打破学科界限融合不同资料在时域探索地球中关

地球是人类生活的家园，地球从何而来？走向何方？地球在演化过程中经历了怎样的动力作用过程？这些问题一直是人类孜孜不倦探索的重要话题。从古老的原始文明到创新的现代文明，人类都在以不同的知识背景和认知框架对这些问题进行着不同的解释和回答。现代科学为人类认识世界、认识自身推开了一扇全新的窗口，使得人类可使用可靠的观测、严密的逻辑对地球进行定量化研究。早期地球科学的发展，受到当时知识结构体系、观测手段和信息交流方式等因素制约，地质学、地球物理学、地球化学、岩石学等都有着较明显的界限和侧重点，使得人类对地球的认识和研究内容主要以静态或者大时间尺度的演化特征为主。

进入二十一世纪以来，科技的迅猛发展对人类的学习方式、学科体系以及对地球科学的研究手段、技术、方法和规模都带来了革命性的影响。互联网的普及与大数据、深度学习和人工智能的迅速崛起，打破了原有学科体系，使所有研究者都可以快速获取基于不同方法和资料的关于地球科学的最新研究成果。在此大背景下，美国国家研究理事会（NRC）也敏锐地意识到地球科学的发展将迎来一次契机，由其牵头召集美国国家科学院、工程院和医学院的资深科学家，期间通过多次学术会议、专题讨论和网络研讨会等方式，共同完成了地球科学十年战略规划（A Vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time，见文后参考文献），明确提出未来十年地球科学优先发展和资助的12个科学问题。这是NSF第一次在战略规划中明确提出在时间域中研究地球，一方面凸显了当代社会对地球科学研究的迫切需要，另一方面更加突出了探索地球随时间演化的重要性。

关键元素（Critical Elements）在地球中如何分配和循环是远景战略规划中未来十年重点发展和主要支持的一个重要方向。目前人类发现的5 000多种矿物影响着地球的演化过程和化学多样性。规划中的关键元素是指在造就多样性生物种群宜居环境的地质过程中起至关重要的元素，这些关键元素为现代社会的安全、正常运转提供基本资源，如：低碳或无碳能源，电子、国防、医药和先进制造业基本原料等。在地球演化的不同时期，关键元素的显著性再分配与生物多样性大爆发、大氧化事件、海洋缺氧事件以及大气成分的相关变化有密切关系，进而影响气候和生命的历史。构成地球地壳和地幔的矿物，以及由此形成的生物圈和大气的成分，都是由地球形成过程中原始物质演变而来。地球的物质随着地壳形成与分异、生命和板块构造的共同进化以及大陨石撞击和火山等灾难性事件的影响而运移。目前正在进行的诸如融化、再结晶、变质、热液活动和气体释放或封存等过程仍在持续对关键元素进行着再分配。H、C、N、O、P、S、K、Ca、Fe等元素是宜居世界必需的基本元素，C、S、Fe控制着地壳地幔中的氧化条件，B、S、卤族元素（F，Cl，Br，I）、惰性气体（He，Ne，Ar，Kr，Xe，Rn）、过渡金属、稀土元素、Re-Os等是地壳和地幔之间循环过程的指示剂。

从地球外围的大气圈到地球深部的核幔边界，地球在不同时空尺度上进行着物质和能量的交换。俯冲的大洋板块将地表物质携带到地幔深处，下地幔深处的物质通过热柱被输运到地表。地表过程是整个地球元素循环的重要组成部分，在不同时空尺度上与深层化学和物理机制相互作用。因此，理解关键元素的分布意味着需要刻画从深部地核到地表大气层的整体地球圈层物质与能量交换通道系统细节。碳、氢、铁、氮、氧、磷和硫是构建宜居世界生物的关键元素。关键元素及其化合物，特别是水，对地球内部介质属性包括熔化温度、强度、流变性和地震波速度等有重要影响，铁、硫和碳等多价元素控制着地幔和地壳的氧化还原条件。在地壳和地幔不同深部，关键元素的丰度差异较大，但许多低丰度元素对地球介质的动力作用过程和物理属性却有着不成比例的巨大影响。因此，为深入了解地球深部硫、磷、氮等其他元素的周期性迁移规律，以及氟和氯等卤素元素和其他元素如何分割变质和岩浆系统中的融体和液体，基于最新研究结果，地球科学家未来将更进一步去深入研究和理解全球氢和碳循环。

借助设备先进的实验结果、高性能计算技术、热力学建模、高精度地质样品微观分析和地球物理观测，地球科学家将从原子到行星尺度，对矿物和流体如何反应、循环和关键元素重新分配有一个全新的认识。如目前不同学科提供的结果，使我们可以逐渐了解地壳形成和演变的机制、时间与大火成岩体的位置，以及这些深部过程如何改变气候、影响地球各个历史阶段重要元素的分布，进而形成了地表的宜居性。近年来地质年代学、岩石学和地球化学的协同飞速发展，最新一代的微米和纳米分析技术，也进一步为完整系统地确定矿物过去从地球深部形成到目前暴露在地面的温压环境和流变演化历史提供了契机。加强数据科学的训练和研究、开发地球化学和热力学数据库、创造新的网络分析和机器学习途径、探索矿物和生物地球化学演化过程的时域特征及年龄，是目前搭建研究关键元素循环与再分配必须要考虑的重要因素。因此，打破学科界限、融合不同资料，在时域中探索地球，是未来地球科学发展的大趋势。

文章来源：《现代科学仪器》 网址: http://www.xdkxyq.cn/qikandaodu/2021/0316/422.html