科学技术

地球科学核心问题凸显地热研究重要性

2020-06-19 18:14

 

  近日,美国国家科学院、工程院和医学院(简称NASEM)发布了地球科学十年发展规划指导意见《时域中的地球:美国国家科学基金会地球科学十年发展愿景(2020~2030)》。这一报告凝练出未来十年美国地球科学需要优先关注的12个最紧迫的核心科学问题。

  虽然NASEM报告在对这12个科学问题的字面描述中直接提到地热的地方并不多,但所有这些问题的答案却或多或少都与地热学研究有关,地热研究的重要性得到充分体现。笔者谨参照NASEM报告对这12个科学问题进行简要注释,并从地热学的角度进行示意性的解读。

  在地质时间长河中,是什么驱动着“地球发电机”?又是什么控制着“地球发电机”的变化速度?寻找这类问题的答案对于认识地球内部与大气圈的相互作用具有重要意义。从地热学的角度,“地球发电机”运转的前提是地核温度随深度(压力)的变化曲线至少两度跨越地核物质的液相线,从而形成能够发生相对运动的固相和液相圈层。

  目前地学界仍然缺乏对于“为什么只有地球有,而其他星球没有板块构造运动”以及“地球板块运动在地质历史时期的变化”等问题的全面认识。从地热学的角度,地壳和上地幔温度的时空变化决定了岩石圈的厚度和软流圈的流变特性,认识地球热演化历史是认识地球板块构造运动演化的一块基石。

  关键元素是指造就生物、地球深部氧化还原、地质过程示踪和人类现代社会经济、医药、军事和先进制造等所需要的化学元素。目前人们对于这些元素在不同时空尺度上的迁移规律仍然存在许多重要疑问。从地热学的角度,一方面任何元素的富集与迁移都离不开其特定的温度;另一方面,关键元素铀和钾放射性同位素的衰变是地球内热的重要来源,同时也是构造热运动的重要示踪元素。

  地球内部既可能发生极其缓慢的塑性变形,也可能发生非常快速的爆发式脆性变化,使得地球科学家不能不重新思考地震的本质究竟是什么。从地热学的角度,地震和大地热流是地球内部能量聚集与耗散在时空域上的两个端元,地震是间歇性、突发性和局部性的能量转换事件;而大地热流则是连续性、普遍性的能量平稳传输过程,两者存在内在联系。不仅如此,发震地质体的温度决定了地震的级别和地震波的速度。

  火山活动既牵动地球系统多个组成部分,又对人类社会活动具有多方面的影响,因此迫切需要研究各个地质历史时期岩浆的生成、上升和喷发机制。从地热学的角度,火山爆发是地球内热最强烈的地表显示。地壳和上地幔物质在特定的温度和压力条件下发生熔融、分异、迁移、滞留、喷发和冷却的过程,一方面受控于所在区域的构造热背景,另一方面又必然对其周边的地温产生深刻的影响。

  地形变化与气候变化、构造运动和沉积剥蚀等过程密切相关,定量测量从地质时间尺度到人类时间尺度不同时期地形变化的技术进步,使研究地球深部过程、地表过程和人类社会发展之间的关系成为可能。从地热学的角度,低温年代学方法就是在过去二三十年迅速发展的一种研究地质历史时期构造变形、地表和地形地貌演化等地表过程的地热学方法,已在造山过程、盆地演化、油气资源、地质灾害防治和气候变化等研究领域中得到广泛应用。

  关键带的属性影响陆地与大气圈之间各种物质与能量的交换过程。目前越来越多的科学家开始意识到,关键带对气候变化有重要的反馈作用。从地热学的角度,地气热耦合是陆地与大气圈之间相互作用的一个至关重要的环节,浅层地温变化能够影响大气热动力学状态,从而对各种尺度的气候变化产生重要影响,青藏高原浅层地温场对东亚季风的控制就是一个实例。

  我们需要从各种古气候记录中解读长期和突发性气候变化,从中寻找认识气候变化驱动力、反馈、响应和阈值的线索,以预测气候变化的趋势。从地热学的角度,地面温度是地温场的重要边界条件,地面温度随时间变化所产生的热扰动会向下并被记录在地下。通过对钻孔温度随深度的变化的分析,可以获取地面温度随时间变化的信息,进而研究古气候变化的历史和可能的原因。

  要认识现在和将来水循环的变化,就必须认识陆地水循环系统与气候变化和人类活动等诸多过程的相互作用。从地热学的角度,在全球和区域尺度上,水循环是“水圈大气圈岩石圈”热交换和热耦合的重要过程,其中陆地浅层地温场的变化是驱动季风和水循环的重要动力。此外,在地下水研究中,钻孔地温数据分析是识别地下水上升流(排泄区)和下降流(补给区)的有效方法。

  生物圈是经过数十亿年演化而来的,在其演化过程中与地球表层发生着无休止的生物化学作用。为了量化生物过程在各个时间尺度上对岩石和矿物形成、风化和碳循环的影响,必须深化对于生物化学循环的认识。从地热学的角度,无论是生物的繁衍,还是岩石矿物的形成与风化分解,温度都是一个重要的控制因素,因此,地热研究对于生物地球化学循环研究具有重要意义。

  生物多样性是地球最耀眼、最基本的特征之一,也是最令人费解的问题之一。合适的地球浅层温度是维系生物链的基本条件之一,因而地温的变化必然影响生群的兴衰。由于地壳和地幔导热能力的差异而造成地球内部热量不能顺畅散发而发生局部囤积与爆发式,从而引发地震和火山爆发等重大地质事件,更可能引起生物多样性的突变。

  目前人们对地震、海啸、火山、滑坡和洪水等重大地质灾害的孕育、发生和发展过程的认识,还远没达到定量化和可预测的水平。从地热学的角度,地热研究至少对于地震和火山活动成因机理的认识是不可或缺的,地温测量更是地震和火山活动的重要监测项目和短期预报的重要依据。

  虽然以上解读是简略和示意性的,但已足以看出地热研究在整体地球科学研究中的重要性。地热学理论和地球内部热模型的发展,不仅对地球科学诸多研究领域的发展具有促进作用,而且具有重要的实际应用价值。

  笔者,在科技部、国家自然科学基金委员会和中国科学院等部门制定的“十四五”科学技术发展规划中,适当加大对地热基础研究的资助力度,组织实施具有基础性和引领作用的国家级地热基础研究重大项目,同时鼓励在其他地球学科重大科研项目中增设地热课题,促进地热学研究与其他学科领域研究相辅相成,特别是要加快地热研究领域的人才培养。