地球科學在人類認識､利用和適應自然界的過程中發揮著不可替代的重要作用｡2018年地球科學領域（本文所指的地球科學主要涉及地質學､地球物理學､地球化學､大氣科學等學科）在地球深部物質循環與結構､板塊構造､地球系統､礦產資源綠色開採､行星地質學以及大數據與人工智慧技術在地球科學中的應用等方面取得了一系列新的重要進展,一些國家和國際組織亦圍繞上述領域進行了研究部署｡
一､地球科學領域重要研究進展
1. 地球深部物質循環與結構研究獲得新認識
地球內部的運行控制了表層系統的演變,地球深部過程及動力學是地球礦產資源分布和地質災害發生的深部根源｡為了更全面､深入地理解地球深部作用的過程,人類不斷向地球深部進軍,圍繞地球深部物質結構組成､演化的研究不斷深入並取得突破｡
英國牛津大學與德國拜羅伊特大學等機構合作研究發現地表下約500km 的地方存在高度氧化的鐵,這一發現令科學家們震驚,因為按照以往的認識,鐵元素在地下深部發生氧化的可能性極小,他們推測碳酸鹽流體或熔體導致鐵的氧化,進而推測自然界的碳循環可以深入到地幔深部｡
傳統觀點認為,在地球早期演化過程中地核與地幔的分離是一個有序過程,緻密的鐵質金屬向內沉沒形成地核,而大量的矽酸鹽則向地球表面聚集形成地幔｡
但美國華盛頓卡內基研究所等機構開展的一項基於夏威夷火山熱點的鎢和氙同位素地球化學研究發現,地球早期演化中地核與地幔分離過程中的短壽命碘與現在地幔樣品中的氙同位素存在重要關聯,現代熱柱巖中發現的氙同位素異常是在早期地核形成的高壓階段碘/鈽分餾的結果,經歷高壓地核形成的地幔部分存在與揮發性無關的大量碘/鈽虧損,其現代地幔玄武巖中觀察到的氙和鎢異常的來源｡
2. 地球板塊構造理論得到進一步完善
板塊構造理論一經提出,就一直是地球科學研究的重要內容和熱點領域｡傳統觀點認為,克拉通作為大陸地殼中年齡最古老的部分,通常遠離活動構造邊界,極少受到深部地幔動力學過程的影響,具有極強的穩定性｡
但2018年2月一項由美國伊利諾伊大學和義大利帕多瓦大學等機構完成的研究發現,位於南美洲和非洲大陸下部的巖石圈地幔具有明顯的分層結構且下層部分的密度更大,在進一步分析後認為克拉通底部巖石圈地幔的分層作用使得巖石圈的浮力發生變化,從而影響到克拉通的穩定性｡
澳大利亞國立大學和英國倫敦大學學院通過檢測地震波在地球不同深度的傳播速度後發現,巖石樣本中的水含量同地震波在其中傳播的速度之間並無關聯,首次揭示出板塊運移的關鍵在於構造板塊基底發生的部分熔融過程而非地幔水的存在,這顛覆了已有的認識｡
此外,在一些涉及對具體板塊的研究方面也取得明顯進展,如
3. 地球系統研究取得新進展
蓋亞(Gaia)理論作為一種地球系統的認知框架,對地球系統科學的建立和發展完善具有重要意義｡
英國埃克塞特大學和法國巴黎政治學院合作研究認為,進入「人類世」後,人類及其技術的改進可以為地球的自調節系統(蓋亞理論的核心)增加「自我意識」,使其升級為(人類)自我意識下自我調控的蓋亞2.0,這將有助於地球系統科學的發展和完善｡
由於人類活動對地球系統影響的範圍和強度迅速增大,人類已被視為一種獨立的地質營力來研究,並據此提出了「人類世」概念｡
瑞典斯德哥爾摩大學和澳大利亞國立大學等合作,以古氣候動力學､現代觀測和複雜性科學為基礎,分析了「人類世」地球系統的可能演變軌跡,指出受自我強化反饋機制影響的地球系統可能正在接近行星臨界點,這個臨界點可能將地球鎖定在一條向更熱環境發展的路徑上｡
4. 「四稀」關鍵金屬礦產資源研究與綠色開採技術獲得突破
稀有､稀散､稀土和稀貴金屬由於具有獨特的性質,廣泛應用於高科技､軍事､核工業､航空航天和新能源等領域,是支撐戰略性新興產業發展的重要原材料,關乎國家經濟安全､國防安全和戰略性新興產業發展,近年來受到世界各國高度關注,紛紛被列為各國的「關鍵礦產」｡
隨著環境保護意識的不斷深入人心,探索礦業綠色發展已成為實現資源利用效益最大化和礦業高質量發展的重要方式｡
目前,大多數的金礦開採還依賴於毒性大的氰化物法｡美國聖母大學研究人員研究出了一種新型大環分子(四內醯胺受體),其可以把含金礦石轉化為氯金酸並用一種工業溶劑萃取出金,還可以在不使用酸性水汽提取的情況下選擇性地把金從溶劑中分離出來,從而可減小金礦開採對環境的影響｡該工藝也適用於鉑和鈀等其他貴金屬的提取｡
5. 行星地質學受到重視和發展
作為地球科學的一個重要分支學科,行星地質學研究已經從早期的宏觀定性化發展到定量化和精細化的階段,近年來以歐美為主的科學家圍繞一些類地行星開展了多項綜合性研究｡
美國漢普頓大學和中國香港大學等機構合作,基於對木衛冷卻過程的觀察,對類地行星的熱演化機制進行了深入研究,提出了類地行星形成早期的熱管冷卻模式,並探討了其對火山作用演化的影響｡
美國國家航空航天局(NASA)和法國國家科學研究中心(CNRS)等機構合作,藉助「好奇號」火星探測器在蓋爾隕坑(Galecrater)地表處採集了一塊有30億年歷史的沉積巖,從中發現了有機分子,包括噻吩類､苯､甲苯和小的碳鏈(如丙烷或丁烯),由此推測火星可能曾存在遠古生命｡
6. 人工智慧技術在地學研究中得到應用
人工智慧技術的發展為傳統地球科學研究提供了新的研究方式和新的發展機遇｡
美國哥倫比亞大學等機構共同利用機器學習算法對加利福尼亞州間歇泉地熱區3年46000多次的地震記錄進行處理,從中識別出了與其他地震存在細微差別的地震波圖譜,並據此發現水的運移與引起巖石滑動或破裂的機械過程相關,是引發當地地震的重要誘因｡
火山灰顆粒的形狀能夠反映火山噴發的類型和信息,一直是火山學家進行火山研究和災害評估的重要內容,但此前對火山灰顆粒的分類主要靠人工完成｡日本東京工業大學通過訓練一種卷積神經網絡的人工智慧程序來對火山灰顆粒的形狀進行分類,並據此判斷火山噴發類型和幫助減輕火山災害,大大提高了分類的速度且有效避免了人工識別過程中的人為因素幹擾｡
二､地球科學領域重要研究部署（略）
三､啟示與建議（略）
致謝:中國地質大學(武漢)馬昌前教授､中國地質調查局施俊法研究員､中國科學院廣州地球化學研究所凌明星研究員､西北大學陳亮副教授等審閱了本文並提出了寶貴的修改意見,中國科學院蘭州文獻情報中心劉學､王立偉､劉文浩､劉燕飛､安培浚､李小燕等參與了本文的部分資料收集與翻譯,在此一併感謝｡
參考文獻（略）