2013年國際地球科學(xué)前沿

1、打開全球地學(xué)研究新視野2013年國際地球科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢概覽地球科學(xué)是與自然環(huán)境演化和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)的一門歷史悠久的自然學(xué)科。地球科學(xué)自身的發(fā)展和完善不但大大提升了人類 認(rèn)識地球、利用地球和管理地球的能力，同時(shí)也為生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及全球變化研究等提供了支持。筆者基于對2013年國際 地球科學(xué)領(lǐng)域的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)和重要科技文獻(xiàn)的整理調(diào)研，對2013年國際地球科學(xué)研究發(fā)展動態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測，遴選并總結(jié)了 2013 年國際地球科學(xué)領(lǐng)域的主要科學(xué)前沿問題和科技發(fā)展態(tài)勢，以供讀者參閱。固體地球科學(xué)研究發(fā)展態(tài)勢2013年國際固體地球科學(xué)研究更趨于解決與地球演化和人類生存密切相關(guān)的重大科學(xué)問題

2、，如地球起源、板塊運(yùn)動機(jī)理、地震成因、 自然資源開發(fā)等。與此同時(shí)，一些重要的傳統(tǒng)基礎(chǔ)理論認(rèn)識受到挑戰(zhàn)。自然：地球科學(xué)雜志在2013年第1期發(fā)表特刊文章對2007 年以來地球科學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行回顧，指出當(dāng)前地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域是：氣候變化評估、人類世、大氣氧之謎、海冰大幅縮減、 大型逆沖區(qū)地震、海洋酸化、淡水循環(huán)、擁擠的太陽系、氣候敏感性。2013年1月，英國地質(zhì)調(diào)查局（BGS）、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）、 德國地球科學(xué)研究中心（GFZ）等發(fā)布報(bào)告20132033年及以后歐洲固體地球科學(xué)路線圖展望，提出未來20年歐洲固體地球科學(xué)研 究將集中在氣候變化、自然災(zāi)害與風(fēng)險(xiǎn)、資源、地球起源和地球

3、動力學(xué)等5大主題領(lǐng)域，并指出了各領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問題。地球系統(tǒng)科學(xué)研究得到加強(qiáng)2013年美國國家科學(xué)基金會（NSF）再次增加了地球系統(tǒng)科學(xué)研究方面的投入。繼2010年發(fā)起的地球系統(tǒng)動力學(xué)前沿（FESD）計(jì) 劃及2011年10月前后批準(zhǔn)的7個(gè)項(xiàng)目后，2013年9月NSF出資2800萬美元，繼續(xù)資助FESD計(jì)劃的6個(gè)新項(xiàng)目：地球系統(tǒng)的氧化動 力學(xué)，亞馬遜/安第斯森林生物多樣性形成及山脈、景觀和氣候分布的動力學(xué)，地球系統(tǒng)動力學(xué)及其在非洲人類進(jìn)化中的作用，火山、海 洋、冰川以及碳實(shí)驗(yàn)，大陸-島弧波動，南半球臭氧層空洞對氣候的影響。設(shè)立這些項(xiàng)目的最終目的是探索地球過程和系統(tǒng)之間的聯(lián)系。 隨后NSF又宣布在

4、地球系統(tǒng)動力學(xué)的重點(diǎn)發(fā)展方向一人與自然耦合研究領(lǐng)域資助21個(gè)研究項(xiàng)目，總經(jīng)費(fèi)1940萬美元，用于促進(jìn)更好 地理解自然過程和循環(huán)、人類行為和決策、以及它們?nèi)绾位ハ嘤绊懞秃螘r(shí)互相影響。地球動力學(xué)研究取得新發(fā)現(xiàn)2013年6月，地質(zhì)學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)葡萄牙海岸附近海域有一個(gè)新的俯沖帶正在形成，即歐洲大陸和美洲大陸越來越靠近，而大西洋正 在閉合。這是“大西洋板塊的被動邊緣正變得活躍”的首個(gè)證據(jù)，并預(yù)示著在伊比利亞區(qū)威爾遜循環(huán)是一個(gè)新階段的開始。9月，德國科學(xué) 家對微小地震信號進(jìn)行直接計(jì)算后，獲得了淺層地震波速結(jié)構(gòu)的詳細(xì)的近實(shí)時(shí)圖像，進(jìn)而在近地表部分識別出了 2個(gè)小的分支斷層，這 一直接觀測結(jié)果為大量發(fā)生在帕米

5、爾和天山地區(qū)的300千米深度的地震提供了解釋。12月9日，自然雜志發(fā)表題為地下火山的 文章指出：地震波研究顯示夏威夷地幔柱不同于經(jīng)典模式，呈罕見的膨脹趨勢，在地下約110千米155千米處存在一個(gè)暖池，該暖池并 非位于夏威夷主島的正下方，而是在主島西側(cè)100千米處。這一發(fā)現(xiàn)可能意味著夏威夷地幔柱受某種化學(xué)界面的影響，到達(dá)地表時(shí)地幔 柱發(fā)生轉(zhuǎn)向，或者地幔柱一開始就沿著傾斜的路徑上升?！暗蒯Ｓ稹奔僬f受到質(zhì)疑板塊構(gòu)造理論從根本上改變了人們對地球內(nèi)部運(yùn)動的認(rèn)識，但是，對板塊內(nèi)部及板塊分離邊界處的隆起或海山的形成，并沒有合理 統(tǒng)一的解釋。20世紀(jì)70年代，J Morgan提出了“地幔羽”假說，認(rèn)為發(fā)起于殼

6、幔邊界的溫度的局部異常所導(dǎo)致的大規(guī)模巖漿涌出地表，形 成了代表較厚地殼或洋殼的隆起或海山。2013年，同濟(jì)大學(xué)周懷陽與美國伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）的Henry J B Dick在自然雜 志撰文指出，西南印度洋馬里安隆起（Marion Rise）有約3200平方千米的區(qū)域幾乎完全缺失洋殼，地幔直接出露于地表，而原“地幔羽” 假說對此無法解釋。他們認(rèn)為，地幔的成分異常很可能才是控制洋中脊深度變化的主因。英國劍橋大學(xué)教授Maclennan在評論文章中認(rèn) 為，如果這一對印度洋洋中脊的地質(zhì)觀測是正確的話，將對人類深入理解地幔具有重要意義。資源科技研究發(fā)展態(tài)勢2013年10月31日，國際重要石油與能

7、源新聞專業(yè)網(wǎng)站“oilprice”的資深編輯James Stafford發(fā)表全球油氣工業(yè)未來趨勢分析文章， 指出未來全球油氣工業(yè)出現(xiàn)5大趨勢：海底油氣作業(yè)系統(tǒng)將成為研發(fā)重點(diǎn)；三次采油技術(shù)（CO2-EOR技術(shù)）將得到廣泛應(yīng)用；超級計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)將成為未來油氣勘探所必需的設(shè)施；液化天然氣相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施投資規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大；頁巖油氣革命將徹底改變?nèi)蛴蜌夤?yīng)格局。全球?qū)搸r氣認(rèn)識更趨理性以頁巖氣為代表的非常規(guī)油氣勘探開發(fā)依然是2013年全球關(guān)注的熱點(diǎn)，但與2012年相比各主要機(jī)構(gòu)對這一事件的認(rèn)識更趨理性。2 月，普華永道公司（PWC）發(fā)布報(bào)告頁巖油一新的能源革命，該報(bào)告指出未來20年全球頁巖油產(chǎn)量將強(qiáng)勁增長

8、，預(yù)計(jì)2035年頁 巖油產(chǎn)量將占到全球原油供應(yīng)總量的12%，同時(shí)頁巖油供應(yīng)的大幅增加可能導(dǎo)致油價(jià)下跌40%。5月14日，國際能源署（IEA）發(fā)布2013 年度中期石油市場報(bào)告，指出北美地區(qū)以非常規(guī)石油為主的原油產(chǎn)量的大幅上升給全球供應(yīng)鏈帶來沖擊，這將成為未來5年市場的 變革性力量。8月，美國研究理事會（NRC）發(fā)布能源技術(shù)誘發(fā)地震的可能性報(bào)告，認(rèn)為：水力壓裂及目前采用的頁巖氣開采技術(shù)不 會誘發(fā)高風(fēng)險(xiǎn)的可感知地震；廢水注入地下會造成一定風(fēng)險(xiǎn)，但有文獻(xiàn)記錄的地震只占很少一部分。11月7日美國布魯金斯學(xué)會在其網(wǎng) 站發(fā)文指出，美國頁巖能源革命將可能對中國產(chǎn)生5個(gè)方面的重大影響：頁巖能源革命輸出到中國；

9、為中國國有石油公司海外收購創(chuàng)造 機(jī)遇；制約中國石油公司在伊朗的經(jīng)營活動；為中國在中俄天然氣管道談判帶來了更大優(yōu)勢；有利于中國加大波斯灣石油進(jìn)口。11月15 日法國科學(xué)院發(fā)布關(guān)于頁巖氣開發(fā)的建議對歐洲頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀和前景進(jìn)行了評估，并就解決頁巖氣開發(fā)面臨的技術(shù)和環(huán)境等問題 提出9點(diǎn)建議。全球礦產(chǎn)勘探投資持續(xù)增加全球礦產(chǎn)勘探投資持續(xù)增加，深部、深海和隱伏礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)得到重視。2013年3月，金屬經(jīng)濟(jì)集團(tuán)（MEG）發(fā)布2013年全 球勘探趨勢深入分析了 2012年全球非鐵礦產(chǎn)的勘探情況，并簡要分析了 2013年的發(fā)展形勢。2012年全球勘探總支出達(dá)到215億美元， 主要投資在開發(fā)程度較高的項(xiàng)目上

10、。MEG預(yù)計(jì)，2013年的勘探預(yù)算達(dá)到與2012年相當(dāng)?shù)乃?，但在新區(qū)勘探投資可能會低于2012年， 這將導(dǎo)致全球非鐵礦產(chǎn)勘探水平的小幅下滑。5月，加拿大政府宣布投資5100萬美元資助新的“足跡項(xiàng)目”（Footprints Project）合作項(xiàng)目 用于采礦業(yè)的研究和創(chuàng)新。在澳大利亞公布的20132014年財(cái)政預(yù)算中為地球科學(xué)領(lǐng)域額外提供3400萬美元的資金支持，以幫助確保澳 大利亞未來的能源和礦產(chǎn)資源需求。8月，挪威貿(mào)易與工業(yè)部（NMTI）發(fā)布了挪威礦業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，提出了挪威礦業(yè)的幾個(gè)戰(zhàn)略優(yōu)先 領(lǐng)域，包括海底礦產(chǎn)資源等。10月21日，挪威科技大學(xué)（NTNU）、挪威國家石油公司Statoil和礦

11、業(yè)公司Nordic Mining正在合作開展 研究項(xiàng)目，繪制沿大西洋中脊的海洋礦產(chǎn)資源地圖。此外，國際上一些企業(yè)深海采礦計(jì)劃正在或已經(jīng)付諸行動，深海采礦產(chǎn)業(yè)端倪顯現(xiàn)。淡水資源研究取得突破2013年12月4日，自然期刊在線發(fā)表了題為作為一種全球現(xiàn)象一近海岸蘊(yùn)藏著地下淡水的文章，澳大利亞等國科學(xué)家研 究發(fā)現(xiàn)在澳大利亞、印度尼西亞雅加達(dá)、美國新澤西州和佛羅里達(dá)州、中國東海、北美蘇里南（Suriname）、南非布雷達(dá)斯多普盆地 （Bredasdorp Basin）、格陵蘭島等附近大陸架海床下儲存著低礦化度的地下水，總量估計(jì)達(dá)到50萬立方米。這一發(fā)現(xiàn)意味著人類在緩解 干旱和陸地水資源短缺影響方面有更多的

12、選項(xiàng)可供考慮。海洋科技研究發(fā)展態(tài)勢海洋酸化研究得到重視2013年6月，北極委員會發(fā)布報(bào)告對北極地區(qū)的海洋酸化現(xiàn)狀進(jìn)行了概述。11月，美國伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）等機(jī)構(gòu)聯(lián)合 發(fā)布了海洋酸化的20個(gè)事實(shí)報(bào)告，歸納出海洋酸化問題被科學(xué)界廣泛接收的20個(gè)事實(shí)。同月，IGBP等發(fā)布報(bào)告，對海洋酸化相關(guān) 問題的置信級別進(jìn)行了分類，將海洋酸化問題的判斷分為非常可信、高可信、中度可信和低可信4個(gè)級別。美國開始重點(diǎn)關(guān)注北極海冰融化2013年2月，美國北極研究政策聯(lián)合委員會（IARPC）確定了 20132017年北極研究5年計(jì)劃。重點(diǎn)資助的7個(gè)研究領(lǐng)域。8月， 美國國會研究部（CRS）發(fā)布了題為北極的變化：

13、服務(wù)于國會的背景與問題，對北極海冰融化帶來的主權(quán)、航道、資源、生態(tài)等問 題進(jìn)行了分析。9月24日，美國NOAA宣布了其新的五年研究和發(fā)展計(jì)劃20132017，將工商業(yè)對北極的影響和北極生態(tài)系統(tǒng)特征 研究作為未來研究重點(diǎn)之一。北極海冰融化趨勢已漸趨清楚，以美國為首的相關(guān)國家正著手應(yīng)對海冰融化后的新形勢，北極資源和航道 既是北極地區(qū)最重要的戰(zhàn)略資源，也是北極地區(qū)問題的焦點(diǎn)。日本加強(qiáng)海洋資源勘探開發(fā)2013年4月，日本內(nèi)閣正式通過了海洋基本計(jì)劃（20132017）決議。制定了未來5年的新舉措，其中值得關(guān)注的資源開發(fā)措施 有：2018年，完善可燃冰商業(yè)化開采技術(shù)；20232028年逐步扶持私營企業(yè)參與

14、海底熱液礦床商業(yè)化項(xiàng)目中；對錳結(jié)核與富鉆結(jié)殼的資 源量與生產(chǎn)技術(shù)開展調(diào)查研究。3月12日，日本宣布成功從愛知縣附近深海可燃冰層中分離出甲烷，成為世界上首個(gè)掌握了海底可燃冰 采掘技術(shù)的國家。研究平臺基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)態(tài)勢地學(xué)研究平臺基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到加強(qiáng)，重點(diǎn)建設(shè)海底觀測、碳觀測、生態(tài)系統(tǒng)觀測、數(shù)值模擬和基礎(chǔ)研究設(shè)施，逐步實(shí)現(xiàn)了觀測、 探測和模擬相互補(bǔ)充的地球系統(tǒng)與環(huán)境科學(xué)研究體系。2013年1月，英國多家研究機(jī)構(gòu)發(fā)布的20132033年歐洲固體地球科學(xué)路線圖展望咨詢建議報(bào)告指出歐洲固體地球科學(xué)未來20 年急需的基礎(chǔ)設(shè)施包括：多參數(shù)觀測和研究中心（鏈接地球物理、地球化學(xué)、水文、氣象、環(huán)境參數(shù)等），可以提

15、供永久性綜合監(jiān)控超 級站點(diǎn)；多參數(shù)設(shè)備工具，以提高特定區(qū)域的分辨率；大型野外實(shí)驗(yàn)移動設(shè)備；用于地球科學(xué)監(jiān)測的衛(wèi)星飛行任務(wù)；用于海底、斷裂帶、 冰下的鉆井設(shè)備；鉆孔觀測網(wǎng)絡(luò)；海底電纜網(wǎng)絡(luò)；已有的冰芯和沉積物數(shù)據(jù)與海洋和大陸基礎(chǔ)設(shè)施鏈接設(shè)備等。2013年10月，荷蘭皇家氣象研究所（KNMI）基于歐洲板塊觀測系統(tǒng)（EPOS）、加強(qiáng)美國和歐盟環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施研究領(lǐng)域之間的合 作（COOPEUS）、歐洲地震風(fēng)險(xiǎn)評估和減災(zāi)基礎(chǔ)設(shè)施研究網(wǎng)（NERA）和歐洲地震學(xué)觀測和研究設(shè)施（ORFEUS）項(xiàng)目的研討會，發(fā)布 了題為歐洲地球科學(xué)路線圖：下一代地球物理研究的基礎(chǔ)設(shè)施的報(bào)告，提出集成核心服務(wù)（ICS）為正在開發(fā)的技術(shù)發(fā)展規(guī)劃提供多 學(xué)科服務(wù)，將覆蓋固體地球科學(xué)領(lǐng)域，重點(diǎn)為應(yīng)用于地球過程的地震學(xué)、火山學(xué)、地質(zhì)學(xué)、大地測量學(xué)和地磁學(xué)，科學(xué)數(shù)據(jù)管理（如EPOS 和 EarthCube 戰(zhàn)略）。大數(shù)據(jù)研究計(jì)劃不斷推出，支撐地球科學(xué)與資源可持續(xù)發(fā)展的需求。繼2012年3月宣布正式啟動“地球立方體”計(jì)劃之