地球科學的“四極”前沿研究

我國首口萬米深地科探井——中國石油塔里木油田深地塔科1井

從探索地球的奧秘到揭示宇宙的規律，地球科學始終是人類認識與改造世界的重要基石。作為一門古老而經典的基礎學科，地球科學經過過去數百年的發展，已經成為一個涵蓋多個一級學科（領域）的大學科方向，包括地理學、地質學、地球化學、地球物理學、大氣科學、海洋科學和環境科學等，并進一步細分出若干二級學科。地球科學為現代社會文明做出了重要的貢獻。隨著新一輪科技革命和產業變革的深入進行，全球科研向“四極”前沿發展—極宏觀、極微觀、極端條件和極綜合交叉研究。那么，在科技革命的浪潮中，地球科學將如何走向新時代、走向未來呢？

極宏觀研究：行星科學

隨著航天技術的發展，人類的探索范圍已從腳下的地球拓展到了浩瀚的太空。從20世紀60年代的載人登月，到70年代的火星車著陸，再到2012年探測器飛抵太陽系邊緣，人類的太空探索不斷刷新著紀錄。這些里程碑式的成就標志著人類對太陽系的認知進入了全新階段，可以說人類已經具備了對太陽系內的眾多行星、衛星、小行星乃至彗星開展直接研究的能力。對地外星體的探測，特別是40多年前美國阿波羅載人登月的成功，拉開了行星科學高速發展的序幕。

行星科學是研究行星（包括月球和小行星）的形成與演化、結構和物質組成的學科。地球也是一顆行星，地球科學的研究手段也可以運用到地外行星上。然而，與地球研究相比，地外行星的探測和研究仍處于初步階段，主要受限于樣品的獲取難度。截至目前，人類僅從月球和小行星上成功采樣返回，而火星樣品的返回任務預計要到 2030 年后才能實現。同時地外返回樣品的數量極為有限。例如，前蘇聯的3次月球采樣任務僅帶回 326 克月壤，而美國的 6 次載人登月任務則返回了 382 千克樣品。我國的嫦娥五號和六號任務分別從月球正面和背面采集了 1731 克和 1935 克月壤，為月球研究提供了寶貴樣本。面對如此稀少的樣品，科學家們必須在研究方法上不斷創新，以最大限度地挖掘其科學價值。微區分析技術已成為月壤研究的主流手段，為科學家們提供了大量高分辨率、高精度的成分和同位素數據，為揭示月球的起源和演化提供了關鍵線索。

除了直接分析地外樣品，行星科學的研究還可以基于探測數據（如光譜和遙感數據）以及數值建模，來反演行星的結構和演化歷史。這些方法針對行星開展不同尺度的研究。地外樣品的實證研究聚焦行星上的一點（即采樣返回點），為行星的物質組成提供了基礎數據。這些數據與探測數據和數值模型相結合，為探測數據的精確解析提供了關鍵約束。探測數據則反映了區域尺度的特征，通過大量數據的獲取和解析，科學家們能夠獲得行星的全球信息。高精度探測數據（如遙感和光譜數據）的獲取與解析是認識行星宏觀系統和太陽系空間環境的基礎，但其精確解析仍需依賴實證研究數據進行標定。數值模型基于基本的物理學原理，在實證樣品數據和探測數據的約束下，構建行星演化模型，并可用于推測無法直接精確探測的行星（如系外行星）的性質。因此，行星科學未來的發展需要關注如何將實證研究-探測數據解析-數值模擬三種研究方法有機整合起來。

行星科學涵蓋多個研究領域，其中與我國未來行星探測計劃最為密切的是天體生物學。天體生物學（Astrobiolo?gy）是一門新興的交叉學科，旨在宇宙演化的背景下研究生命的起源、演化及其在宇宙中的分布和未來。天體生物學形成于20世紀90年代。近30年來，極端環境微生物研究、系外行星的發現、火星隕石ALH84001上疑似生命遺跡的觀察，以及木衛二液態海洋的發現等研究進展，推動了這一學科的迅速崛起。1998 年，美國國家航空航天局（NASA）成立了全球首個天體生物學研究所（NASA Astrobiology Institute），在短短二十多年里，天體生物學已成為 NASA眾多深空探測任務的核心焦點。當前，深空探測已成為我國的國家戰略，為我國躋身國際競爭前列提供了必要條件。其中，地外生命探測是我國行星探測任務的首要科學目標。計劃于今年發射的天問二號將探測目標小行星，其豐富的有機質可能為研究前生命階段有機質的形成和太空遷移提供關鍵材料。計劃于 2028 年前后發射的天問三號旨在實現火星采樣返回，尋找火星樣品中的生命或生命記號（biosignature）是火星探測的最大驅動力。計劃于2030年前后發射的天問四號任務將聚焦木星及其冰衛星。此前，卡西尼號探測器已在冰衛星的羽流中探測到有機質成分，這是否意味著冰衛星存在生命，成為了全球科學家關注的焦點。除了探索地外星體，天體生物學還從早期地球中尋找生命起源和演化的證據。地球是目前已知唯一存在生命的行星, 因此天體生物學特別關注行星地球宜居環境的形成和演化，以及地球生命如何起源、何時起源、演化過程、生存極限等?；趯Φ厍蛏难芯?，科學家們建立了可探測的地外生命信號，并開發了有效載荷以進行生命標識的就位探測。地球生命起源是一個核心的基礎科學問題，但天體生物學的研究范圍不僅限于地球，更是在宇宙演化的背景下探索生命的普遍規律。

極微觀研究：納米地球科學

人類對于微觀世界的認識隨著顯微鏡和顯微技術的發展而逐漸深入。1670 年，列文·虎克發明了第一臺顯微鏡，由此拉開了顯微時代的序幕；1895年，威廉·康拉德·倫琴發現 X 射線，并獲得第一張人類 X-射線照片（1901 年諾貝爾獎）；1919 年，弗朗西斯·阿斯頓研制了第一臺精密質譜儀（1922年諾貝爾獎）；1923年，康普頓發現X射線光散射效應（1927 年諾貝爾獎）；1928 年，拉曼發現可見光散射效應，并利用拉曼光譜把處于紅外區的分子能譜轉移到可見光去觀測（1930 年諾貝爾獎）；1931年，厄恩斯特·盧斯卡和馬克斯·克諾爾研制了第一臺透視電子顯微鏡（1986年諾貝爾獎），顯微學由此進入納米世界；1949年，赫羅和維伯克研制了第一臺二次離子質譜儀；1981年，格爾德·賓寧和亨 利 ?！ち_勒發明掃 描隧道顯微鏡（1986年諾貝爾獎），顯微學進入了原子世界；1986 年，格爾德·賓寧、夸特格和柏研制了第一臺原子力顯微鏡，實現了對非導電樣品的納米分辨率觀測。顯微技術的發展和革新也使人類從顯微世界進入納米世界和原子世界，獲取從微米、納米再到原子尺度的成分和結構信息。

近年來，隨著各種大型實驗裝置和分析測試技術的發展及應用，人類對于微觀物質和結構的辨析已經達到了納米-原子尺度。這些高精尖技術在地質樣品中的應用，催生了納米地球科學這一新興學科。與傳統地學研究相比，納米地球科學更加強調各種納米科學技術和方法的應用，通過研究地球和行星系統中的納米物質結構和納米尺度現象，在微納尺度到原子水平上揭示它們的形貌、結構、化學組成、分布特征、演化規律，從而獲得宏觀地球或行星樣品的來源、形成和演化等信息，以及礦物、巖石、化石等可能經歷的地質、物理、化學或生物過程，進而重建太陽系的形成與演化。

納米地球科學為地球科學研究開辟了新的賽道。傳統的地球樣品研究受限于設備條件，主要集中在物質成分（如元素含量和同位素組成）的分析，并由此發展出一系列基于化學分析手段的學科。盡管分析測試精度和空間分辨率不斷提高（達到微米尺度），但納米尺度的空間分辨率始終是傳統地球科學研究的極限，而納米-原子尺度的成分分析更是長期被視為空白。納米地球科學通過引入先進的納米分析技術，特別是在納米-原子尺度上解析物質結構，突破了傳統地學研究的空間分辨率極限，開辟了以物質結構分析為抓手的科研新賽道。

納米地球科學廣泛運用現代物理學、納米科學和結構化學的分析手段，因此能夠將地球科學與其他學科緊密聯系起來。正所謂“它山之石，可以攻玉”，借助現代物理學-化學分析技術，地球科學正不斷向極微觀領域邁進。

深空-深地-深海科學：極端環境（條件）研究

我們日常能夠接觸的都是常溫-常壓、適合人類居住的環境，但地球內外卻存在著許多極端環境。正在發展的深空-深地-深海科學研究旨在探索廣袤的太空、黑暗的深海、內部的地球，認識這些極端環境中的物理、化學、生命過程。極端環境研究將拓寬我們的知識邊界，推動地球科學、生命科學、物理學和化學等學科的共同發展。

深空探測不僅是上面提到的行星科學的一部分，同時也為研究極端條件下的物理和化學過程提供了廣闊的天地。由于月球沒有大氣層，宇宙高能輻射以及高速隕石（可以達到 20 千米每秒）和微隕石撞擊能夠直接作用于月球表面，改變月表物質的成分和結構。這些極端過程在地球上無法直接觀測，以現有的實驗條件也很難進行實驗室模擬。然而，這些極端過程的影響被清晰地記錄在月表物質中。通過對月表物質的分析和研究，科學家們可以反演極端條件下的基本物理-化學規律，不僅揭示了宇宙輻射和（微）隕石撞擊對天體物質的改變過程（即太空風化），也為物理學和化學學科的相關領域提供了新的視角。此外，地外樣品也是新物質和新結構的陳列館，例如極高速撞擊所造成的極高壓和極高溫可能會形成一些新結構和新物質。這些發現將極大地拓寬材料科學的視野，為材料科學的發展提供新的思路。

在深海探測方面，我國的載人潛艇已經可以到達地球表面的最深部——馬里亞納海溝，這表明深海探測與開發在技術層面已經完全可以實現。廣闊的海底蘊藏著豐富的礦產資源，例如廣泛分布的鐵錳結殼和多金屬泥，以及海底黑煙囪和白煙囪附近富集的大量稀有金屬。同時，在海洋漆黑、冰冷、壓力巨大的萬米深淵中，卻孕育著勃勃生機。從深淵微生物到深海溝蝦，再到深淵魚類，不同類型的生物在深淵中構建了一個獨特的生態系統，也各自演化出適應極端高壓環境的基因。例如，深海魚類通過積累多不飽和脂肪酸來維持細胞膜的流動性，從而適應極高壓的環境。這些深淵生物為生物學和生態學研究提供了寶貴的素材。

相比于深空探測的蓬勃發展，我們對于地球深部卻知之甚少。除了地球物理方法以外，深部鉆探是了解地球深部的最直接手段。然而，迄今為止，鉆探的最大深度記錄仍由前蘇聯的科學鉆探井 —— 科拉SG- 3保持，其深度為12262 米。我國首口萬米深地科探井——中國石油塔里木油田深地塔科 1井于 2024 年“沖刺”成功，目前仍在沖擊 11100 米深的目標。向地球深部進軍，是解決人類能源、資源和生存空間的必由之路。僅2023年，塔里木油田完鉆井深超 8000 米的井就超過 70 口，約90%的新增儲量來自超深地層，開采出的超深層油氣達1957萬噸。此外，深地探測能夠獲取地震波和地下巖層信息，對地震、火山等地質災害的防范同樣具有重大意義。

地球系統科學：極綜合交叉研究

現階段，人類社會發展的巨大的矛盾是資源與環境。一方面，社會發展需要依賴資源的利用；另一方面，資源的開采和利用又帶來了環境問題，其中最為突出的就是全球變暖。工業化和城鎮化導致大量CO2的釋放，使地球呈現變暖趨勢，將引發一系列環境危機。如何應對全球變暖？這涉及到地球科學的各個分支，至少包括了地理學、地質學、大氣科學、海洋科學、環境科學等多個方面。盡管CO2的濃度增加主要體現在大氣中，但其影響卻遠不止于此，它還會影響海洋的碳庫、陸地和海洋的生產力，以及大陸的風化過程，涉及地球各個圈層的相互作用?；谶@種認識，“地球系統科學”應運而生。地球系統科學關注圈層間的相互作用，例如大氣圈-水圈-巖石圈，這對應著大氣科學、海洋科學、地質學-地球化學等學科方向。由于學科分科已經建立了上百年，這些一級學科往往只關注地球科學的一個特定領域，不利于我們認識圈層間的相互作用。亟需打破學科之間已有的框架，重新梳理大地球科學的知識體系，在地球系統的框架下，建立各個一級學科之間的邏輯聯系。

地球系統的概念有利于我們應對全球變暖問題，解決該問題的關鍵在于實現“碳中和”?！疤贾泻汀钡膶崿F需要將人類燃燒化石能源所釋放的 CO2通過生物或者非生物過程封存于海洋或巖石圈中。這一重大工程的完成需要圈層間的相互作用和地球系統框架下的全球碳循環等理論的指導。毫無疑問，傳統的地球科學學科分類不利于推進這一宏大工程。要實現“碳中和”國家戰略目標，需要對地球科學的學科體系進行重新的梳理，突破原有學科界限，實現地球科學內部的學科整合以及與物理、化學、生物、信息技術等基礎學科的大交叉。

地球系統也是在演化的?，F今地球的一切都是過去 46 億年演化的結果，其中既有由基本物理化學規律所決定的必然因素，更多的則是隨機過程的加持。地球的演化經歷很多關鍵的節點，比如生命的起源、氧化大氣的出現、全球冰期、動物的寒武紀大爆發、植物登陸、生物大絕滅等，地球系統在任何節點都面臨著路徑的選擇。如果偏離了原有的演化軌跡，一個不同于現今的地球系統將會形成，因此地球系統的歷史是不能重演的。正是由于時間維度的加入，地球系統以及地球科學的復雜度呈幾何數量級的增長。

雖然在現有的算力條件下，地球系統的數值模擬只能考慮最主要的物理過程，但這仍然是地球系統科學發展的趨勢。2021 年諾貝爾物理學獎的頒發正印證了這種趨勢。該獎項被授予“對我們理解復雜系統的開創性貢獻”，一半授予真鍋淑郎（Syukuro Manabe）和克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann），表彰他們“對地球氣候的物理建模、量化可變性和可靠地預測全球變暖”的貢獻，另一半授予喬治·帕里西（Giorgio Parisi），表彰他“發現了從原子到行星尺度的物理系統中無序和漲落之間的相互影響”。地球系統科學的發展，體現了地球科學內部各個學科的極端交叉和整合，使之成為一門極具交叉特質的基礎學科。

地球科學的“四極”研究：行星科學的極宏觀研究、納米地球科學的極微觀研究、深空-深海-深地科學的極端條件研究、地球系統科學的極綜合交叉研究，代表了新時代地球科學的發展方向。這些新興學科拓展了傳統地球科學的邊界，促進了地球科學內部學科的整合，同時也積極構建了與數學、物理、化學、生物、計算機-信息科學的綜合交叉。新時代的地球科學是一個交叉基礎學科，運用現代物理學、化學、生命科學、信息科學的原理和方法，來認知和解譯地球和行星系統的復雜體系，解決人類未來所面臨的資源與環境問題。

（作者為北京大學地球與空間科學學院副院長）