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关于地质调查的一种全新的思维范式——浅析地球系统科学理论及对地质调查工作的影响
发布日期:2018-06-05浏览次数: 信息来源:中国矿业报网 字号:[ ]

  20世纪80年代以来,世界频繁发生的资源、环境、生态、灾害等问题,对人类社会的可持续发展形成了前所未有的挑战。以传统单一学科为基础,通过学科交叉渗透与现代技术应用,地球系统科学应运而生,以全球性、统一性的整体观、系统观和多时空尺度为全球性环境问题解决提供理论依据。地球系统科学的形成与发展对地质调查工作产生了深远的影响。在我国,随着“山水林田湖草”生命共同体理念的树立和自然资源统一管理制度的实施,以地球系统科学理论为指导推动地质调查工作的战略性结构调整势在必行。
  发展地球系统科学是时代需求
  在人类社会经济发展和地球科学发展双重需求驱动下,地球系统科学应运而生。地球系统科学脱胎于全球气候系统研究,经过30年迅速发展,已成为引领新世纪地球科学的发展方向。
  1. 全球性重大环境问题、传统学科交叉渗透、现代信息与观测技术发展共同驱动了地球系统科学的形成
  全球性环境问题主要是人类不合理开发利用地球资源所造成的,其影响已经接近或超过自然因素引发的环境变化,并正在继续加剧,从而可能产生不可逆转的后果,危及子孙的生存与发展。这也迫使人们必须从全球角度认识地球整体是如何运行的,全球环境变化的自然和人为触发机制是什么,未来变化的趋势是怎么样的,从而规范、控制和调整人类自身的行为,最大限度地使地球环境朝着有利于人类的方向发展。
  当前,地球科学已从学科分化为主体转向学科间大跨度交叉渗透的新时代,这夯实了地球系统科学研究的基础。同时,现代信息、观测技术发展开拓了地球系统科学研究新途径。对地观测特别是卫星遥感技术的发展提供了对整个地球系统行为进行长期、立体监测的能力;计算机技术的发展为发展复杂的地球系统的数学模式提供了工具。
  2. 服务于可持续发展,地球系统科学日益成为国际地球科学发展的基本框架
  地球系统科学萌芽于全球气候系统研究。1988年美国国家航空航天局“地球系统科学委员会”发表了《地球系统科学》专著,正式系统地阐述了地球系统和地球系统科学的观点。从20世纪末开始,地球科学界的国际组织和世界各国的相关机构在制定其地球科学发展战略时,较为一致地选择了以地球系统科学为框架的战略方针。2011年,国际科联、国际社会科学联盟发起了“未来地球计划”(2014~2023),开展环境变化可持续解决研究。
  如何开展地球系统科学研究
  1. 地球系统科学的内涵
  通过几十年的发展,人们对地球系统科学的概念形成了共识:地球系统科学是把地球看成一个由相互作用的地核、地幔、岩石圈、水圈、大气圈、生物圈和行星系统等组成部分构成的统一系统,重点研究地球各组成部分之间相互作用的科学,以解释地球的动力学、地球的演化、人地关系和全球变化,其目标是了解整个地球系统的过去、现今及未来的行为。与传统学科比较,地球系统科学包含了整体观和演化观、行星-全球观、相互作用观、复杂性观、学科交叉与统一化观等核心理念。
  2. 地球系统科学研究主要内容
  在地球系统这一动力框架下,描述和认识控制地球系统的关键的相互作用的物理、化学和生物学过程;描述和认识生命的支持系统——无生命的地球环境;描述和认识人类活动诱发的重大全球变化。主要包括:日地系统相互作用、气候系统变化、多圈层相互作用与地表自然资源环境变化、地球深部过程与化石能源、矿产形成、海洋过程及其资源、环境和气候效应、人地系统相互作用与可持续发展。
  3. 地球系统科学研究方法
  地球系统科学形成了一套完整的技术体系:调查与评价、观测与探测、建模与预测。三者构成了地球系统科学研究的技术框架,相辅相成、循环上升、互为促进。
  影响,以美国地质调查局为例
  地球系统科学的形成与发展对地质调查工作产生了深远的影响。20世纪90年代以来,发达国家地质调查机构发布了一系列发展战略报告,其共同点是:确认满足社会需求已经成为地球科学发展的主要驱动力;确认发展地球系统科学的重要性。以地球系统科学理论为指导,近年来美国地质调查局(USGS)不断改革完善其业务结构和组织结构,形成了目前包含核心科学体系、气候与土地利用变化、自然灾害、环境健康、能源矿产资源、水资源、生态系统等在内的地质调查领域。地球系统科学对USGS的影响体现在以下几个方面。
  1. 业务结构由传统学科导向调整为重大问题导向,强化学科融合与领域整合
  21世纪初,USGS以地球系统科学理论为指导,以重大问题为导向调整业务结构和布局。USGS于2007年发布了《直面明日挑战——美国地质调查局2007~2017年科学战略》,明确提出美国面临的自然灾害、水安全、能源资源需求、疾病控制、气候变化等重大问题相互关联、相互交错,需要推进传统学科交叉融合和跨领域整合。根据重大战略问题,USGS在2010年对业务结构和布局进行了重大调整,设置了7个一级预算项目:生态系统、气候和土地利用变化、能源与矿产资源、环境健康、自然灾害、水和核心科学体系,以解决社会面临的复杂问题。
  为了加强不同领域融合,2017年USGS提出了发展“整合科学”的设想,将数据、方法、模型组织到相应的时空框架之中,形成一个模块式整体,为自然资源管理、环境保护和防灾减灾提供全方位支撑。基于此,在2019财年预算方案中,USGS提出了调整组织架构的方案,拟设立负责各领域整合与协调的副局长职位,促进不同领域的交叉融合。
  2. 打破传统学科壁垒,按照重大问题和矩阵管理调整组织机构
  随着业务结构的调整,USGS组织结构也随之调整。
  21世纪初,随着资源、环境、生态、灾害等问题的复杂化,按照学科设置的内设机构和组织结构管理模式弊端日益凸显。由于传统学科研究公众认知度不高、在解决重大问题中起到的作用不明确,从而直接导致科研资金的削减。
  2010年,USGS对内设机构进行了调整,撤销按照传统学科设置的业务管理机构,面向重大战略问题设立新的业务管理机构:撤销原来的地质学部、生物学部、地理学部、地理空间信息部,保留水资源部,新设立生态系统部、气候与土地利用变化部、能源矿产与环境健康部、自然灾害部、核心科学体系部等5个业务管理机构。与此配套的,取消了原有的5个学科主任职位(生物、地理、地质、地理空间信息和水),新增了7个分管不同科学使命的副局长,他们直接向USGS局长汇报工作。由此看出,USGS战略方向与内设机构的调整充分体现了地球系统科学的理念和服务支撑自然资源管理的方向。
  为推进学科融合和领域交叉,USGS尝试推进矩阵管理模式。一是取消了原有的3个大区主任职位(东部、中部、西部);二是提升了原有的区域主任职权,因大区主任职位取消,他们不用再向大区主任汇报,改为直接向美国地调局常务副局长汇报工作;三是将原本在大区层面上的行政管理政策、服务及人力资源职能全部整合到局层面,由主管行政管理的副局长负责。改革后的美国地调局现行管理框架呈现出清晰的矩阵化特征。
  3. 以地球关键带、大数据、整合科学、数字地球等重大举措实施,促进地球系统科学理念落地生根
  一是突出地球关键带,以地质学、地理学、水文学、生物学等多学科的交叉融合解决更为复杂的问题。以关键带为重点研究对象,以地质学、地理学、水文学、生物学为基础,通过信息科学和计算技术的应用,实现数据信息的融合合成,促进交叉学科或综合学科的发展。地球关键带是指靠近地球表面的、有渗透性的、介于大气圈和岩石圈之间的地带,垂直方向的范围从树的顶端往下直到地下水深层,是人类对环境扰动最大的圈层。关键带控制土壤的发育、水的质量和流动、化学循环,影响能源和矿产资源的形成与演化。USGS将持续关注关键带的复杂过程和相互作用,并对相关数据进行收集、管理、集成、分析,以促进对复杂性地球系统的综合描述和认识。在海岸带、江河流域、三角洲、人口密集地区,运用关键带理论进行综合调查评价。
  二是依托地质学、地理学和生物学调查的大量数据,推进“大数据”技术和数据密集型科研。科学数据是USGS的血液,为其科学研究提供给养,也为地球系统科学提供支撑。USGS开展的数据密集型科研包括3个层面:一是数据的获取和保存,利用地质学、地理学和生物学方法,对关键带生态系统进行监测、评价和研究等获取数据;二是对数据进行操作,包括数据挖掘和数据分析等内容,数据分析与合成由数据集成组负责,又下设3D/4D建模和可视化工作组、公共科学工作组、数据管理工作组、知识管理工作组和语义网工作组等小组;三是知识层面,科学家结合自己掌握的知识,深化对地球系统的认识和理解,推动了USGS的地球系统科学研究工作。
  三是强化整合科学研究,推进地球系统科学理论创新。USGS核心科学体系目标之一是构建一个全新的模块式地球系统科学框架,以整合局内外地质背景、土壤、地表、水、植物、大气等相关的数据、知识和资源,加强了学科间的交叉融合。2017年,USGS在其新发布《整合科学报告》中继承了核心科学体系中模块式科学框架的概念,延续了多学科整合的发展思路。即按照生态系统的自然分层,结合各学科的不同研究对象,划分研究模块,各个模块间存在着逻辑关系,并将其作为一个有机整体进行研究,强调要对现有的技术、数据、知识和模型进行变革性整合。
  四是建立数字地球,促进地球系统科学信息服务与应用。USGS通过将各门类自然资源的调查数据按照自然生态系统的自然分区集中统一到了一个平台之上,将多门类自然资源的数据、信息、过程、模型、相互作用等组织起来,形成一个虚拟的“数字地球”,将地球系统科学的理念落到了实处。“数字地球”将USGS所有科学资产组织到一个有逻辑、可变动和可综合的模块中去,包括各种科学知识、科学产品和研究能力,以求快速有效地调用各类科学资源。通过该框架可将数据、科学、技术方法及模型,促进关键带内的科学认识和决策支持不断增强。建成后的数字地球将提供一个集中式的易访问平台,能够共享和提升科学信息。利用这种稳健的框架,用很短的时间就能完成多门类自然资源的数量、质量和生态的综合调查评价。
  总之,地球系统科学为经济社会面临的自然资源安全、生态系统管护、气候变化、自然灾害防治等重大问题的解决展示了一种新的图景。
  地球系统科学已成为国际地球科学发展的基本框架,为地质调查工作提供了新理念、新思维和新范式,对地质调查工作产生了并将继续产生深远的影响。
  以地球系统科学理论为指导,推动我国地质调查工作战略性结构调整,既是顺应地球科学发展潮流引领地球科学发展的理论需要,更是服务支撑自然资源统一管理、推进生态文明建设的实践需要。

 

 

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