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编辑推荐

适读人群 ：《地球科学新的研究机遇》提出的研究机遇与挑战具有明确的科 学和社会意义，是未来10年国际地球科学的重 要发展方向，可供地球科学领域的科研、教育 和管理工作者及研究生参阅。
　 《地球科学新的研究机遇》简要介绍了美国国家研究理事会地球科学新的研究机遇委员会的研究认识和建议。 本认识适合于所有国家的地球科学研究机遇与挑战。报告提到的维持核心学科研究的需求和支撑跨学科研究的新机制对所有地球科学研究计划而言也都是适用的。

内容简介

美国国家科学院国家研究理事会地球科学新的研 究机遇委员会在广泛研究和征求各方面意见的基础上 ，归纳总结出未来10年地球科学领域新的研究机遇， 包括从地表到地球内部运动过程的研究，以及海洋与 大气科学、生物科学、工程科学、社会科学、行为科 学等领域的跨学科研究，并指出地球科学未来10年出 现的7个新的研究机遇：①早期的地球；②热化学内动 力和挥发物分布；③断裂作用与变形过程；④气候， 地表过程、地质构造和深部地球过程之间的相互作用 ；⑤生命、环境和气候问的协同演化；⑥水文地貌-生 态系统对自然界与人类活动变化的耦合响应；⑦陆地 环境的生物地球化学和水循环，以及全球变化对它们 的影响。
美国国家科学院国家研究理事会著的《地球科学 新的研究机遇》提出的研究机遇与挑战具有明确的科 学和社会意义是未来10年国际地球科学的重要发展方 向，可供地球科学领域的科研、教育和管理工作者及 研究生参阅。

作者简介

张志强，研究员，博士，人文地理学、情报学博士生导师，情报学博士后导师。中国科学院兰州文献情报中心(中科院资源环境科学信息中心)主任、学术委员会主任，中国科学院大学教授，西北师范大学兼职教授。《地球科学进展》(月刊)常务副主编、《天然气地球科学》(月刊)常务副主编、《图书与情报》(双月刊)副主编、《科学观察》(双月刊)编委等。国家自然科学基金委员会地球科学部专家咨询委员会学术秘书。长期从事生态经济学与可持续发展、资源环境科学发展战略、科技战略与科技政策、科技情报学理论方法应用等方面的研究工作。获得省部级以上科技成果奖励14项。独立及合作出版专著(编著)18部、译著8部，发表学术论文280多篇。 郑军卫，中国科学院兰州文献情报中心研究员，博士硕士生导师，《天然气地球科学》(月刊)杂志编委、编辑部主任，《地球科学动态监测快报》执行主编。长期从事能源地球科学学科情报研究和地球科学发展战略研究，曾负责或作为骨干参加各类研究项目／课题20余项。发表学术论文40余篇，参与编写专著4部，出版译著1部(第二译者)。获甘肃省科技进步二等奖1项．甘肃省情报学会一等奖1项。

目录

中文版序
Preface For Chinese Version
译者序
前言
摘要
致谢
第1章 21世纪的地球科学
1.1 地球科学资助趋势
1.2 NROES研究方式
1.3 地球科学的重大挑战
1.4 地球科学相关性
第2章 地球科学新的研究机遇
2.1 早期的地球
2.2 热化学内动力和挥发物分布
2.3 断裂作用与变形过程
2.4 气候、地表过程、地质构造和深部地球过程之间的相互作用
2.5 生命、环境和气候间的协同演化
2.6 水文地貌-生态系统对自然和人为变化的耦合响应
2.7 陆地环境生物地球化学和水循环以及全球变化的影响
2.8 地质年代学最新进展
第3章 认识和建议
3.1 长期研究者驱动的科学
3.2 早期的地球
3.3 热化学内动力和挥发物分布
3.4 断裂作用与变形过程
3.5 气候、地表过程、地质构造以及深部地球过程之间的相互作用
3.6 生命、环境以及气候的协同演化
3.7 水文地貌-生态系统对自然和人为变化的耦合响应
3.8 陆地环境生物地球化学和水循环以及全球气候变化的影响
3.9 地质年代学研究设施
3.10 跨机构和跨国合作与协调
3.11 培养下一代和多样化的研究团体
参考文献
附录A 背景资料清单
附录B 贡献者名单
附录C 委员会成员及职员简介

精彩书摘

第1章21世纪的地球科学
地球科学在21世纪人类所面临的严峻挑战中的作用将变得日益突出，这些挑战包括寻找自然资源以维持地球日益膨胀的人口，减轻那些影响巨大人口和已建的大量基础设施的自然灾害，并在一个不断变化的地球生存环境下实现可持续的环境管理。本报告采用NSF的地球科学术语：地球科学相当于国内的固体地球科学。——译者注（earth sciences）是整个地球科学（geoscience）的一部分，研究重点为地球固体表面、地壳、地幔和地核，包括固体地球与大气圈、水圈和生物圈之间的相互作用。地球科学的研究主题涵盖了从直接实践应用到社会生存（如探测和开采水、矿物以及燃料等资源供应品），到对地球起源、演化和未来的基础性科学研究，这通常对重要的社会决策制定提供资讯。
每个新的10年，地球科学都会有发展。在过去的200年里，地球科学在多个方面扮演了突出的角色：明确了生命的历史；揭开了行星地球表面演化的面纱；量化了诸如地震、火山和海啸等自然灾害的类型；找到了矿物和化石燃料资源；描述了气候系统的历史特征。期待在未来10年及以后，这些角色将获得实质性扩展，在地球科学领域推动广阔的基础研究需求以及在学科方面培养研究人员和从业人员，这种提升将远远超出目前的能力。
虽然这种加速的需求在地球科学领域显而易见，并且EAR研究计划受充分认识本学科重要性以及对人类必须面临的挑战做出贡献的众多机遇所引导，但现实情况是地球科学在支撑基础和应用研究与教育的美国各级教育系统和联邦机构受到的重视程度比保证的要低（National Center for Education Statistics，2011）。在全国各地，高中和大学课程很少强调对有关地球科学和环境科学进行学习(Hoffman and Barstow，2007)，这限制了吸引高素质的学生进入这一领域。只有美国联邦政府机构和教育机构通过积极的努力，认识到在解决目前和不久的将来地球科学面临的挑战中对有才能的学生提供更好的教育、培训和职业跟踪的价值和需求时，才可能克服这种自我限制的形势。
在NRC 2001年报告——BROES的基础上，EAR和地学学部（GEO）通过继续资助地球透镜计划——重大研究装备和设施建设（Major Research Equipment and Facilities Construction MREFC）项目，在提升地球科学在NSF的地位方面向前迈出了一大步。该项目是地学学部地球科学处第一个重大研究装备和设施建设（GEO/EAR MREFC）项目，为此地球科学处已经从NSF主要资助诸如物理学、天文学和大气科学等传统科学学科的经费中吸引了大量的外部资源（2亿美元）用于设施建设。地球透镜计划经过2003~2008年的设施建设，目前已实施了从第一阶段到至少2个五年规划建设阶段的一半 (Williams et al.，2010)。
在创建高度分布式设施方面，地球透镜计划是对MREFC计划的创新，许多数据收集节点分散在美国各地（与诸如天文望远镜或物理加速器等典型本地化的设施形成对比），其包括3个对北美大陆提供前所未有的观测数据的关键设施，即板块边界观测站（Plate Boundary Observatory，PBO）、美国地震监测台网（USArray），以及位于深部的圣安德烈斯断层观测平台（San Andreas Fault Observatory at Depth，SAFOD）。地球透镜计划设施建设准时按预算完成了5年MREFC阶段任务，这在联邦政府机构支持的大型设施建设史中是罕见的。正如本报告后面所描述的，来自地球透镜计划各组成部分的科学成果迅速呈现，并且对EAR甚至GEO而言，该项目是一个巨大成功。
这一成功为EAR提供了一个明确的机遇，使其作为一个与物理科学、天文科学和生物科学中许多重大举措同样的重大研究活动发起者赢得认可。地球科学不仅在21世纪发挥关键作用，而且目前地球科学已经证明内部组织能力提升了重大倡议的任务和资助水平，这些倡议是该领域应对未来挑战所需要的。在本报告后面确定的新兴研究机遇将需要可比性的努力来达到其目标；地球透镜计划已经表明地球科学界和EAR可以成功地应对这些挑战，而NSF将需要认识到在该学科基础研究方面加强投资的重要性和可行性。在21世纪，地球科学必须加入美国寻求的大科学活动行列；如果能将扩大基础认识的新机遇作为解决21世纪社会挑战的基础，其不可能仍保持泛泛的发展。
1.1地球科学资助趋势
本报告是为应对联邦政府对地球科学基础和应用研究资助下降的背景而发布的，同时强调追求对研究投资可以提供巨大回报的定向新研究机遇的重要性。在一些支持地球科学研究的联邦政府部门和机构中，NSF是唯一一个主要任务为资助基础研究和教育的机构。只有NSF通过其EAR部门对研究者驱动的、所有地球科学核心学科基础研究提供主要资助。虽然实质性的地球科学研究是由DOE、USGS和NASA推动的，这些计划的重点大部分是战略性重点和任务导向。例如，在这些计划的“美国总统2011财年”地球科学活动预算中强调气候变化和可再生能源资源研究。DOE和USGS已确定增加对碳捕获与封存、气候变化以及地热研究和开发的资助。NASA将增加对地球观测卫星的资助。NSF的GEO提供了所有针对整个地球科学的联邦政府资助的约63%，将获得2001年BROES报告发布时EAR资助水平 2倍左右的预算。
整个地球科学研究的联邦政府资助趋势受到了显著关注。图1.1展示了所有机构的资助趋势，并描绘出针对基础研究和应用研究的资助在总的研究资助中所占百分比的下降态势。伴随整个研究资助百分比的这种下降态势，针对大学的地球科学研究资助相对增加，这是NSF和EAR发挥主导作用的领域。
图1.1美国地质学会（AGI）统计的联邦政府对整个地球科学的资助趋势
（资料来源：AGI，2009）
1.2NROES研究方式
在本报告中，NROES确定出地球科学新的研究机遇，因为这涉及NSF的EAR部门的责任。特别地，委员会开展了4项工作：
（1）确定未来十年中地球科学高优先级新的和正在出现的研究机遇，包括表层地球过程和深部地球过程以及与诸如海洋与大气科学、生物科学、工程科学、计算机科学、社会科学和行为科学等领域间的跨学科研究。
（2）确定支持这些新兴和潜在的研究机遇的关键仪器和设施。
（3）描述EAR与联邦政府其他机构计划、行业和国际计划之间在这些新领域和新兴领域加强合作的机会。
（4）建议EAR可以帮助培养下一代地球科学家、支持年轻研究人员，并增加在该领域弱势群体参与的新途径。
该委员会并没有被要求评价现有的EAR计划或制定预算建议。在没有首先获知该报告被公布的情况下，这些问题不能得到解决，因此以下各部分给出了为委员会的做法提供信息支撑的有关地球科学地位的观点。
1.3地球科学的重大挑战
2008年NRC的报告《地球的起源和演化——变化行星的研究问题》本书译者也曾翻译该报告，并于2010年在科学出版社出版。——译者注确定了21世纪 10个将推动现代地球科学发展的重大研究问题：
（1）地球和其他行星是如何形成的？
（2）地球“黑暗时期”(地球诞生后的最初5亿年)究竟发生了什么？
（3）生命是如何起源的？
（4）地球内部如何运动及其如何影响地表？
（5）地球为何拥有板块构造和大陆？
（6）物质特征如何控制地球演化过程？
（7）什么原因引起气候变化，气候变化幅度能有多大？
（8）生命如何改变地球，地球又如何塑造生命？
（9）能够预测地震、火山喷发及其后果吗？
（10）流体流动和搬运如何影响人类环境？
NROES承认上述问题是该领域的基础问题，回答这些问题将采取持久和认真的努力以及对具有能以目前认识为基础和克服目前局限性的新一代研究人员的准备。
EAR的基本作用是支持获得类似上述提到的重大问题引发的获取地球系统基本知识的基础研究，以及促进可以直接用于国家战略需求的认识。与面向任务机构的密切合作对将基本认识延伸到应用研究和过程领域至关重要。2001年BROES报告（NRC，2001）确定了在5个最终会影响人类福祉的主要领域EAR资助怎样的地球科学基础研究：
（1）自然资源的发现、利用和保护——燃料、矿物、土壤、水。
（2）自然灾害的特征描述和减轻——地震、洪水和干旱、滑坡、海啸、火山。
（3）基于地球科学的工程——城市发展、农业、材料工程。
（4）环境管理工作——生态系统管理、适应环境变化、修复、减缓人类的不良影响。
（5）出于国家安全的陆地监视——武器控制条约核查、精确定位、测绘、地下遥感。
在过去的10年中，只是增加了这些问题的重要性和相关性，种种迹象表明，这一趋势将持续贯穿21世纪。BROES报告对基础研究在地球科学每个方面的角色进行了详细描述，这里不再重复，因为NSF和EAR致力于支持地球科学基础研究这点是明确的。委员会着重指出了一些当我们进入21世纪第2个10年时应加强关注的问题。
1.4地球科学相关性
世界人口预计在2011年底将达到70亿人因为本报告完成于2011年，在报告写作时还没到2011年年底，故该年的世界人口数据为估计值。——译者注，2050年将约为92亿人，对食品、燃料、原材料和水的需求持续增加。这些人口的大部分将继续集中在活动的海岸带附近，而满足这部分人群的需求及认识伴随的对环境的影响是地球科学所做贡献的一个关键领域。这些人口对能源的需求是巨大的。2008年，世界能源总消费量为474×1018 J，相当于年平均耗电率为15×1012 W。作为参照，从地球内部到地表的能量通量估计为46×1012W。基于可以找到满足消费需求能源的前提，所有的预测都预期了能源消耗的稳定增长。化石燃料，如石油、天然气、煤炭将是从陆地储层中获得能源的主要来源。随着容易找到并开采的化石燃料的大量开发，石油勘探和开发公司对受过专业训练的地球科学工作人员的需求稳步增长。这包括对具有广泛地震学、地球物理学、水文学、岩石流体相互作用以及计算机建模技能的地下勘探专家和油藏管理专家的需求。核电站同样需要富集在地质地层中的核原料，而水电站涉及庞大的地质工程工作，需要在水文地质和地形演化方面的坚实基础。不断增长的能源需求将提高整个21世纪地球科学培训和研究的重要性。
地球科学家致力于识别岩石物质、矿物和矿石，其服务于建筑材料和关键行业方面的社会需求。对扩大材料供应以及减缓发现和开采这些材料的长期环境影响的不断发展的需求将继续贯穿21世纪，再次推动对成岩过程、流体岩石相互作用、热液体系、流域水文学和构造历史方面的地球科学知识的需求。对矿石分布和沉积过程中生物作用认识的提高，进一步推动了对地球生物学培训和知识的需求。
淡水供应是人口增长所伴随的最大挑战之一，而对水资源的明智决策需要有关运行于近地表环境的复杂水文系统，以及它们对自然和人为改造如何响应的知识。一套涉及面广的地球化学、地球物理学和地球生物学方法是调查含水层和地下水系统的核心。增加可开展水管理的专业人员总数和提高可用于水管理的分析工具将是21世纪的持续需求。
土壤提供了用于农业、水过滤，以及建筑业和制造业活动的必要资源，而认识这些具有生物活性、复杂结构的多孔介质要求EAR资助对浅

前言/序言

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