重磅发布！2017年国际地球科学领域发展态势概览
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编者按：地球科学是一门历史悠久的自然学科，其在人类认识、利用和管理地球过程发挥着重要作用。本文主要基于对2017年国际地球科学领域的重要科学战略规划、重要科技进展和重要科技文献等反映的科学研究发展动态的系统监测和整理（参见《科学研究动态监测快报——地球科学专辑》2017年1-24期），遴选并总结了2017年国际地球科学领域的主要科学前沿问题及发展态势，以供读者参阅。
1 固体地球科学发展态势
1.1地球深部物质组成研究取得突破
地表以下特别是地幔中的碳含量问题是近年来研究界争论的焦点。美国马里兰大学等机构的研究人员基于对大西洋洋脊玄武岩包裹体样品的分析，发现地幔深部碳含量具有明显的非均性，且与地幔深度关系密切。在法国巴黎举行的2017年哥德施密特国际地球化学大会上，巴黎地球物理研究所研究人员宣布了其突破性研究成果，通过对新的地球化学证据的分析表明，地球深处地核中存在大量的Zn元素，这一认识对传统的地球形成理论形成了巨大挑战。
1.2 地幔对流研究打破传统认识
英国莱斯特大学联合中国地质大学（北京）等机构的科学家合作研究发现，地幔内部存在两个相互独立的循环区（一个位于太平洋之下，另一个与之完全没有联系），地幔物质只能在循环区内部对流而不会发生混合，这一结论推翻了有关地球内部地幔对流、搅动及其划分的传统认识。美国亚利桑那州立大学联合中国地质大学（武汉）等机构基于对代表地幔成分的布氏岩（Bridgegmanite）的实验研究提出造成地幔中部（地下1000~1500km区间）对流减缓的机制在于该层段温压下地幔物质中铁元素减少所导致的黏度增大。
1.3 地球板块构造研究获得重要发现
数十年来，大多科学家认为地球板块构造运动主要是受地球内部冷却所产生的负浮力驱动的，但由美国芝加哥大学联合加拿大蒙特利尔大学等机构的地球物理学家开展的一项基于对东太平洋隆起的观测和模拟分析发现，地核内部热量带来的额外作用力可能是板块运动的主要驱动力。该研究还对水下山脉（洋中脊）是运动板块之间的被动边缘这一传统认识提出了挑战。美国伍兹霍尔海洋研究所联合德国法兰克福大学合作研究发现在与地幔物质发生混合之前，板片的顶部就已经存在杂岩，而不是学界一直认为的熔岩形成始于来自俯冲板块或板片的流体熔合，并推测指出杂岩熔化是板片与地幔相互作用的主要驱动力。
1.4 地震监测、风险分析和态势感知将获进一步发展
2017年5月，美国地质调查局（USGS）发布报告《ANSS：现状、发展机遇与2017—2027年优先方向》，总结了美国国家地震监测台网系统（ANSS）的现状，近16年取得的进展，并展望未来）发展机遇和提出2017—2027年的优先方向。6月，USGS发布《减少构造板块碰撞处的风险——一项推进俯冲带科学的计划》报告，提出从俯冲带过程观测和模拟、自然灾害和风险的量化分析、预报和态势感知三方面来认识俯冲带灾害的现有差距，并通过行动和产品来建设更具弹性的未来。
2 资源科技发展态势
2.1传统矿业国家继续推进矿产资源勘探开发
2017年7月，澳大利亚地球科学局发布《2017利亚地球科年国家矿产资源勘查战略》，提出通过挖掘澳大利亚隐藏的矿产资源打造可持续的经济未来，同时制定了相应的行动计划。加拿大勘探开发者协会（PDAC）发布报告建议该国2017年财政预算对矿产行业维持流通融资、续签一年税收抵免、支持在偏远地区和北部地区矿产勘查。
2.2 矿产资源综合利用取得新进展
2017年2月，美国斯坦福大学等机构的科研团队在Nature Energy发表文章公布已开发出一种基于半波整流交流电从海水中高效提取铀的电化学方法，其较之传统的物理化学吸附法，提取能力提升了8倍，速度则提升了3倍。尽管试验取得了成功，但该技术距离大规模应用还有很长的路要走。2017年9月，美国能源部公布了9个新的稀土元素技术研发项目，旨在改进从煤炭及煤炭副产品中提取、分离和回收稀土元素的方法。
2.3 海洋天然气水合物试采实现突破
继页岩油气开发技术突破和在北美实现商业开发后，海域天然气水合物（可燃冰）试采得到多国重视。2017年5月，美国在墨西哥湾深水区开展可燃冰开采研究。2017年上半年，中国和日本分别在中国南海北部神狐海域和日本南海海槽进行了海域可燃冰试采试验，其中在南海的可燃冰试采成功标志着我国成为全球首个实现在海域可燃冰试采中获得连续稳定产气的国家。2017年12月，《推进南海神狐海域天然气水合物勘查开采先导试验区建设战略合作协议》的签署，预示中国正式推进南海可燃冰产业化。
3 大气与海洋科学发展态势
3.1 天气预报系统模型得到改进
2017年1月，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）哥白尼大气监测服务（CAMS）项目升级了全球预报系统，增加了气溶胶和臭氧观测等新的卫星数据集，升级的系统有助于更好地预测大气中灰尘、硫酸盐和生物质燃烧颗粒的量。11月，ECMWF提出开发新的四维变分同化（4D-Var）框架，通过考虑观测数据的质量与结构、预报模式的动力学与物理学，在空间和时间上调整背景场获得与气象观测更接近的初始场，以此来提升其综合预报系统的天气预测水平。此外，加拿大模块化天线雷达设计公司等机构合作开发出新的龙卷风预测方法，利用风廓线雷达探测特定的龙卷风特征，使雷达探测龙卷风的成功率达到90%，预警时间提前20分钟。
3.2 极地气候预测成为研究焦点
2017年5月，世界气象组织（WMO）启动极地预测年（YOPP）计划的主体工作，持续时间为2017年中期到2019年中期，各国科学家和业务预测中心将共同观测和模拟并改进北极与南极的天气和气候系统预报，通过协调密集观测、模拟、检验、用户参与和教育活动，显著提升极地地区的环境预测能力。此前，欧盟已正式启动“极地地区先进预测：模拟、观测系统设计和北极气候变化联系”（APPLICATE）项目 ，以便提升天气和气候预测水平来应对快速变化的北极气候。
3.3 海水升温和海洋酸化的影响研究受到高度关注
受全球气候变化的影响，海水升温和海洋酸化已成为当今不争的事实，使得多数海洋物种（特别是甲壳类）面临威胁、珊瑚礁生态系统受到破坏、并可能引发整个海洋生态结构发生调整。2017年4月，澳大利亚气候委员会发布《气候变化：对珊瑚礁造成致命威胁》报告指出，全球海洋表面温度上升造成大范围的珊瑚礁白化事件使旅游业和经济面临风险，未来因珊瑚礁白化造成的经济损失可能会达到1万亿澳元。2016年底美国白宫科技政策办公室（OSTP）围绕《美国联邦海洋酸化研究和监测战略计划》所确定的海洋酸化响应认识、海洋化学和生物影响监测、建模、技术开发和测量标准化、社会经济影响和开发战略评估、教育和服务、数据管理和集成等7个海洋酸化研究主题对美国主要联邦机构的海洋酸化研究举措进行了评估。
3.4 深海热液研究取得突破
2017年7月，美国蒙特利湾海洋研究所联合加拿大维多利亚大学等机构在美国加利福尼亚南部港湾发现了两个截然不同的深海热液喷口，尽管二者相对靠近，但却生活着不同的动物群落，该发现与相邻热液喷口存在共同的动物群落这一科学假设相矛盾；进一步研究揭示区域地质学特征和喷口排放液体的化学成分是影响喷口周围动物群落的重要因素。4月，日本海洋科学技术中心（JAMSTEC）研究人员基于对冲绳海槽的深海热液喷出区域的电化学测定，发现海底有自然发电现象，深海热液喷口区是一个巨大的“天然燃料电池”，该发现为科研人员在深海寻找利用电能的微生物生态系统提供了线索。
3.5 海洋新技术研发和应用取得进步
2017年5月，美国迈阿密大学海洋与大气科学学院（RSMAS）研究人员宣布开发出了一种可用来监测海洋漏油和海洋碎片运移情况的新工具，其包含一个专门的摄像机，可以远程监控水柱上水流的变化，有助于科学家更准确地预测海洋漏油或其他海洋污染物在海洋表层的运移情况，对救灾援助意义重大。同月，德国地球科学研究中心（GFZ）科学家宣布利用电磁信号开发出一种监测海洋内部温度变化的方法，可用于追踪海洋温度变化。6月，英国南安普顿大学的研究人员首次采用深潜机器人潜水器捕捉到了地球上最冷深海海域——南极底水的温度、流速等数据。11月，英国国家海洋学中心（NOC）主导研发出一种新型的CO2探测装置，可在极端环境下工作，为研究碳和海洋环境提供帮助。
4 研究基础平台设施建设
4.1 多国布局地球科学基础设施建设
2017年1月，澳大利亚政府宣布启动国家定位系统研发计划，旨在升级国家定位基础设施，建设最新的星基增强系统（SBAS）测试平台，推动先进定位技术的应用。9月，世界气象组织宣布启动世界首个全球水文状态监测与预测系统建设计划，旨在弥补全球性的水文监测、模拟及报告系统的空缺，为全球有效应对洪水与干旱灾害提供支持。
4.2 全球卫星大气监测体系进一步完善
2017年10月，欧洲航天局（ESA）成功发射哥白尼计划首颗全球大气质量监测卫星“哨兵5”先导卫星Sentinel-5P，用于填补欧洲环境卫星Envisat的监测空白，并作为极地轨道气象卫星MetOp监测任务的重要补充。11月，美国发射联合极轨卫星系统-1（JPSS-1，随后被重命名为NOAA-20），提升美国对包括飓风在内的极端天气事件的预测与预报能力。
中国科学院兰州文献情报中心 战略情报研究部
郑军卫 赵纪东 张树良 王金平 安培浚 刘学 王立伟 刘文浩 刘燕飞 供稿
来源：中国科学院兰州文献情报中心 《地球科学动态快报》2018-05期
插图来自百度图片
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指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129）