【黄岛讲坛(第25期)】资源与环境院士论坛举行

  【本站讯】5月4日,中国科学院院士傅伯杰、朱日祥、郑永飞、王成善、王会军、周成虎做客第25期黄岛讲坛,为师生带来“资源与环境”系列报告。论坛由中国科学院院士杨元喜,中国科学院院士、校长郝芳,副校长操应长共同主持。

郝芳发表致辞。他指出,正值五四之际,在青岛召开院士资源环境论坛,有利于激发青年教师和青年学生的爱国热情和学习热情。此次论坛阵容强大,报告内容覆盖非常广,涵盖了资源环境的各个领域,对于启迪科学研究思路及推动学校科研和教师成长有重要意义。

  中国科学院地学部主任傅伯杰院士发表致辞。他指出,中国科学院是国家在科学技术方面的最高职权机构,肩负着国家在推动科学技术发展方面的重要使命。石油大学是国家在地球科学和资源环境领域的科学研究和人才培养基地,这次交流,不仅推动了科学研究和人才培养,更对共同推进国家地球资源科学研究,人才队伍的建设和学术的发展有重大意义。

  傅伯杰院士作题为“地球科学前沿与优先发展领域”的报告。他指出,地球科学是认识地球的一门基础科学,探究发生在地球系统的各种现象、过程及过程之间相互作用机理、变化及其因果关系,并为解决资源供给、环境保护、防灾减灾等重大问题提供科学依据与技术支撑。地球科学是既古老又年轻的学科,Science列出迄今为止尚未解决的10个科学问题,有6个和地球科学直接或者间接相关。

  地球科学呈现出以下发展态势:全球化和定量化发展,学科之间的相互渗透与交叉,多时空尺度和多圈层综合研究,思维方法强调“地球系统”,地球科学与技术的协同发展,观测与模式融合发展,呈现出“四深”:深海、深地、深时、深空研究的态势。

  二十一世纪,地球系统科学成为地球科学研究的最大主题。大气圈、水圈、岩石圈、生物圈等各个圈层被视为有机联系的地球系统。研究视角从单一圈层到多圈层,从单一过程到耦合过程,从单要素分析到综合研究。

  新技术和平台建设在地球科学前沿研究中的作用凸显。现代技术手段的开发应用,科学分析仪器的研制、观测监测网络平台的建设,成为地球科学前沿研究的重点内容,推动各学科从中观向微观探索和宏观综合不断拓展。

  国家自然基金委列出了地球科学优先发展的12个领域是:地球观测与信息提取的新理论、技术和方法;地球深部过程与动力学;地球环境演化与生命过程;矿产资源和化石能源形成机理;海洋过程及其资源、环境和气候效应;地表环境变化过程及其效应;土、水资源演变与可持续利用;地球关键带过程与功能;天气、气候与大气环境过程;日地空间环境和空间天气;全球环境变化与地球圈层相互作用;人类活动对环境和灾害的影响等。

  傅伯杰院士还特别介绍了未来地球计划。“未来地球计划(Future Earth)”(2014-2023)是由国际科学理事会和国际社会科学理事会发起,联合国教科文组织、联合国环境署等组织共同牵头组建的为期十年的大型科学计划。主要研究主题一是动态的星球:观测、解释和预测地球、环境和社会系统的变化趋势、驱动机制及相互作用。二是全球发展:人类可持续发展面临的食物、水、能源和健康等重大问题。三是可持续性转型:观念、行为、技术与社会经济发展途径,跨部门、跨尺度的全球环境治理与管理策略。在可持续发展背景下,学科交叉融合成为国际研究趋势。

  朱日祥院士作题为“大洋钻探——地球科学创新的前沿”的报告。

  他指出,大洋钻探起因于美国科学家于1957年提出的Mohole计划,历经10年努力,始终未得到国会支持。但夭折的“莫霍计划”却推动了大洋钻探计划的实施,带来20世纪地球科学的革命。半个多世纪以来,利用大洋钻探的先进技术,科学家钻到海底“窥探”地球。朱日祥院士借用许靖华教授“大洋钻探船革了地球科学的命”指出了大洋钻探技术对地球科学的巨大贡献和意义:大洋钻探技术的系列成果证实了板块学说,改变了地球科学发展的轨迹,并创立了古海洋学。

  大洋钻探尽管取得了诸多重要进展与突破,但仍然有许多重要科学问题亟待解决,海底之谜还在继续,穿越Moho面,仍是地球科学家的梦想。

  目前正在执行的“国际大洋发现计划”共有25个成员国、3个执行平台。即美国的“决心号”、日本的“地球号”和欧洲提供的“特定任务平台”。美国“决心号”仍是主角,虽然“地球号”立管钻探优于“决心号”,但是取得的科学成绩却非常有限;40年大洋钻探后,世界洋底仍旧留下了大片空白。2023年国际大洋发现计划结束,在这种情况下,2021年中国的大洋钻探船将下水,届时中国地球科学家有了自己的平台,要做全球引领性的科学,下列一些前沿性科学问题值得我们深入思考和研究:

  前沿之一是穿越地球的Moho面。这就要求我们首先确定在什么地域、打穿何种构造?需要我们解决一系列技术难题。过去若干年,国际大洋钻探曾聚焦于超快速扩张洋脊和超慢速扩张洋脊两种不同的海底构造,但取得的科学共识小于争议,未来亟待加强海洋地球物理等探测。

  前沿之二是板块运动驱动力与俯冲起始机制。过去的研究主要聚焦于地幔对流、俯冲板片拖曳、地幔柱驱动和洋脊推动等几个方面的研究。未来需要从地球系统学科的角度开展综合研究,特别要加强对海陆相互转换动力过程的研究,力争为地球科学新理论的建立作出我们应有的贡献。

  前沿之三是流固作用与海底过程。地球内部的流体就如同人体的血液,与地球演化、资源、环境、气候系统变化等密切相关,是发展地球系统科学的切入点。海底碳通过冷板块俯冲,存储于地球深部,火山活动强烈影响地表碳总量;新生洋壳平均孔隙度(12.4%)--洋底是漏的,且是循环的;水-岩相互作用使板块富水,改变洋壳矿物组成。因此,未来需要深入研究地球内部流体循环、洋壳从诞生到俯冲消亡过程中“水-岩”相互作用等科学问题。

  前沿之四是海底过程与生命演化。过去40多年大洋钻探科学发现之一是认识到生命不需要光合作用,水深几千米的洋底也有数不清生物的种属,依靠的是化学合成。未来需要地球科学家、化学家、生物学家通力合作,深入研究蛇纹石化过程中甲烷和各种蛋白质物质的成因以及泥火山的演化规律,或许有助于我们破解地球生命起源之谜。

  朱日祥院士表示,科学研究贵在创新,没有创新,科研就是最普通的职业,不会成为第一生产力。海底科学尚有很多观测与理论的矛盾,神秘而又深邃的海底仍呼唤着新的地球科学理论。

  王会军院士作题为“板块俯冲带的结构和过程”的报告。

  他指出,地球气候是一个基本的生存环境要素,它的变化会改变地球上的一切生命生存的环境,它的变化也会带来一系列灾害,所以,理解地球气候如何变化以及如何预测是气象学家和气候学家们的根本任务。

  “ENSO”是厄尔尼诺与南方涛动现象的合称,是热带海洋大气变化的最主要信号。热带气旋就是俗称的台风。这两个都是地球气象和气候变化的基本因素。

  最近我们的研究发现,除了过去认为的太阳黑子活动可以对地球气候产生某种调整,太阳风的能量,特别是进入地球大气磁层的太阳风的能量,可以改变ENSO位相和热带气旋的活动。

  过去的研究采用太阳黑子数、太阳特定辐射波段强度来研究太阳活动对气候的影响,这些指标主要呈现年代际变率,即准11年周期,忽视了探讨太阳活动与地球气候年际变率之间的联系;另外,这些指标反映的是太阳活动本身的强弱,并不是定量衡量进入“地磁系统”的能量大小;对转移到磁层的能量的定量表达也停留在经验层面,在物理学上也未得到充足解释。

  王会军院士团队提出太阳风能量影响海洋和大气变化的作用机制的两种猜想。

  一是太阳风能量偏高时,引起太阳紫外辐射的增强从而引起热带对流层和平流层大气的加热,这一加热现象有很好的持续性。在热带,地球大气通过紫外辐射增强而得到增暖,然后通过Brewer-Dobson环流向高纬度输送,再通过臭氧吸收,并进一步将能量下传后引起地球表面大气波动的增强,再通过经圈环流影响热带大气,进而影响热带ENSO和南方涛动。

  二是太阳风能量影响到宇宙射线,影响云的覆盖和地表热量平衡,从而影响风的垂直切变和海洋温度变化。这样两个机制将云的变化到地球辐射过程的变化以及大气环流的变化、热带气旋活动的变化联系起来,进一步说明太阳风能量通量可以影响ENSO的相位和热带气旋变化。

  郑永飞院士作题为“板块俯冲带的结构和过程”的报告。

  他指出,半个世纪前,板块构造理论的问世是地球科学领域的一场革命,是二十世纪自然科学十大进展之一。板块构造理论由大陆漂移、海底扩张和板块俯冲三个部分组成,其中板块俯冲是这个理论的核心。因此,俯冲带研究对地球科学具有全局性的引领作用。

  板块构造理论常被用来探讨岩石圈运动的原因。地球自形成以来在地表和内部进行着不停息的运动和变化,地球表面形态特征正是地球内外力综合作用的结果。板块俯冲带是地球上资源和灾害出现异常的地方。

  俯冲带又称消减带,是俯冲板块与上覆板块之间的结合带,是两个板块之间的边缘部位,以发育强烈的地震和火山活动为特征,是地震成因带和流体活动带。俯冲带由俯冲板片向下弯曲形成的海沟、从俯冲板块表层刮削下来的增生楔、上覆板块地壳之下的地幔楔三部分组成。

  板块俯冲会导致地震灾害、火山喷发和资源富集。从地质上来说,会出现变质作用、岩浆作用和元素迁移。地球化学上,发生壳幔相互作用,一方面地幔向地壳有物质传输形成新生地壳,另一方面地壳向地幔有物质传输导致地壳物质再循环。因此,在俯冲带研究中需要考虑的是地壳岩石脱水、熔融、流体、热量。

  研究板块俯冲带主要从结构、过程和产物三个方面入手。俯冲带结构可以分成地质的、几何的和温度的。俯冲带过程有变质作用、熔融作用和交代作用。俯冲带产物有变质岩、岩浆岩、地震和矿床等。

  俯冲带类型划分:按照俯冲板片性质分为大洋俯冲带和大陆俯冲带,按照俯冲带热结构分为冷俯冲带和热俯冲带。俯冲带热结构主要受板块汇聚速率控制,俯冲板片年龄和倾角只起到次要控制作用。

  俯冲工厂是20世纪90年代美国地球科学家为了向国会申请研究经费,将板块俯冲系统比喻为一个工厂来说服公众和国会投资俯冲带研究。将俯冲系统像工厂一样分为原料、加工、产品和废品等环节,有助于人们理解俯冲带的结构、过程和产物。不过,当时俯冲工厂研究的核心问题是地壳再循环,强调研究俯冲物质的各种组分(如沉积物、流体)通过俯冲工厂再循环的行为、归宿和效应, 各种地壳组分的通量及物质平衡,包括再循环过程和再循环通量两个基本研究领域。

  对俯冲带地质过程,主要研究变质脱水:俯冲地壳岩石在板片-地幔界面发生变质脱水产生富水溶液。不过,俯冲地壳也可以发生部分熔融,结果在板片-地幔界面产生含水熔体。这些溶液和熔体与上覆地幔楔橄榄岩发生反应,形成镁铁质-超镁铁质地幔交代岩。正是这些地幔交代岩部分熔融导致俯冲带镁铁质岩浆作用。

  研究板块俯冲带需要多学科交叉融合,需要应用地球物理学、构造地质学、岩石学和地球化学,需要理解化学动力学、化学热力学、同位素年代学和地质温压计。因此,是认识俯冲带结构和过程,是发展板块构造理论的关键。

  王成善院士作题为“中国沉积学发展战略”的报告。

  他指出,中国沉积学发展战略制定的主要目标,是根据我国科技发展需求,深入研究学科发展和基础研究的基本规律,分析评估我国学科发展态势和学科建设现状,提出相关学科的前沿方向、重点领域、关键科学问题以及政策建议。

  沉积学是研究沉积物、沉积过程、沉积岩和沉积环境的科学,形成于20 世纪50~70 年代。沉积学作为一个二级学科,来源于构造地质学、海洋科学的发展,同时也是建立在岩石学、地层学和古生物学基础之上,它的最大的推动力是来自人类的重大需求,特别是能源工业的需求。

  沉积学的发展和二战有着很大的关系,二战时许多国家为打赢战争探测海底,为沉积学的研究奠定了基础。此外随着经济的快速发展,能源工业的巨大需求以及新技术的发展和新装备的出现也对沉积学产生巨大的推动作用。

  目前沉积学的研究领域主要包括四个方面:沉积作用与沉积环境分析、沉积盆地分析、事件沉积、层序地层。未来国际沉积学前沿重点包括盆地动力学、深时古气候、构造地貌和深水与细粒沉积等几个问题。

  依据国际科学前沿、国家重大需求、中国地域优势和已有研究基础的分析,提出有望产生重大原始创新理论和认识的四大科学问题——源汇系统:从造山带到边缘海盆地;温室地球地形重建:从构造到轨道尺度的古气候变化和水循环;关键转折期:沉积过程和地球化学响应;前寒武沉积:长周期地球化学循环和生物沉积过程。解决这些问题,需要充分利用相关学科的研究新成果,组织跨学科的协同攻关创新。

  王成善认为,随着人类文明的进步和经济社会的发展,沉积学的学科推动力也发生重大变化,只有与构造地质学、岩石学、海洋科学等多领域学科互相交叉融合,不断实现自我突破,才能实现沉积学科再次走向新的飞跃。他强调,要整体加强沉积学学科战略布局,提升我国沉积学研究的国际竞争力。

  周成虎院士作题为“遥感大数据与应用”的报告。

  他指出,1957年,前苏联发射第一颗人造卫星,掀起了人类走向太空的时代。1960年4月1日美国发射了全球第一个气象卫星TIROS1号,掀开了人类对地观测的新时代,目前人类已向太空发射了几百颗对地观测卫星,形成了各类专业卫星系统。

中国卫星技术起步较晚,但经过近50年的努力,今天中国的遥感、地理观测技术水平,已经达到世界前列。特别是中国的气象卫星,已经和美国、欧洲形成三强鼎立的局面。中国的资源卫星至今发射了13颗国产陆地观测卫星,形成了中巴地球资源、环境减灾、实践、资源、测绘和高分专项6大系列,拉开中国对地观测新序幕。

  遥感应用正进入大数据时代。大遥感时代包括遥感、导航、通信三个方面,有着全自动化的几何处理、高度智能化的专题信息提取、知识化的遥感大数据管理、云端化的遥感大数据服务四个主要发展方向。大数据下,利用时空数据分析方法的时空大数据使得以前所未有的维度量化和理解世界,蕴含了巨大的价值。

  遥感大数据图谱认知用遥感图将地表和深部的信息整合,能够实现在自然条件和人力共同驱动下的对地球表层的深度认识,开启地球科学领域新的时代。从由谱(像元)聚图、图谱(时序)协同、认识图谱(功能)几个方面全方位动态观测地球,建立时空全覆盖的遥感影像大数据综合处理系统,实现“几何定位、辐射量值、有效像元、合成影像”四位一体的综合处理。

  现今遥感应用趋向个性化,形成以遥感产品为核心的应用体系,数据信息丰富,需要进行海量的计算。

  云计算为遥感提供了新的科学工具,实现从像元到专利信息,到知识,到实际应用的体系,推动实现基于四层结构的遥感大数据精准服务。

  遥感大数据精准服务基于“天-空-地”立体感知系统对地球影像基准底图进行全空间覆盖的主动采集与处理计算;以影像大数据为基底对全空间覆盖的基础空间结构信息地图进行主动的认知构建,并伴随影像积累进行持续更新;多模态时空数据的一体化组织、转化和耦合,解释相对稳定的空间结构上地理对象的时序演变规律及深度拓展趋势;地球运转发生的社会经济活动数据在结构时空轴上进行关联与融合,提升了各类大数据的价值密度,实现深度挖掘与多元应用。

  周成虎院士指出,如今的遥感面向智能时代进入创新时期,遥感数据的处理将会向遥感大数据的制造与数据工厂发展,实行自动化的影像处理,智能化的专题产品生产,高可信的大数据服务系统发展,进入遥感的创新创业时代,把中国的遥感推向新的高度。

  傅伯杰,中国科学院院士,自然地理学、景观生态学家。2011年当选中国科学院院士,2012年当选第三世界科学院院士,2015年当选英国爱丁堡皇家学会通讯院士。主要从事景观生态学和综合自然地理学研究。在土地利用结构与生态过程、景观生态和生态系统服务等方面取得系统性创新成果,特别是在耦合景观格局与水土生态过程、区域生态系统服务优化方法上取得重要突破,推动了中国景观生态学的发展。2005年获国家自然科学二等奖,2011年获国际景观生态学会杰出贡献奖,2010年获“全国优秀科技工作者”荣誉称号,2012年获国家科技进步二等奖,2016年所在“生态系统服务研究集体”获中国科学院杰出科技成就奖。

  朱日祥,中国科学院院士,地球物理学家。2003年当选为中国科学院院士,2005年当选第三世界科学院院士。长期从事地球物理学基础理论和实验研究。在极性转换期间地磁场形态学、地质时期地磁场古强度与地球深部过程的相关性,以及沉积盆地古地磁定年等领域取得系统性成果。主持创建了集成岩石磁学、古地磁学和地磁场古强度研究的综合实验室,开拓了新的实验技术和方法,该实验室已成为岩石磁学与古地磁学领域国内外研究中心之一,提升了我国该研究领域在国际上的地位和影响。获第三世界科学院地球科学奖、国家自然科学二等奖、何梁何利科学与技术进步奖、中国青年科学家奖。

  郑永飞,中国科学院院士,地球化学家。2009年当选中国科学院院士,2011年当选第三世界科学院院士。主要从事同位素地球化学与化学地球动力学研究。在造山带变质过程同位素地球化学示踪、矿物同位素分馏系数理论计算和实验测定、同位素体系理论模式及其地球化学应用等方面取得系统的重要成果。首创应用增量方法对固体矿物的氧同位素分馏系数进行定量理论计算,首次将超高压变质岩地球化学异常与大陆俯冲带变质化学动力学相结合,成功将稳定同位素示踪拓展到化学地球动力学这一科学前沿领域。2004年获国家自然科学奖二等奖,2005年当选美国矿物学会会士,2008年获何梁何利科技进步奖,2009年获长江学者成就奖。

  王成善,中国科学院院士,地质学家。2013年当选为中国科学院院士。主要从事沉积学等方面的研究和教学工作。在白垩纪古环境与古气候、构造隆升与沉积响应和含油气盆地分析方面取得系统性和创新性成果,提出了白垩纪大洋红层和富氧作用(事件)原创性观点和建立了青藏高原中部率先隆起的“原西藏高原”隆升新模式,对青藏高原含油气盆地进行了系统的分析和油气资源评价。获李四光地质科学奖、全国五一劳动奖章,获评全国先进工作者、全国优秀教师、美国地质学会会士。

  王会军,中国科学院院士,大气科学家,2013年当选为中国科学院院士。长期从事古气候模拟、气候变化和气候预测理论等方面的研究。把古今气候研究结合起来,对东亚气候变化研究作出重要贡献,揭示了东亚夏季风在1970年代末的减弱;揭示了南极涛动、Hadley环流、北大西洋涛动等对东亚气候的显著影响;完成了我国首个基于自己气候模式的全球变暖定量模拟结果;提出热带相似和年际增量气候预测思想和方法,显著提高了东亚气候和台风活动的气候预测水平。获何梁何利科学与技术进步奖、国家自然科学二等奖等奖项。2013年被选为挪威技术科学院院士。

  周成虎,中国科学院院士,地图学与地理信息系统学家。2013年当选为中国科学院院士。长期从事遥感与地理信息系统及其与地理科学的交叉研究。建立了“定位、定性、定量”相统一的地貌实体遥感定量解析模型和基于“六库”的数字地貌制图技术方法,解决了地貌特征精确识别的科学难题;建立了面向椭球空间的全球离散地理格网模型和多维动态海洋现象表达的时空场数据模型,发展了海洋渔业资源分析与渔场预报等应用模型,开拓了我国“海洋渔业地理信息系统”研究新领域;建立了以遥感影像认知模型和“像元-基元-目标”综合计算模式为核心的遥感地学理解与分析计算的方法,发展了系列遥感专题信息提取模型。获国家科技进步奖二等奖等奖项。

 


【作者:潘奕铭 赵泽鹏 白洁琪 张曜翔 王超然    来自:大学生传媒中心     责任编辑:姜洪明     审核:蒋大森】
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