地大熱能地?zé)?網(wǎng)訊：地球科學(xué)12個(gè)核心問題凸顯地?zé)嵫芯?/a>重要性

1. 地球內(nèi)部磁場是如何產(chǎn)生的？

在地質(zhì)時(shí)間長河中，是什么驅(qū)動(dòng)著“地球發(fā)電機(jī)”？又是什么控制著“地球發(fā)電機(jī)”的變化速度？尋找這類問題的答案對(duì)于認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部與大氣圈的相互作用具有重要意義。從地?zé)?/a>學(xué)的角度，“地球發(fā)電機(jī)”運(yùn)轉(zhuǎn)的前提是地核溫度隨深度（壓力）的變化曲線至少兩度跨越地核物質(zhì)的液相線，從而形成能夠發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的固相和液相圈層。

2.板塊構(gòu)造是在什么時(shí)候發(fā)生、為什么發(fā)生和怎么發(fā)生的？

目前地學(xué)界仍然缺乏對(duì)于“為什么只有地球有、而其他星球沒有板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)”以及“地球板塊運(yùn)動(dòng)在地質(zhì)歷史時(shí)期的變化”等問題的全面認(rèn)識(shí)。從地?zé)?/a>學(xué)的角度，地殼和上地幔溫度的時(shí)空變化決定了巖石圈的厚度和軟流圈的流變特性，認(rèn)識(shí)地球熱演化歷史是認(rèn)識(shí)地球板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)演化的一塊基石。

3. 關(guān)鍵元素在地球上是如何分布和循環(huán)的？

關(guān)鍵元素指的是造就生物生存環(huán)境、地球深部氧化還原環(huán)境、地質(zhì)過程示蹤和人類現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)、醫(yī)藥、軍事和先進(jìn)制造等所需要的化學(xué)元素。目前人們對(duì)于這些元素在不同時(shí)空尺度上的遷移規(guī)律仍然存在許多重要疑問。從地?zé)?/a>學(xué)的角度，一方面任何元素的富集與遷移都離不開其特定的溫度環(huán)境；另一方面，關(guān)鍵元素鈾和鉀放射性同位素的衰變是地球內(nèi)熱的重要來源，同時(shí)也是構(gòu)造熱運(yùn)動(dòng)的重要示蹤元素。

4. 地震究竟是怎么回事？

地球內(nèi)部既可能發(fā)生極其緩慢的塑性變形，也可能發(fā)生非?？焖俚谋l(fā)式脆性變化，使得地球科學(xué)家不能不重新思考地震的本質(zhì)究竟是什么。從地?zé)?/a>學(xué)的角度，地震和大地熱流是地球內(nèi)部能量聚集與耗散在時(shí)空域上的兩個(gè)端元，地震是間歇性、突發(fā)性和局部性的能量轉(zhuǎn)換事件；而大地熱流則是連續(xù)性、普遍性的能量平穩(wěn)傳輸過程，兩者存在內(nèi)在聯(lián)系。不僅如此，發(fā)震地質(zhì)體的溫度環(huán)境決定了地震的級(jí)別和地震波的傳播速度。

5.是什么驅(qū)動(dòng)火山活動(dòng)？

火山活動(dòng)既牽動(dòng)地球系統(tǒng)多個(gè)組成部分，又對(duì)人類社會(huì)活動(dòng)具有多方面的影響，因此迫切需要研究各個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期巖漿的生成、上升和噴發(fā)機(jī)制。從地?zé)釋W(xué)的角度，火山爆發(fā)是地球內(nèi)熱最強(qiáng)烈的地表顯示。地殼和上地幔物質(zhì)在特定的溫度和壓力條件下發(fā)生熔融、分異、遷移、滯留、噴發(fā)和冷卻的過程，一方面受控于的所在區(qū)域的構(gòu)造熱背景，另一方面又必然對(duì)其周邊的地溫環(huán)境產(chǎn)生深刻的影響。

6.發(fā)生地形變化的原因和后果是什么？

地形變化與氣候變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沉積剝蝕等過程密切相關(guān)，定量測量從地質(zhì)時(shí)間尺度到人類時(shí)間尺度不同時(shí)期地形變化的技術(shù)進(jìn)步，使研究地球深部過程、地表過程和人類社會(huì)發(fā)展之間的關(guān)系成為可能。從地?zé)釋W(xué)的角度，低溫年代學(xué)方法（也稱古地溫方法）就是在過去二三十年迅速發(fā)展的一種研究地質(zhì)歷史時(shí)期構(gòu)造變形、地表侵蝕和地形地貌演化等地表過程的地?zé)釋W(xué)方法，已經(jīng)在造山過程、盆地演化、油氣資源、地質(zhì)災(zāi)害防治和氣候變化等研究領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

7.關(guān)鍵帶如何影響氣候？

關(guān)鍵帶指的是包括植被、土壤和基巖直至地下水循環(huán)系統(tǒng)底界的大陸地殼頂層。關(guān)鍵帶的屬性影響著陸地與大氣圈之間各種物質(zhì)與能量的交換過程。過去人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到氣候變化對(duì)關(guān)鍵帶有著重要影響，目前越來越多的科學(xué)家開始意識(shí)到，關(guān)鍵帶對(duì)氣候變化也有重要的反饋?zhàn)饔谩牡責(zé)釋W(xué)的角度，地-氣熱耦合是陸地與大氣圈之間相互作用的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，淺層地溫變化能夠影響大氣熱動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，從而對(duì)各種尺度的氣候變化產(chǎn)生重要影響，青藏高原淺層地溫場對(duì)東亞季風(fēng)的控制就是一個(gè)實(shí)例。

8.地球的過去可以用來揭示氣候系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的什么奧秘？

地球已經(jīng)進(jìn)入人類世。人類只用了幾百年時(shí)間就把自然界用數(shù)千萬年到數(shù)億年時(shí)間封存到地下化石能源中的大量的碳釋放到了大氣圈，這必然會(huì)引起氣候變化。我們需要從各種古氣候紀(jì)錄中解讀長期和突發(fā)性氣候變化，從中尋找認(rèn)識(shí)氣候變化驅(qū)動(dòng)力、反饋、響應(yīng)和閾值的線索，以預(yù)測氣候變化的趨勢(shì)。從地?zé)釋W(xué)的角度，地面溫度是地溫場的重要邊界條件，地面溫度隨時(shí)間變化所產(chǎn)生的熱擾動(dòng)會(huì)向下傳播并被記錄在地下。通過對(duì)鉆孔溫度隨深度的變化的分析，可以獲取地面溫度隨時(shí)間變化的信息，進(jìn)而研究古氣候變化的歷史和可能的原因。

9.地球的水循環(huán)為什么正在發(fā)生變化？

水是地球上的一切生命之源，要認(rèn)識(shí)現(xiàn)在和將來水循環(huán)的變化，就必須認(rèn)識(shí)陸地水循環(huán)系統(tǒng)與氣候變化和人類活動(dòng)等諸多過程的相互作用。從地?zé)釋W(xué)的角度，在全球和區(qū)域尺度上，水循環(huán)是“水圈—大氣圈—巖石圈”熱交換和熱耦合的重要過程，其中陸地淺層地溫場的變化是驅(qū)動(dòng)季風(fēng)和水循環(huán)的重要?jiǎng)恿?。此外，?a href="http://www.622810.cn/t/地下水.html" >地下水研究中，鉆孔地溫?cái)?shù)據(jù)分析是識(shí)別地下水上升流（排泄區(qū)）和下降流（補(bǔ)給區(qū)）的有效方法。

10.生物地球化學(xué)循環(huán)是如何演化的？

生物圈是經(jīng)過數(shù)十億年演化而來的，在其演化過程中與地球表層發(fā)生著無休止的生物化學(xué)作用。生物圈通過光合作用和在微生物催化下的風(fēng)化和礦物合成作用等過程實(shí)現(xiàn)碳、氧、氮、硫等元素的循環(huán)，從而影響地球表層的化學(xué)和礦物多樣性。為了量化生物過程在各個(gè)時(shí)間尺度上對(duì)巖石和礦物形成、風(fēng)化和碳循環(huán)的影響，必須深化對(duì)于生物化學(xué)循環(huán)的認(rèn)識(shí)。從地?zé)釋W(xué)的角度，無論是生物的生存繁衍，還是巖石礦物的形成與風(fēng)化分解，溫度都是一個(gè)重要的控制因素，因此，地?zé)嵫芯?/a>對(duì)于生物地球化學(xué)循環(huán)研究具有重要意義。

11.地質(zhì)過程如何影響生物多樣性？

生物多樣性是地球最耀眼、最基本的特征之一，也是最令人費(fèi)解的問題之一。比如，物種滅絕這樣的重大事件是如何發(fā)生的？為何會(huì)發(fā)生？生物多樣性隨著時(shí)間、環(huán)境和地理?xiàng)l件是如何變化的？為什么發(fā)生變化？從地?zé)釋W(xué)的角度，合適的地球淺層溫度環(huán)境是維系生物鏈的基本條件之一，因而地溫的變化必然影響生物種群的興衰。由于地殼和地幔導(dǎo)熱能力的差異而造成地球內(nèi)部熱量不能順暢散發(fā)而發(fā)生局部囤積與爆發(fā)式釋放，從而引發(fā)地震和火山爆發(fā)等重大地質(zhì)事件，更可能引起生物多樣性的突變。

12.如何通過地球科學(xué)研究來降低地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)和損失？

地質(zhì)災(zāi)害每年都給人類造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，但目前人們對(duì)地震、海嘯、火山、滑坡和洪水等重大地質(zhì)災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展過程的認(rèn)識(shí)，還遠(yuǎn)沒到達(dá)定量化和可預(yù)測的水平。從地?zé)釋W(xué)的角度，地?zé)嵫芯?/a>至少對(duì)于地震和火山活動(dòng)的成因機(jī)理的認(rèn)識(shí)是不可或缺的，地溫測量更是地震和火山活動(dòng)的重要監(jiān)測項(xiàng)目和短期預(yù)報(bào)的重要依據(jù)。

雖然以上解讀是簡略和示意性的，但已經(jīng)足以看出地?zé)嵫芯?/a>在整體地球科學(xué)研究中的重要性。地?zé)釋W(xué)理論和地球內(nèi)部熱模型的發(fā)展，不僅對(duì)地球科學(xué)諸多研究領(lǐng)域的發(fā)展具有促進(jìn)作用，而且具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

在科技部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國科學(xué)院等部門制定的“十四五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃中，適當(dāng)加大對(duì)地?zé)峄A(chǔ)研究的資助力度，組織實(shí)施具有基礎(chǔ)性和引領(lǐng)作用的國家級(jí)地?zé)峄A(chǔ)研究重大項(xiàng)目，同時(shí)鼓勵(lì)在其他地球?qū)W科重大科研項(xiàng)目中增設(shè)地?zé)嵴n題，促進(jìn)地?zé)釋W(xué)研究與其他學(xué)科領(lǐng)域研究相輔相成，特別是要加快地?zé)嵫芯款I(lǐng)域的人才培養(yǎng)。