地球科学十一五发展战略文档格式.docx

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它以地球系统及其组成部分为研究对象，探究发生在其中的各种现象、过程及过程之间相互作用机理、变化及其因果关系等，以提高对地球的认识水平，并利用获取的知识为解决人类生存与可持续发展中的资源供给、环境保护、减轻灾害等重大问题提供科学依据与技术支撑。

人类对地球奥秘的探索精神，社会经济发展对资源利用、以及生活质量的提高对环境保护和自然灾害防治的日益增长的巨大需求，始终是地球科学发展的驱动力。

1.2指导思想与基本思路

制定地球科学“十一五”发展战略的指导思想是：

坚持以邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，全面落实科学发展观，准确把握战略定位，支持基础研究，坚持自由探索，发挥导向作用；

坚持“尊重科学，发扬民主，提倡竞争，促进合作，激励创新，引领未来”的战略方针，尊重科学发展规律，重视科学的长远价值，把握好点和面的辩证关系，在提高整体水平的同时，力争在若干领域与发达国家并驾齐驱；

以《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》为指导，坚持稳定支持和超前部署相结合，坚持科学推动和需求牵引相结合，以科学问题为导向，鼓励学科交叉，努力推进地球科学理论创新。

地球科学“十一五”发展战略的基本思路是：

在研究地球科学发展的趋势和特点、我国地球科学研究的现状、分析发展机遇的基础上，明确地球科学学科发展战略，凝练引领未来发展的优先研究领域和重要研究方向。

2．地球科学的发展态势与特点

2.1地球科学的发展态势与机遇

2.1.1当代地球科学发展处于重大战略转变时期

回顾地球科学的发展历程，不难发现，地球科学经历了两个重要的发展阶段。

20世纪初地球科学是一门定性描述地球现象的科学。

第一个发展阶段，大约从20世纪30年代开始，由于数、理、化等基础科学的发展以及声、光、电探测技术在地球科学中的应用，使得长期注重定性的、宏观整体的地球科学走向更加关注定量的分支学科的发展，并诞生了一批冠以数学、物理、化学名称的分支学科，如地球物理、地质力学、地球化学、大气物理学、数值天气预报、大气化学、物理海洋学、海洋化学等，做出了一批具有里程碑意义的工作，如：

1915年提出大陆漂移假说，1920年创立米兰柯维奇冰期间冰期旋回理论，1948年开始进行数值天气预报，1957年国际地球物理年和空间时代的开始，1960年首次获得地球的卫星影象图，板块构造理论得到公认，1971年确认地月系统年龄为45亿年，1977年在海底扩张中心发现厌养生物，70年代发现“臭氧洞”，并确认催化循环可导致平流层臭氧破坏等等。

其中，板块构造理论被认为是20世纪最伟大的科学成就之一，其意义可以与量子力学相提并论。

第二个发展阶段，大约从20世纪80年代开始，由于全球性环境问题的挑战，人类对地观测能力（全球立体观测网络的建立）、地球深部探测能力和海洋观测能力的提高，计算机技术的发展及其对全球海量信息的处理和传递能力的提高，以及系统科学、非线性科学、复杂性科学的创建和发展，导致了一门以全球环境变化、特别是以人类诱发的全球变化为研究对象，描述和理解地球系统整体行为、相互作用的物理、化学和生物过程的集成研究方法—-地球系统科学，催生了一批引领地球科学向着更高层次、定量的整体地球科学（即现代地球科学）方向发展的重大国际科学计划，如国际地圈生物圈计划（IGBP）、世界气候研究计划（WCRP）、全球变化的人文因素（IHDP）、生物多样性计划（DIVERSITAS）等等。

地球作为“整体”、“系统”的概念得到极大的增强，现代地球科学的各分支学科以前所未有的速度向前推进，各分支学科的交

国际地圈生物圈计划Ⅱ（IGBPⅡ）

由国际地科联理事会（ICSU）发起的“国际地圈生物圈计划：

全球变化研究”（IGBP）从2003年开始进入第二个10年研究阶段，其研究的重点为全球生物地球化学。

在第一个10年研究阶段，IGBP有11个核心项目。

这11个核心项目是：

全球变化与陆地生态系统（GCTE）、水循环的生物圈方面（BAHC）、全球大洋通量联合研究（JGOFS）、海岸带陆海相互作用（LOICZ）、过去全球变化研究（PAGES）、国际全球大气化学（IGAC）、全球海洋生态系统动力学（GLOBEC）、土地利用与土地覆盖变化（LUCC）、全球分析解释与建模（GAIM）、IGBP的数据与信息系统（IGBP-DIS）和全球变化的分析研究和培训系统（START）。

为了迎接更加综合的“地球系统科学”的挑战，IGBPⅡ的计划结构由原来的11个核心项目发展为由6个核心项目和2个集成研究项目组成的新的框架结构。

IGBPⅡ的6个核心项目集中在研究地球系统的3个组成部分——海洋、陆地和大气以及它们之间的界面。

6个核心项目是IGACⅡ，GLP（全球陆地项目），由GLOBEC&

IMBER（综合海洋生物地球化学与生态系统研究）合作实施的海洋项目，LOICZⅡ，ILEAPS（综合陆地生态系统与大气过程研究）,SOLAS（表层海洋－低层大气研究）。

IGBPⅡ的2个集成研究项目——过去全球变化研究（PAGES）和地球系统的分析解释与建模（AIMES）集中于研究整个地球系统从过去到未来的变化。

不同项目之间的合作研究将成为IGBPⅡ的主要特征。

为强化对全球变化的综合研究，由ICSU发起的“全球环境变化”（GEC）计划的4大研究计划——国际地圈生物圈计划（IGBP）、世界气候研究计划（WCRP）、全球环境变化的国际人文因素计划（IHDP）、生物多样性计划（DIVERSITAR）——联合成立了“地球系统科学合作伙伴”（ESSP），并推动了全球可持续性的4大联合研究计划:

“全球碳计划”（GCP）、“全球环境变化与食物系统”（GECAFS）、“全球水系统计划”（GWSP）和“全球环境变化与人类健康”（GECHH）。

联合研究计划的目的是建立与社会直接相关的全球变化研究议程，特别是与人类可持续发展密切相关的4个根本性的问题：

碳/能、食物、水和健康，理解这些系统中人类驱动的变化对地球系统功能的影响。

因此，联合计划直接阐述全球变化与全球可持续性问题之间的双向相互作用。

“全球碳计划”（GCP）研究的3个科学主题是：

①格局与变率；

②过程与相互作用；

③碳循环的管理。

“全球环境变化与食物系统”（GECAFS）研究的3个科学主题是：

①脆弱性与影响:

全球环境变化对食物供应的影响；

②适应性--全球环境变化与加强食物供应的选择；

③反馈——变化的食物系统的环境与社会经济后果。

“全球水系统计划”（GWSP）的3个主要科学主题是：

①由于变化的人类活动（如水利用、水管理、土地利用等）和环境因素（如气候的变率和变化）导致的全球水系统全球范围变化的幅度有多大；

②人类活动影响全球水系统的主要机理是什么？

③全球水系统对全球变化的弹性如何？

全球水系统的适应性如何，水管理系统和生态系统应对水问题的能力如何（特别是当水问题与诸如生物多样性损失或经济贫困的进一步挑战一起出现时）？

“全球环境变化与人类健康”（GECHH），处于早期发展阶段，其目的是更好的理解全球变化（包括气候变化、土地和海洋利用变化、全球生物多样性损失和变化、全球社会经济变化）与人类健康的多维和复杂联系。

叉与融合已成为必然。

在过去的10年，对地球系统的研究取得了重大的突破。

其中最为重要的成果之一，就是我们认识到地球系统的变化幅度已经超越了至少过去50万年的自然变率范围。

目前，全球环境系统正在同时发生的这些变化的本质、变化的幅度和速率，在我们人类的历史上，甚至可能对整个地球的历史来说，都是前所未有的。

目前正在发生的这些变化，实际上是人与自然之间关系的变化。

它们虽然发生的时间不长，但是其影响却很深远。

而且，有很多变化正在加速进行中。

这些变化对全球环境产生级联效应，目前还难以被认识，且通常无法预测，很多时候会突然发生。

如果这种状况持续下去，我们的地球最终将会变为一个不适合人类和其他生命生存的星球。

近年来，地球科学研究揭示了20年前几乎没有预测出的、影响深远的一系列发现：

地球内部缓慢的作用与海洋和大气系统的较快运动之间存在着令人惊奇的耦合关系。

例如，大洋盆地外形的微细变化深深地影响着大洋的环流；

构造作用的波动会影响二氧化碳循环发生混乱；

火山爆发的频度和地震机制与地幔流体的动力学相关联；

海洋和地幔间的流体循环肯定影响着火山活动的特性，甚至可能是板块构造活动的媒介。

因此，搞不清这些复杂的相互作用，对全球性的各种现象就不可能准确地预测。

近年来，由于人们已揭示和掌握了厄尔尼诺与异常气候之间关系等各种现象之间的部分相互作用，使人们对厄尔尼诺现象的预测获得了成功。

鉴于这种情况，美国国家研究理事会（NationalResearchCouncil，1998）在总结20世纪后30年地球科学的进展时，强调“我们对地球单一层圈的了解比较深入，但对不同层圈的相互作用了解较少，特别是将地球作为一个系统的整体行为知之甚少”。

“地球系统的过程”（Earthsystemprocess）、“地球系统的联系”（Earthsystemlinkage）、“地球系统的演化”（EarthsystemEvolution），成为21世纪初地球科学重要的发展前沿。

对于过程研究主要集中在两个时间尺度上：

一个是十至百年的时间尺度，另一个是几千年到几万年的时间尺度。

前一个时间尺度主要研究人们赖以生存的地球系统中快速变化系统的变化规律及人类活动对地球环境的影响，提高人们对未来几十年到百年尺度地球环境变化的预报预测能力，为社会和环境协调发展提供科学依据。

后一个时间尺度以研究地球系统的形成、演化为主攻目标。

地球系统之间的相互作用，实际上是地球各系统之间的界面相互作用。

因此，近年来，地球系统内部的各种界面过程日益成为地球科学研究的焦点或核心领域之一。

地球科学将从人-地关系的角度研究环境的变化及其对资源的效应，为人类社会与自然协调发展提出科学原理和方法。

其中地球各层圈结构、组成和相互作用，以及人类作为地球营力的作用研究，保护生态与环境将成为地球科学各学科共同的前沿。

地球系统整体研究成为地球科学解决全球环境和资源问题的科学基础，地球科学研究将进入一个进行科学预测和调控人类生存环境变化的时代。

美国国家研究理事会

《地球科学基础研究的机遇》战略报告要点

美国国家研究理事会于2001年发表题为《地球科学基础研究的机遇》的战略报告，该报告提出了地球科学基础研究的6个方面的机遇：

（1）“临界带”（CriticalZone）的综合研究

●地球碳循环及其与全球气候变化的关系；

●矿物风化、土壤形成、自然资源聚集及营养物质和有毒物质活化中微生物作用研究；

●陆地－海洋界面的动力学；

●构造作用与大气作用通过火山、降水、河流、冰川和侵蚀作用等相耦合；

●地质记录的形成。

（2）地质生物学

●生物出现前的分子、生命起源和早期演化；

●生物和环境对物种多样性的控制；

●生物、群落和生态系统对环境扰动的反应；

●生物、生态系统和环境之间的生物地球化学作用与循环；

●自然和人为的环境变化对地球可居住性的影响。

（3）地球和行星物质研究

●生物成矿作用；

●对火星、彗星和星际空间的地外样品的研究；

●超高压（兆兆帕）研究；

●岩石中非线性相互作用和界面现象

●超微相（nanophase）和界面；

●量子和分子理论在矿物及其界面研究中的应用；

●粒状介质研究。

（4）大陆研究

●活动变形的机制；

●流体在化学、热力、磁力和力学过程中的作用；

●下地壳的性质；

●大陆岩石圈的深部结构。

（5）地球深部内层研究

●固态地幔对流的复杂时控流动型式；

●地幔对流运转和相互作用及地球历史时期的地核发动机；

●电磁场的产生；

●内核的形成和演化及其在地核发动机中的作用。

（6）行星科学

●其他行星行为与地球内部的地质、地球物理作用

●太阳系早期演化的物理和化学记录

●地外样冯品中独特的化学信息和同位素信息

综合大洋钻探计划（IODP）

IODP以地球系统科学思想为指导，计划打穿大洋壳，揭示地震机理，查明深部生物圈和天然气水合物，理解极端气候和快速气候变化过程，为国际学术界构筑起21世纪地球系统科学研究的平台，同时为深海新资源的勘探开发、环境预测和防震减灾等实际目标服务。

综合大洋钻探计划是继深海钻探计划（DSDP，1968～1983）、大洋钻探计划（ODP，1985～2003）之后，于2003年10月开始实施的规模更大，科学目标更具挑战性的大洋钻探10年计划（2003～2013年），该计划包括3大科学主题及相应的8个领域：

（1）深部生物圈和洋底下的海洋。

优先研究领域：

①各种地质背景中洋底下的海洋；

②深部生物圈；

③天然气水合物。

（2）环境的变化、过程和影响。

①环境变化的内部驱动。

②环境变化的外部驱动。

③内外部驱动共同引起的环境变化。

（3）固体地球循环与地球动力学。

①裂解大陆边缘、大洋大火成岩省（LIPs）与大洋岩石圈的形成。

②大洋岩石圈向深部地幔的循环与地壳的形成。

2.1.2地球科学前沿研究以高新技术为先导

为适应地球科学的发展趋势，强调地球是一个复杂的系统，地球的演化与过程具有整体性，其所有的组成要素处在共同作用之中,需要采用高度交叉、整合的研究思路。

在执行战略方面，要以高新技术为先导，促进多学科交叉与融合。

例如，美国国家科学基金会的“地球探测计划”（Earthscope）是一个以高新技术为先导、多学科综合研究计划，其目的是增进对北美大陆岩石圈三维结构和地震灾害的了解。

该计划部署了四种新型观测设备：

（1）美国地震阵列（USArray），将显著提高美国及其毗邻地区下面大陆岩石圈和深部地幔的地震图像的分辨率。

（2）圣安德烈斯断裂深部观测站（SAFOD），将直接从断裂带物质（岩石和流体）中取样，测定断裂带的各种性质，并监测深部蠕变和地震活动断裂。

（3）板块边界观测站（PBO），将对沿太平洋-北美板块边界的变形所导致的三维应变场进行研究。

（4）合成孔径干涉雷达（InSAR），将在广大的地理区域内进行空间上连续的周期性应变测量。

InSAR图像是对PBO连续GPS点测量的一种补充。

通过上述四种设备的观测，调查美国地下岩石圈和地幔结构和演化，并探讨可能对地质灾害的影响。

这是一项典型的调查与科研相结合、多种方法联合攻关的科学研究计划。

综合大洋钻探计划（2003-2013年）以地球系统科学思想为指导，计划打穿大洋壳，揭示地震机理，查明深部生物圈和天然气水合物，理解极端气候和快速气候变化过程（专栏）。

该计划也是一项以技术为先导，观测与研究相结合的大科学计划。

高新技术与地球科学前沿融为一体，相互影响、相互促进，使当代许多高新技术在地球科学研究中具有更广阔的用武之地，引发更多的科学发现。

在组织形式上，设立多学科参与的研究计划和研究中心，力图在更高层次上开展多学科交叉、整合研究。

过去50年地球科学的发展史也表明，大型科学计划体现了不同时期地球科学发展的前沿和主流方向,引领着地球科学及相关科学的发展。

如:

由WCRP、IGBP、IHDP和DIVERSITAS四大计划组成的地球系统合作伙伴（ESSP）、国际岩石圈计划、美国的大陆动力学计划、欧洲探测计划、综合大洋钻探计划（IODP）、国际洋中脊计划（InterRidge）、国际大陆边缘计划（InterMargins）等。

2.2地球科学的特点

2.2.1当代地球科学研究具有明显的大科学特征。

地球科学作为基础科学，其研究对象是极其复杂的行星地球。

基于理解地球系统的过去、现今和未来及其可居住性的研究带来的挑战超出了单一和传统学科的能力范围。

地球科学的发展需要数学、物理、化学、天文学、生物学和技术科学的理论、方法和现代技术的支持。

而地球科学的诸多研究又带动着其他基础科学的发展，比如缘于大气科学的非线性研究、为了认识地球深部的高温高压模拟实验研究、以及始于矿物超导特性的研究，都逐渐发展成为当今科学的前沿领域。

基于现代科学技术的迅猛发展趋势，使地球科学研究具有明显的大科学特征。

具体表现为：

第一，地球科学涉猎的是复杂的、多时空尺度的基本地球过程及其相互作用。

其时间尺度从几秒钟的地震活动到几十亿年的地球演化；

空间尺度从矿物微区研究到全球环境变化。

第二，基本地球过程的研究依赖于海量科学数据，地球科学是数据密集型的科学，因而更加重视应用现代观测、探测、实验和信息技术对基本科学数据的系统采集、积累与分析。

第三，地球科学前沿研究与高新技术发展融为一体，重大科学问题的解决需要跨学科的持续、有效的联合研究，使一系列针对地球科学难题的大型研究计划应运而生。

2.2.2地球科学的研究前沿日益拓展，地球的整体观、系统观已成为共识。

资源、生态与环境问题的综合性和复杂性，使地球科学研究必须立足于全球，从地球的整体观、系统观和多时空尺度上，认识发生在地球系统及各圈层中的物理、化学、生物过程及其相互作用。

以全球环境变化为例，深入的研究使大家愈来愈认识到地球的大气圈、水圈（含冰雪圈）、生物圈、岩石圈、地幔和地核是一个密切联系而又相互作用的整体。

通过了解地球系统的整体行为，了解地球系统过去、现在状态，以预测地球系统未来的变化趋势。

地球科学的思维和方法论正在从局部观向整体观拓展，由线性思维走向复杂性思维，从注重分析转变为分析与综合集成相结合。

2.2.3学科交叉与综合集成和协同研究是地球科学取得突破的有效途径。

实践证明，研究复杂的地球过程及其重大的资源、环境、灾害问题，并非单一学科和传统的概念与手段所能完成。

在许多重要的交叉点上蕴含着更多的突破机会、新的生长点和解决途径，要求加强学科间的交叉、渗透和综合集成，同时，研究群体和基地的作用日益突出。

近年来，国际科学界推出了科学计划间的“合作伙伴关系”（Partnership），“交叉项目”（Inter-Project）和“交叉计划”（Inter-Programme）等科学组织形式和活动，促进了地球科学的突破。

地球科学的重大科学成就，无一不是学科交叉、综合集成和协同研究的结果。

不同学科的交叉与融合，不是学科间的简单拼凑，而是针对重大的地球科学问题，发挥不同学科各自优势，通过对各学科的信息进行有效的综合、集成，建立地球系统作用与过程的模型，实现地球系统研究的重大突破。

2.2.4以高新技术手段，实现对地球系统进行观测和模拟。

在地球系统科学与全球变化研究的方法论中，从原始数据采集到数据分析评价和解释判断，再到概念模型的建立和验证，每一环节都与现代高新技术尤其是空间信息技术的应用密不可分。

以遥感、地理信息系统和全球卫星定位技术为代表的高技术在地球科学中的广泛应用，使地球科学研究进入了一个综合模型研究时代，不仅大大提高了地学研究取得第一性资料的质量、效率，而且促进一些新思想和新理论的诞生。

以地、空、天基相结合的多时空、多手段、全方位的立体观测平台已成为地球科学获取全球信息的主要途径，实现了对地球系统全方位的观测和探测；

现代计算机技术和虚拟已成为地球系统过程演化和预测的重要手段；

外场大型科学试验既是建立地球系统模型的基础，又是对模型进行验证的重要保证。

3．我国地球科学研究的现状

3.1进展与优势

地球科学在我国是一个发展最早的自然科学分支学科之一，也是最早引入中国的近现代科学之一。

20世纪初，近代地理学、地质学和气象学首先在我国植根。

半个世纪以来，中国地球科学及各分支学科得到迅速发展，中国地球科学事业从小到大，形成了学科门类齐全和较为完备的教育体系和科研体系，拥有一支相当规模的科研队伍，不仅可以依靠自己的力量解决国家经济社会发展中所面临的有关地球科学特别是资源环境问题，为中华民族的独立自强和快速发展提供了宝贵的科学与技术支撑，取得了基于我国独特地域环境与自然现象的一系列理论成就，而且为世界地球科学的发展做出了重要贡献。

从北京人的发现到早期生命演化研究，从东亚大气环流的提出到气候动力学与预测研究，从陆相生油理论的建立到中国石油工业的崛起，从168个矿种的查明到矿产资源的大规模勘探，从地震波正、反演理论到地震灾害预测，从青藏高原研究到东海大陆科学钻探工程的实施，从一系列地学图件编制到数字地球框架的建立和地球空间信息技术的应用与发展，都是地球科学发展的突出成就。

近20年来，我国在地球科学前沿研究方面又取得了一系列具有重要国际影响的突破性进展。

如：

著名地质学家刘东生领导的黄土与第四纪研究，建立了黄土成因的“新风成说”，重建了成为迄今全球唯一完整的陆地沉积记录的整个第四纪时期（过去250万年以来）环境变化的记录，被2002年度“泰勒环境科学成就奖”评委会评价为“开启了中国风成黄土沉积的天书”；

通过典型黄土剖面的研究提出了第四纪环境演化的“多旋回学说”，取代了国际上经典的四次冰期理论，从而为黄土沉积作为与深海沉积和极地冰心并列的全球环境变化的三大国际对比标准之一奠定了基础，因此而获得2002年度国际“泰勒环境科学成就奖”和2003年度“国家最高科学技术奖”。

著名大气科学家叶笃正先生提出了被国际气象学界誉为长波理论的三个里程碑之一的“大气长波能量频散理论”；

开创了青藏高原气象学研究，指出青藏高原在夏季是大气的一个巨大热源、在冬季是冷源，深入研究了夏季青藏高原热源及其对东亚大气环流的影响和对西风急流的分流作用；

创立了东亚大气环流和季节突变理论以及大气运动的风场和气压场的适应尺度理论，积极参加国际地圈生物圈计划（IGBP）的建立和科学规划工作，积极组织并领导中国开展气候变化的研究，取得了一系列重要贡献，从而荣获第48届“世界气象组织奖”和2005年度“国家最高科学技术奖”。

澄江动物群的发现与寒武纪生物大爆发研究在动物软体化石解剖生物学、功能形态学、系统分类学和进化生