伤害的风险激增。大气化学家保罗·克鲁岑等三人发现氟利昂是破坏地球臭氧层的原因，倡导了《蒙特利尔议定书》，呼吁减少最终全面禁止氟利昂的使用，成功地解决了南极臭氧层空洞的问题。这一事件不仅使他们三人得到了诺贝尔化学奖，而且被认为是20世纪最成功的全球环境治理案例之一。
目前人类面临全球变暖、气候变化，我们都在倡导低碳出行，绿色生活的理念，但是你知道吗？全球变暖的结论同样是通过地球科学家的研究得到的。1975年，地球化学家华莱士·布洛克在Science杂志发表全球变暖的论文，准确地预测了大气层当中二氧化碳含量升高是导致全球变暖的主因。他用到的一个重要的证据就是这条基林曲线。地球化学家基林从1958年开始，就在夏威夷岛上观测二氧化碳浓度的变化，这条曲线成为20世纪气候变化的标志图。1988年气象学家詹姆斯·汉森在美国国会听证会上发出警告之后，人类活动排放的气体导致全球变暖的问题引起了全世界的关注。
人类活动影响气候变暖的证明还来自于地球气候模拟。气候学家真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼建立了人类历史上最复杂的动力学系统——地球系统，奠定了地球气候变异和人类对其影响的认知基础，从而引领了解决复杂系统科学问题的先河，获得了2021年诺贝尔物理学奖。
气候变化研究的影响力超乎想象。1988年成立了政府间气候变化专门委员会，也就是IPCC。1992年各国签署签订了《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC）。1997年的京都议定书到2015年的巴黎协定，将全球升温的幅度限制在工业化前水平2℃。所以国际社会正以前所未有的方式，建立高级别的政治承诺和崭新的全球伙伴关系。气候变化研究引领了全球建立迈向无碳经济的目标，推进最雄心勃勃的经济转型进程，正在重构工业革命以来全球经济发展的范式。
通过以上四个改变世界的地球故事，我们能学到些什么呢？我这里总结了四点：
要始终保持好奇心，想象力、全球观以及整合力；
要重视观察和观测。我们面对着一个庞大的地球，所以像基林、塔普等人的工作，显得尤为重要；
要以相互欣赏的态度进行跨学科的交叉；
要拥抱新技术、新事物。
未来社会发展中的地学担当
地球科学还能做些什么？
如果我们把46亿年的地球历史浓缩成一天，人类出现的时间其实只有一分多钟，出现人类文明的时间就是这一天当中最后的几秒钟。
在这短短的几秒当中，人类的活动创造了辉煌，也对地球系统造成了不可逆转的改变，人口增长、环境退化、城市扩张、资源枯竭、全球变暖、灾害频发、生物多样性减少……甚至有科学家已经断言，人类可能正在经历第六次生命大灭绝。人类对生态系统的威胁是史无前例的。在这个复杂的系统下还夹杂着文明的冲突，科技打压成为常态。
未来的地球科学担当可以从两方面阐述。一方面，作为中国人我们要以科技强国为己任，维系中华文明的永续发展。另一方面，作为一个地球人，我们要践行“地球-生命命运共同体”的理念，为人类文明的发展贡献自己的智慧。
我想从四个方面展望未来的工作。
一是要敬畏自然，不断地拓展人类认知边界。整合地学的分支学科，融合其他的学科，通过打通不同时间尺度、耦合存在数量级差异的地球固体层圈和流体层圈的动力过程，发展地球系统科学，加深对全球变化背景下复杂地球系统的认识。还要发起引领国际大科学计划；深时数字地球、海洋负排放就是我国科学家在这方面的探索。
二是要服务国家意志，保障国家安全。关键矿产已经成为大国博弈的重要领域。新能源汽车、锂电池、光伏产品已经成为我们国家的外贸“新三样”，但与“新三样”相关的锂、钴、镍等9种金属的对外依存度超过50%。所以我们要关注新能源金属的成矿理论和找矿突破。
另一方面，低碳清洁能源是未来经济发展的大势，创建成氢理论、寻找天然氢气资源需要重点关注，这是实现“双碳”目标的一个重要的途径。
海洋科技的发展与大国的兴起息息相关。要着力突破海洋核心装备和关键技术瓶颈，逐步实现深海进入、深海探测、深海开发三步走的国家深海战略。
三是要提升和谐自然的能力，增进人民福祉，统筹气候变化应对生态保护与污染防治，促进人与自然一体化的健康，建设美丽中国和宜居地球。因为时间关系，我没讲水的问题，其实水是生命之源、文明之本、生产之要、生态之基，水的安全保障是未来经济社会可持续发展的一个重要方向。
我们还要增强人类文明对自然灾害的抵御能力。200年前，莱伊尔说“现在是理解过去的钥匙”，现在我们知道，只有了解过去才能预测未来。面对时有发生的滑坡、地震、火山、磁暴等自然灾害，各种早期预测、预警意义重大，复合巨灾机理与风险防控、灾害性天气的精准预报显得尤为重要。
四是要拓展人类生存空间。1957年苏联发射了第一颗人造卫星，人类进入太空，第一次居高临下地从外部来看看我们的地球。1969年阿波罗11号载人登月，人类首次到达了地球之外的天体，标志着人类从一个地球物种变成了一个跨星际的物种。我们国家从2004年开始的嫦娥揽月、天问探火等空间探索，举世瞩目，人类正在从地球摇篮出发，逐步地推动文明迈向深空。
其实在这个过程当中，地球科学家的作用也不容忽视。正是地球科学家提出，要关注月球的演化历史当中的“一老一新”问题，嫦娥5号、嫦娥6号才选择了相应的着陆区。地球科学家对嫦娥5号采回月壤研究，改写了月球岩浆活动的历史。非常令人振奋的是，6月25日下午2点07分，嫦娥6号已经胜利凯旋，给我们带回了人类第一份从月球背面采集的样品。我坚信通过详细的研究，我们一定会找到更多的重大发现。
我们对比了美国和苏联在太空竞赛当中的走向。在早期，苏联是遥遥领先的，他们发射了第一颗卫星，进行了第一次太空行走。后来美国人的阿波罗计划超过苏联，带来了三大科学发现，还带来了巨大的社会经济效益。阿波罗成功的秘诀是科学、技术、工程的融合。地球科学和行星科学问题驱动的空间探测设计，我认为非常必要。因此，地球科学在深空探测当中大有可为。
结语
我想用这张片子来结束我的发言。这是“旅行者号”从64亿公里外拍摄的照片，我们的地球就是这样一个淡蓝色的小点。在这个小点上居住了我们认识的人、我们不认识的人、我们的朋友、我们的敌人，这使得卡尔·萨根博士感慨到“我们有责任更好地相处，并要保护珍惜这个蓝色的星球”。
这是38万公里以外看到的地球，我们看到了大气、海洋、陆地、山川，在太阳系地球显得多么的与众不同。此时此刻我感到的是地球的美丽，作为地球科学研究者当中的一员，我更感到地学的美丽。
谢谢大家！
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