我国首口万米深地科探井——中国石油塔里木油田深地塔科1井

从探索地球的奥秘到揭示宇宙的规律，地球科学始终是人类认识与改造世界的重要基石。作为一门古老而经典的基础学科，地球科学经过过去数百年的发展，已经成为一个涵盖多个一级学科（领域）的大学科方向，包括地理学、地质学、地球化学、地球物理学、大气科学、海洋科学和环境科学等，并进一步细分出若干二级学科。地球科学为现代社会文明做出了重要的贡献。随着新一轮科技革命和产业变革的深入进行，全球科研向“四极”前沿发展—极宏观、极微观、极端条件和极综合交叉研究。那么，在科技革命的浪潮中，地球科学将如何走向新时代、走向未来呢？

极宏观研究：行星科学

随着航天技术的发展，人类的探索范围已从脚下的地球拓展到了浩瀚的太空。从20世纪60年代的载人登月，到70年代的火星车着陆，再到2012年探测器飞抵太阳系边缘，人类的太空探索不断刷新着纪录。这些里程碑式的成就标志着人类对太阳系的认知进入了全新阶段，可以说人类已经具备了对太阳系内的众多行星、卫星、小行星乃至彗星开展直接研究的能力。对地外星体的探测，特别是40多年前美国阿波罗载人登月的成功，拉开了行星科学高速发展的序幕。

行星科学是研究行星（包括月球和小行星）的形成与演化、结构和物质组成的学科。地球也是一颗行星，地球科学的研究手段也可以运用到地外行星上。然而，与地球研究相比，地外行星的探测和研究仍处于初步阶段，主要受限于样品的获取难度。截至目前，人类仅从月球和小行星上成功采样返回，而火星样品的返回任务预计要到2030年后才能实现。同时地外返回样品的数量极为有限。例如，前苏联的3次月球采样任务仅带回326克月壤，而美国的6次载人登月任务则返回了382千克样品。我国的嫦娥五号和六号任务分别从月球正面和背面采集了1731克和1935克月壤，为月球研究提供了宝贵样本。面对如此稀少的样品，科学家们必须在研究方法上不断创新，以最大限度地挖掘其科学价值。微区分析技术已成为月壤研究的主流手段，为科学家们提供了大量高分辨率、高精度的成分和同位素数据，为揭示月球的起源和演化提供了关键线索。

除了直接分析地外样品，行星科学的研究还可以基于探测数据（如光谱和遥感数据）以及数值建模，来反演行星的结构和演化历史。这些方法针对行星开展不同尺度的研究。地外样品的实证研究聚焦行星上的一点（即采样返回点），为行星的物质组成提供了基础数据。这些数据与探测数据和数值模型相结合，为探测数据的精确解析提供了关键约束。探测数据则反映了区域尺度的特征，通过大量数据的获取和解析，科学家们能够获得行星的全球信息。高精度探测数据（如遥感和光谱数据）的获取与解析是认识行星宏观系统和太阳系空间环境的基础，但其精确解析仍需依赖实证研究数据进行标定。数值模型基于基本的物理学原理，在实证样品数据和探测数据的约束下，构建行星演化模型，并可用于推测无法直接精确探测的行星（如系外行星）的性质。因此，行星科学未来的发展需要关注如何将实证研究-探测数据解析-数值模拟三种研究方法有机整合起来。

行星科学涵盖多个研究领域，其中与我国未来行星探测计划最为密切的是天体生物学。天体生物学（Astrobiolo?gy）是一门新兴的交叉学科，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来。天体生物学形成于20世纪90年代。近30年来，极端环境微生物研究、系外行星的发现、火星陨石ALH84001上疑似生命遗迹的观察，以及木卫二液态海洋的发现等研究进展，推动了这一学科的迅速崛起。1998年，美国国家航空航天局（NASA）成立了全球首个天体生物学研究所（NASAAstrobiologyInstitute），在短短二十多年里，天体生物学已成为NASA众多深空探测任务的核心焦点。当前，深空探测已成为我国的国家战略，为我国跻身国际竞争前列提供了必要条件。其中，地外生命探测是我国行星探测任务的首要科学目标。计划于今年发射的天问二号将探测目标小行星，其丰富的有机质可能为研究前生命阶段有机质的形成和太空迁移提供关键材料。计划于2028年前后发射的天问三号旨在实现火星采样返回，寻找火星样品中的生命或生命记号（biosignature）是火星探测的最大驱动力。计划于2030年前后发射的天问四号任务将聚焦木星及其冰卫星。此前，卡西尼号探测器已在冰卫星的羽流中探测到有机质成分，这是否意味着冰卫星存在生命，成为了全球科学家关注的焦点。除了探索地外星体，天体生物学还从早期地球中寻找生命起源和演化的证据。地球是目前已知唯一存在生命的行星,因此天体生物学特别关注行星地球宜居环境的形成和演化，以及地球生命如何起源、何时起源、演化过程、生存极限等。基于对地球生命的研究，科学家们建立了可探测的地外生命信号，并开发了有效载荷以进行生命标识的就位探测。地球生命起源是一个核心的基础科学问题，但天体生物学的研究范围不仅限于地球，更是在宇宙演化的背景下探索生命的普遍规律。

极微观研究：纳米地球科学

人类对于微观世界的认识随着显微镜和显微技术的发展而逐渐深入。1670年，列文·虎克发明了第一台显微镜，由此拉开了显微时代的序幕；1895年，威廉·康拉德·伦琴发现X射线，并获得第一张人类X-射线照片（1901年诺贝尔奖）；1919年，弗朗西斯·阿斯顿研制了第一台精密质谱仪（1922年诺贝尔奖）；1923年，康普顿发现X射线光散射效应（1927年诺贝尔奖）；1928年，拉曼发现可见光散射效应，并利用拉曼光谱把处于红外区的分子能谱转移到可见光去观测（1930年诺贝尔奖）；1931年，厄恩斯特·卢斯卡和马克斯·克诺尔研制了第一台透视电子显微镜（1986年诺贝尔奖），显微学由此进入纳米世界；1949年，赫罗和维伯克研制了第一台二次离子质谱仪；1981年，格尔德·宾宁和亨利希·罗勒发明扫描隧道显微镜（1986年诺贝尔奖），显微学进入了原子世界；1986年，格尔德·宾宁、夸特格和柏研制了第一台原子力显微镜，实现了对非导电样品的纳米分辨率观测。显微技术的发展和革新也使人类从显微世界进入纳米世界和原子世界，获取从微米、纳米再到原子尺度的成分和结构信息。

近年来，随着各种大型实验装置和分析测试技术的发展及应用，人类对于微观物质和结构的辨析已经达到了纳米-原子尺度。这些高精尖技术在地质样品中的应用，催生了纳米地球科学这一新兴学科。与传统地学研究相比，纳米地球科学更加强调各种纳米科学技术和方法的应用，通过研究地球和行星系统中的纳米物质结构和纳米尺度现象，在微纳尺度到原子水平上揭示它们的形貌、结构、化学组成、分布特征、演化规律，从而获得宏观地球或行星样品的来源、形成和演化等信息，以及矿物、岩石、化石等可能经历的地质、物理、化学或生物过程，进而重建太阳系的形成与演化。

纳米地球科学为地球科学研究开辟了新的赛道。传统的地球样品研究受限于设备条件，主要集中在物质成分（如元素含量和同位素组成）的分析，并由此发展出一系列基于化学分析手段的学科。尽管分析测试精度和空间分辨率不断提高（达到微米尺度），但纳米尺度的空间分辨率始终是传统地球科学研究的极限，而纳米-原子尺度的成分分析更是长期被视为空白。纳米地球科学通过引入先进的纳米分析技术，特别是在纳米-原子尺度上解析物质结构，突破了传统地学研究的空间分辨率极限，开辟了以物质结构分析为抓手的科研新赛道。

纳米地球科学广泛运用现代物理学、纳米科学和结构化学的分析手段，因此能够将地球科学与其他学科紧密联系起来。正所谓“它山之石，可以攻玉”，借助现代物理学-化学分析技术，地球科学正不断向极微观领域迈进。

深空-深地-深海科学：极端环境（条件）研究

我们日常能够接触的都是常温-常压、适合人类居住的环境，但地球内外却存在着许多极端环境。正在发展的深空-深地-深海科学研究旨在探索广袤的太空、黑暗的深海、内部的地球，认识这些极端环境中的物理、化学、生命过程。极端环境研究将拓宽我们的知识边界，推动地球科学、生命科学、物理学和化学等学科的共同发展。

深空探测不仅是上面提到的行星科学的一部分，同时也为研究极端条件下的物理和化学过程提供了广阔的天地。由于月球没有大气层，宇宙高能辐射以及高速陨石（可以达到20千米每秒）和微陨石撞击能够直接作用于月球表面，改变月表物质的成分和结构。这些极端过程在地球上无法直接观测，以现有的实验条件也很难进行实验室模拟。然而，这些极端过程的影响被清晰地记录在月表物质中。通过对月表物质的分析和研究，科学家们可以反演极端条件下的基本物理-化学规律，不仅揭示了宇宙辐射和（微）陨石撞击对天体物质的改变过程（即太空风化），也为物理学和化学学科的相关领域提供了新的视角。此外，地外样品也是新物质和新结构的陈列馆，例如极高速撞击所造成的极高压和极高温可能会形成一些新结构和新物质。这些发现将极大地拓宽材料科学的视野，为材料科学的发展提供新的思路。

在深海探测方面，我国的载人潜艇已经可以到达地球表面的最深部——马里亚纳海沟，这表明深海探测与开发在技术层面已经完全可以实现。广阔的海底蕴藏着丰富的矿产资源，例如广泛分布的铁锰结壳和多金属泥，以及海底黑烟囱和白烟囱附近富集的大量稀有金属。同时，在海洋漆黑、冰冷、压力巨大的万米深渊中，却孕育着勃勃生机。从深渊微生物到深海沟虾，再到深渊鱼类，不同类型的生物在深渊中构建了一个独特的生态系统，也各自演化出适应极端高压环境的基因。例如，深海鱼类通过积累多不饱和脂肪酸来维持细胞膜的流动性，从而适应极高压的环境。这些深渊生物为生物学和生态学研究提供了宝贵的素材。

相比于深空探测的蓬勃发展，我们对于地球深部却知之甚少。除了地球物理方法以外，深部钻探是了解地球深部的最直接手段。然而，迄今为止，钻探的最大深度记录仍由前苏联的科学钻探井——科拉SG-3保持，其深度为12262米。我国首口万米深地科探井——中国石油塔里木油田深地塔科1井于2024年“冲刺”成功，目前仍在冲击11100米深的目标。向地球深部进军，是解决人类能源、资源和生存空间的必由之路。仅2023年，塔里木油田完钻井深超8000米的井就超过70口，约90%的新增储量来自超深地层，开采出的超深层油气达1957万吨。此外，深地探测能够获取地震波和地下岩层信息，对地震、火山等地质灾害的防范同样具有重大意义。

地球系统科学：极综合交叉研究

现阶段，人类社会发展的巨大的矛盾是资源与环境。一方面，社会发展需要依赖资源的利用；另一方面，资源的开采和利用又带来了环境问题，其中最为突出的就是全球变暖。工业化和城镇化导致大量CO2的释放，使地球呈现变暖趋势，将引发一系列环境危机。如何应对全球变暖？这涉及到地球科学的各个分支，至少包括了地理学、地质学、大气科学、海洋科学、环境科学等多个方面。尽管CO2的浓度增加主要体现在大气中，但其影响却远不止于此，它还会影响海洋的碳库、陆地和海洋的生产力，以及大陆的风化过程，涉及地球各个圈层的相互作用。基于这种认识，“地球系统科学”应运而生。地球系统科学关注圈层间的相互作用，例如大气圈-水圈-岩石圈，这对应着大气科学、海洋科学、地质学-地球化学等学科方向。由于学科分科已经建立了上百年，这些一级学科往往只关注地球科学的一个特定领域，不利于我们认识圈层间的相互作用。亟需打破学科之间已有的框架，重新梳理大地球科学的知识体系，在地球系统的框架下，建立各个一级学科之间的逻辑联系。

地球系统的概念有利于我们应对全球变暖问题，解决该问题的关键在于实现“碳中和”。“碳中和”的实现需要将人类燃烧化石能源所释放的CO2通过生物或者非生物过程封存于海洋或岩石圈中。这一重大工程的完成需要圈层间的相互作用和地球系统框架下的全球碳循环等理论的指导。毫无疑问，传统的地球科学学科分类不利于推进这一宏大工程。要实现“碳中和”国家战略目标，需要对地球科学的学科体系进行重新的梳理，突破原有学科界限，实现地球科学内部的学科整合以及与物理、化学、生物、信息技术等基础学科的大交叉。

地球系统也是在演化的。现今地球的一切都是过去46亿年演化的结果，其中既有由基本物理化学规律所决定的必然因素，更多的则是随机过程的加持。地球的演化经历很多关键的节点，比如生命的起源、氧化大气的出现、全球冰期、动物的寒武纪大爆发、植物登陆、生物大绝灭等，地球系统在任何节点都面临着路径的选择。如果偏离了原有的演化轨迹，一个不同于现今的地球系统将会形成，因此地球系统的历史是不能重演的。正是由于时间维度的加入，地球系统以及地球科学的复杂度呈几何数量级的增长。

虽然在现有的算力条件下，地球系统的数值模拟只能考虑最主要的物理过程，但这仍然是地球系统科学发展的趋势。2021年诺贝尔物理学奖的颁发正印证了这种趋势。该奖项被授予“对我们理解复杂系统的开创性贡献”，一半授予真锅淑郎（SyukuroManabe）和克劳斯·哈塞尔曼（KlausHasselmann），表彰他们“对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”的贡献，另一半授予乔治·帕里西（GiorgioParisi），表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落之间的相互影响”。地球系统科学的发展，体现了地球科学内部各个学科的极端交叉和整合，使之成为一门极具交叉特质的基础学科。

地球科学的“四极”研究：行星科学的极宏观研究、纳米地球科学的极微观研究、深空-深海-深地科学的极端条件研究、地球系统科学的极综合交叉研究，代表了新时代地球科学的发展方向。这些新兴学科拓展了传统地球科学的边界，促进了地球科学内部学科的整合，同时也积极构建了与数学、物理、化学、生物、计算机-信息科学的综合交叉。新时代的地球科学是一个交叉基础学科，运用现代物理学、化学、生命科学、信息科学的原理和方法，来认知和解译地球和行星系统的复杂体系，解决人类未来所面临的资源与环境问题。

（作者：沈冰，系北京大学地球与空间科学学院副院长）