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近年來，地球系統科學(Earth System Sciences)已成為熱門話題，國家自然科學基金委員會將其列為地學部的四大前沿研究領域之一，自然資源部也將其作為創新戰略的理論基礎。
然而，對術語＂地球系統科學＂卻存在截然不同的理解：(1)關於地球的系統科學，(2)關於地球系統的科學。
這種理解上的差別將不利於地球系統科學研究計劃的實施。我發現，無論是哪一種理解，都強調了將整個地球作為一個系統，因而在表述上有時給人以雷同的感覺。但深究起來，它們似乎存在一些根本性的區別：前者偏重於理想科學的整體論（關於地球系統的科學，圖1左），後者傾向於複雜科學的整體論（關於地球的系統科學，圖1右）。據此，我想談一點感想，供同行討論。
圖1 地球系統的科學（左）與地球的系統科學（右）
地球的系統科學,系統科學是研究系統的結構與功能關係、演化和調控規律的科學，是一門新興的綜合性、交叉性學科。圖1(右)雖然不完全地概括系統科學的特徵及其應用實例，卻清晰展現了系統科學與理想科學的區別。
按我的理解，系統科學首先以還原論手法對系統進行細分，認為它由一系列簡單(理想)系統組成，它們的疊加就構成了一個簡單巨系統。這有點像數學中的微分與積分。但這不是系統科學的全部，因為系統的行為軌跡也可以經常呈非線性變化。可以說，簡單系統(理想系統)的演化以消耗自身能量為代價，最終走向消亡。
當系統接收到外部能量輸入時，系統的進一步行為取決於能量輸入的性質及系統對輸入能量的響應。例如，對一個上升巖漿體升溫和注水都可以降低巖漿的粘度，從而升高巖漿上升速度。但是，注入少量水就可以使巖漿粘度下降幾個數量級，這是一種典型的非線性變化，是理想科學不渉及或分段涉及的內容。這種同時包含行為線性和非線性變化的系統就稱為複雜系統，研究複雜系統的科學就稱為複雜科學或系統科學。
系統科學以不同領域的複雜系統為研究對象，從系統和整體的角度，探討複雜系統的性質和演化規律。由此可見，其基本特徵是闡明系統的整體行為，目的是揭示各種系統的共性以及演化過程中所遵循的共同規律，發展優化和調控系統的方法，並進而為系統科學在科學技術、社會、經濟、軍事、生物等領域的應用提供理論依據。從這個角度來說，系統科學已經上升到哲學的高度，以研究事物發展的普遍規律為目標，是一門跨學科的科學。
這樣一來，系統科學研究的內容就變得無所不包，具有整體論的性質。所謂的1＋1＝1，就是說不管系統中包含多少個子系統，系統科學中依然將其看作一個系統的不同組成部分。然而，一方面涉及到具體科學家的能力，另一方面涉及到科學研究對象的基本屬性(時空不可及性、複雜性和系統相關性)，現代科學研究還是釆用各個擊破的方法。這就還原論，其必要性在於我們必須獲取各子系統準確參數後才能以整體手法探討整個系統的行為。
但是，在系統科學思想指導下，我們非常清楚各子系統之間緊密相關，不再將其割裂開來，即所謂的1＋1＜2。以巖漿系統與成礦系統為例，在理想科學中它們分別是巖石學和礦床學研究的內容。但是，有些地質過程(如分離結晶作用)在這兩個學科中都有所涉及，只是強調的效應有所不同，即重複研究。如果將這兩個系統結合在一起，將可以同時探討該地質過程(分離結晶作用)的成巖成礦效應，這就是1＋1＜2。
綜上所述，地球的系統科學就是應用系統科學的手法研究整個地球系統行為的科學，將地球系統理解為由一系列不同級次、不同大小的子系統組成的複雜系統。與傳統（理想）地球科學明顯不同的是，她將同時研究地球系統的線性和非線性過程。
地球系統的科學
與地球的系統科學不同，地球系統的科學基本上就是傳統的地球科學，但更強調子系統之間的相互作用（圖1左）。
傳統上，雖然也強調各種地球系統之間的聯繫，總體上還是將它們看作是相互割裂的系統，沒有建立各種系統之間的有機聯繫。換句話說，傳統地球科學將地球系統劃分成一系列相互割裂的子系統，分別研究各子系統的行為。結果，各學科都專注於某個地球子系統的平均性質和行為，而不管其對相鄰子系統的影響。結果，從更宏觀的視角討論地球系統行為時，往往存在證據鏈缺失的缺陷。以中國東部巖漿活動與太平洋板塊的關係來說，一部分作者強調與太平洋板塊俯衝有關；另一部分作者則強調與其無關；還有一部分作者強調與歐亞大陸板塊向太平洋板塊仰衝有關。但是，具體是什麼關係，尚沒有哪個作者可以給出合理的解釋。
實際上，有許多場合我們都只強調某種地質現象與某種地質因素有關，卻對它們之間的聯繫說不清道不明。久而久之，我們就會對這種表述方式習以為常，將其作為我們的遮羞布，甚至作為科研＂成果＂。
為什麼會這樣呢？我個人認為，傳統科學專注於某個子系統的核心部分，對其與相鄰子系統的聯繫往往缺乏深刻的理解。以巖漿系統為例，傳統上僅關注＂巖漿是自然熔體＂部分，至多關注了＂含有少量懸浮晶體和揮發分＂的情況。對於含有大量晶體和揮發分的情形，我們了解甚少。結果，往往用＂熔體＂模型的研究結論來解釋巖漿活動與成礦作用的聯繫，也用它來解釋源區的巖漿分凝過程。顯然，這樣的手法缺乏理依據，因為在巖漿系統與成礦系統、巖漿系統與變質系統的「接觸邊界處」應當具有不同於巖漿系統「核心部位」不同的性質。因此，要求不斷向子系統的邊緣逼近，逐漸理解整個子系統及其向相鄰子系統轉換的機理。
從這個角度來說，地球系統的科學就是在傳統科學的基礎上向各級子系統的邊緣進軍，闡明相鄰子系統之間的實質性聯繫，獲取各類關鍵性參數，為地球的系統科學研究奠定基礎。
地球系統科學的難題
綜上所述，無論將地球系統科學理解為地球的系統科學還是地球系統的科學，都表明理想地球科學的發展已經遇到了瓶頸，人類社會要求更高級的地球科學形態。看來，有越來越多的學者將地球系統科學作為最有前景的科學形態，並為之努力奮鬥。
但是，地球系統科學的發展將會遭遇巨大的困難，因為我們對地球系統中各子系統的了解甚少，多數學者依然守護在各分支學科的核心部位。不管他們是否出於保障科學發展方向的正確性，許多以研究地球系統科學問題為主題的立項都可能受到阻撓。特別是，當流行科學理論向外擴展時，許多判別準則和工作方法都需要改變，會使許多同行不適應。這時，他們就會以研究思路不符合已有科學基礎為理由否定新的思想。
例如，鎂鐵質層狀巖體中的堆晶巖被普遍認為是巖漿原位分離結晶作用的鐵證。這樣的認識近年來受到了挑戰，因為從巖漿房過程的角度看，巖漿房中心存在一個高溫區（圖2），任何沉降或上浮的晶體都會在到達這個高溫區之前被溶蝕殆盡。因此，Marsh等巖石學家提出發生沉降的晶體是從深部巖漿房攜帶上來的循環晶（antecryst），而不是巖漿原位析出的晶體。換句話說，層狀巖體中的堆晶巖和輝長巖形成於不同性質的母巖漿結晶作用。但是，這種認識遭到了來自巖石地球化學研究者的強烈反對，他們認為化學參數依然支持重力沉降機制，但不解釋圖2所展示的矛盾。類似的情況很常見，進行科學辯論時，許多同行習慣於引用教科書內容來否定對方的認識，而沒有意識到我們的教科書早已過時，但新的知識又尚未形成系統。
因此，地球系統科學的發展尚需要各領域的學者解放思想，深刻認識到發展地球系統科學的必要性和緊迫性，探索發展地球系統科學的途徑。我非常欣賞成都理工大學的校訓：窮究於理，成就於工（圖3）。從系統科學的角度來說，該校訓可以理解為：應當研究整個系統的行為，因而科學研究得出的認識必須可以直接或間接轉化為生產力！做不到這一點時，就應當懷疑這些認識的可靠性。換句話說，這表明我們的研究尚存在缺陷。
因此，可以說地球系統科學面臨的難題主要在於我們太相信已經得出的結論，而忽略了這些認識的前提之不足。以火成巖理論為例，其前提是「巖漿為自然熔體」。但是，地質詞典和實際觀察都強調：巖漿是可活動的巖石物質！根據流變學實驗，這表明巖漿可含有高達50vol%的固體物質。巖漿也可以含有大量揮發分，在高壓（~17kbars）下甚至可以實現熔體和流體的完全互溶。因此，巖漿不應當再限定為「自然熔體」，火成巖理論應當考慮含有大量晶體和流體的巖漿系統，從而構建一個可以面對整個巖漿系統的火成巖理論。
流體地球科學的機遇
現在看來，不僅火成巖理論，許多地球科學理論都存在嚴重缺陷：成礦理論難於有效轉換為勘查方法，成油氣理論難於解釋某些大型油氣田的成因、地震學理論難於轉換為有效的地震預報方法，等等。所有這些問題很可能都與被我們忽略的一個因素（地質流體）有關。以杜樂天為代表的老一輩地質學家率先認識到了這一點，並在中國地理物理學會旗下成立了流體地球科學專業委員會，聚集了一大批有志於流體地球科學研究的學者。
當前，在歐光習主任的領導下，流體地球科學專業委員會的成員將地質流體作為一種獨特的地質建造來進行研究，深入探討了地質流體對整個地球系統及其各子系統的意義。他們不僅研究流體系統本身，也研究流體系統與固體系統的相互作用，以及不同流體系統之間的關係。
由於可見，流體地球科學深深刻上了系統科學的烙印，是地球系統科學的重要組成部分。特別是，流體的物理性質變化比固體大得多，可能是地球系統行為非線性變化的主要觸發機制。如果這種分析可信，流體地球科學將是地球系統科學的關鍵結點。
以上是我對地球系統科學的一些認識，在這裡提出來供同行討論、批判，希望有助於地球系統科學的發展。
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