加强地球系统内外联动的研究 |《科学通报》专题

地球系统内外联动机制专题

《科学通报》2024年第2期“香山科学会议专栏”出版“地球系统内外联动机制专题”，欢迎阅读！

特邀编辑

徐义刚院士

中国科学院广州地球化学研究所研究员, 中国科学院院士、美国地质学会会士、美国地球物理联合会会士、国际地球化学学会会士. 主要从事地幔岩石学、深地科学和宜居地球研究.在华北克拉通破坏、峨眉山大火成岩省以及东亚大地幔楔等方面取得创新认识.

谢树成院士

中国地质大学(武汉)教授, 中国科学院院士, 生物地质与环境地质国家重点实验室主任, 国家自然科学基金委员会地球生物学创新研究群体负责人. 主要从事地球生物学研究.

编者按

地球科学在经历了19世纪的神创论到进化论、20世纪的固定论到活动论两次转型发展之后, 到21世纪迎来了地球系统科学的大发展时代[1], 地球科学的研究前沿和发展方向正发生重要变革. 地球系统科学的一个关键主题是地球系统的内外联动, 它不仅涉及地球的物理过程、化学过程和生命过程交织在一起的动力学过程, 还直接关系到宜居地球的形成及其发展演化. “十四五”期间科技部启动的“地球系统与全球变化”专项正是这一发展主题的体现.

2022年8月24~25日, 召开了以“地球系统与全球变化”为主题的第S68次香山科学会议学术讨论会. 来自国内近30家单位的21位院士与30余名专家学者出席会议. 会议围绕“地球宜居性演化过程和关键因素”“深部圈层相互作用及对宜居性的控制机理”“全球变化特征、影响和机理”“全球变化适应与应对”和“数据集成、数值模拟与同化、信息智能化”等中心议题进行深入讨论. 本专题正是此次香山科学会议的成果, 11篇文章都由参与此次讨论会、活跃在科研一线的学者撰写. 专题内容丰富, 覆盖了地球宜居性的深部驱动机制、地球内外系统联动机制及其在环境、灾害和全球变化中的作用.

地球固体圈层对流体圈层的影响是宜居地球形成的一大关键过程. 徐义刚等人[2]从深浅联动角度提出, 地球深部过程因直接影响地球外部圈层而成为地球宜居性形成的一个重要因素, 未来需要关注早期地球、地磁场、深地挥发分循环、超级火山、深地新化学反应和地质空调器等与深部过程有关的诸多方向探索, 从多学科角度开展地球固体圈层与流体圈层的整合研究. 固体圈层对流体圈层影响的一个重要方面是大陆裂解和海峡开闭对海洋与大气环流的重组、气候转型以及动植物演替的影响. 孙继敏等人[3]以特提斯海为例, 提出特提斯海峡的闭合过程对生物圈产生了显著影响, 包括海洋无脊椎动物从特提斯海向印度洋和西太平洋的迁移, 以及哺乳动物在欧亚大陆和非洲大陆之间的迁徙. 特提斯海峡关闭还改变了海洋环流, 进而影响了东南极冰盖的扩张和南亚季风.

深部过程对岩石圈及其构造演化的影响是地球系统内外联动的一个重要体现. 传统观点认为, 大陆岩石圈与对流地幔的物质交换局限在板块边界或热点附近, 而大陆内部岩石圈对深部动力过程的响应是被动的. 刘丽军等人[4]则提出, 大陆岩石圈对深部动力过程具有主动作用, 大陆岩石圈可以通过拆沉和折返的形式主动参与地幔对流, 进而更加深刻地影响深浅能量和物质交换, 从而导致大陆岩石圈与深部地幔在超大陆时间尺度上的协同演化. 莫佳君等人[5]以庐山地区的地质构造和岩浆岩为实例, 提出了该地区晚中生代地质演化是深源岩浆与浅部构造变形相互作用的体现, 揭示了研究区晚中生代深源岩浆演化与逆冲推覆构造和片麻岩穹隆的共生关系. 他们提出, 由岩浆热弱化地壳强度是庐山地区发育逆冲推覆构造的关键条件, 而推覆构造和韧性剪切带隔热作用是基性岩浆发生高程度分异的重要因素, 由此进一步阐述了早白垩世太平洋板块俯冲作用所造成的板内强烈变形和造山运动.

火山活动对陆地植被和气候的影响是地球系统内外联动的另一个重要体现.张原等人[6]总结了火山活动的辐射效应和气候效应对陆地植被与碳循环的影响, 大型火山活动的散射辐射效应总体上有利于植被的光合作用而增加陆地碳汇. 火山的气候效应会导致全球尺度的降温和区域尺度降水的变化, 虽然对不同纬度植被光合作用的影响有差异, 但总体上有利于增加碳汇. 尽管如此, 火山活动对气候变化和陆地生态系统的影响还存在诸多不确定性. 王永达等人[7]强调了地球深部过程对气候冷暖变化的影响. 深部过程主要通过大火成岩省、俯冲带、裂谷岩浆活动等地质过程释放大量CO2进入大气导致升温, 但又通过增强风化作用、刺激大洋初级生产力及其碳埋藏以及气溶胶而出现降温. 总体上大部分极热和极冷事件的发生都可归因于大规模岩浆活动, 但是岩浆活动引发的系列反馈过程以及对极热和极冷事件的触发与维持机制仍缺乏深入理解. 周天军等人[8]深入总结了火山活动通过气溶胶对气候产生影响的基本原理和研究方法. 总结了过去2500年主要火山喷发对全球气候、厄尔尼诺-南方涛动、东亚和中国气候的影响, 以及火山喷发对年代际气候预测和未来气候预估的影响. 未来需要加强火山影响全球和区域气候的物理学机理研究、“平流层化学-气溶胶-气候”耦合模式的研发, 并需要重视现代小型火山喷发对气候的影响.

氧气(大气圈)、生物多样性(生物圈)、自然灾害(岩石圈)等这些表层系统的变化很好地记录了地球系统内外联动的效应. 氧气通过调整着地壳、地幔和表层系统的氧化还原状态而影响了地球的演化方向, 传统认为地球上的氧气主要与生物产氧光合作用有关. 胡清扬等人[9]综述了地质历史中的大气增氧机制, 讨论大气氧来自地球表层和深层的源与汇, 提出了地球深层可能存在一个隐藏的氧储库, 一些重大地质事件可能与这一深部氧储库有密切关系. 生物多样性变化与深部过程引发的气候剧变有关. 沈树忠等人[10]提出, 环境因子的变化速率是地质时期生物多样性变化的根本驱动因素, 与火山作用相关的地球表面温度、CO2、海洋酸碱度、干湿度等快速变化会导致生态系统的灾变, 未来需要通过建立深时地球系统模型, 开展古-今记录、冷-热极端气候、海-陆生态系统和长-短时间尺度的综合对比研究. 地球系统各圈层相互作用的一种最剧烈形式表现在自然灾害上. 王岩等人[11]归纳总结了自然灾害在强度、频率、持续时间、触发时间与位置、规模或影响范围等方面的变化规律, 阐述了气候变化对自然灾害的影响, 提出了气候变化驱动的圈层相互作用和内外动力耦合致灾机制、跨时空尺度灾害发育规律等问题是未来需要突破的重大挑战性难题.

除了深部过程对岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的强烈影响外, 表层系统反过来也会对深地系统产生重要影响. 谢树成等人[12]总结了板块俯冲将大量沉积物带入地球深部, 对地幔不均一性、岩浆活动、变质作用和构造运动都能产生影响. 前寒武纪一些活跃的全球构造运动及超大陆形成可能与深俯冲的沉积物有一定关系, 4.3亿年以来陆地植物的大发展和2亿年以来海洋三大浮游生物的大发展都通过改变沉积物成分而影响深部圈层物质的演化. 表层物质进入地幔关键带的定量化示踪技术方法体系以及表层物质是否改变了深部圈层的演化方向, 是亟待突破的重大科学难题.

受限于篇幅, 本专题抛砖引玉, 旨在强调多圈层相互作用在地球系统和全球变化研究中的重要地位, 并由此提出这一前沿方向的一些重要主题和未来需要解决的重大难题, 为新一轮的地球科学变革提供引导.

专题篇目

1. 汪品先, 田军, 黄恩清, 等. 地球系统与演变. 北京: 科学出版社, 2018. 514−523

2. 徐义刚, 黄小龙, 王强, 等. 地球宜居性的深部驱动机制. 科学通报, 2024, 69: 169−183

3. 孙继敏, 沙金庚, 王世骐. 新生代特提斯海峡关闭过程及其圈层耦合效应. 科学通报, 2024, 69: 184−199

4. 刘丽军, 陈凌. 大陆岩石圈与地球深部动力过程的协同演化. 科学通报, 2024, 69: 200−214

5. 莫佳君, 徐义刚, 何斌. 庐山地区晚中生代深源岩浆与浅表构造变形的相互作用. 科学通报, 2024, 69: 301−316

6. 张原, 梁尔源, 汪涛, 等. 火山喷发对陆地植被与碳循环影响的研究进展. 科学通报, 2024, 69: 160−168

7. 王永达, 杨石岭, 沈冰, 等. 地球深部过程与极热和极冷事件. 科学通报, 2024, 69: 215−229

8. 周天军, 左萌, 满文敏. 火山气溶胶影响气候的研究现状与未来. 科学通报, 2024, 69: 230−252

9. 胡清扬, 罗根明, 李元. 大气增氧机制: 地球表层过程与深部氧化还原状态的耦合. 科学通报, 2024, 69: 253−267

10. 沈树忠, 张飞飞, 王文倩, 等. 深时重大生物和气候事件与全球变化: 进展与挑战. 科学通报, 2024, 69: 268−285

11. 王岩, 王昊, 崔鹏, 等. 气候变化的灾害效应与科学挑战. 科学通报, 2024, 69: 286−300

12. 谢树成, 罗根明, 朱宗敏. 地球表层系统对深部圈层时空演变的影响. 科学通报, 2024, 69: 149−159