地大熱能地熱+網訊：地球科學12個核心問題凸顯地熱研究重要性

1. 地球內部磁場是如何產生的？

在地質時間長河中，是什么驅動著“地球發(fā)電機”？又是什么控制著“地球發(fā)電機”的變化速度？尋找這類問題的答案對于認識地球內部與大氣圈的相互作用具有重要意義。從地熱學的角度，“地球發(fā)電機”運轉的前提是地核溫度隨深度（壓力）的變化曲線至少兩度跨越地核物質的液相線，從而形成能夠發(fā)生相對運動的固相和液相圈層。

2.板塊構造是在什么時候發(fā)生、為什么發(fā)生和怎么發(fā)生的？

目前地學界仍然缺乏對于“為什么只有地球有、而其他星球沒有板塊構造運動”以及“地球板塊運動在地質歷史時期的變化”等問題的全面認識。從地熱學的角度，地殼和上地幔溫度的時空變化決定了巖石圈的厚度和軟流圈的流變特性，認識地球熱演化歷史是認識地球板塊構造運動演化的一塊基石。

3. 關鍵元素在地球上是如何分布和循環(huán)的？

關鍵元素指的是造就生物生存環(huán)境、地球深部氧化還原環(huán)境、地質過程示蹤和人類現(xiàn)代社會經濟、醫(yī)藥、軍事和先進制造等所需要的化學元素。目前人們對于這些元素在不同時空尺度上的遷移規(guī)律仍然存在許多重要疑問。從地熱學的角度，一方面任何元素的富集與遷移都離不開其特定的溫度環(huán)境；另一方面，關鍵元素鈾和鉀放射性同位素的衰變是地球內熱的重要來源，同時也是構造熱運動的重要示蹤元素。

4. 地震究竟是怎么回事？

地球內部既可能發(fā)生極其緩慢的塑性變形，也可能發(fā)生非常快速的爆發(fā)式脆性變化，使得地球科學家不能不重新思考地震的本質究竟是什么。從地熱學的角度，地震和大地熱流是地球內部能量聚集與耗散在時空域上的兩個端元，地震是間歇性、突發(fā)性和局部性的能量轉換事件；而大地熱流則是連續(xù)性、普遍性的能量平穩(wěn)傳輸過程，兩者存在內在聯(lián)系。不僅如此，發(fā)震地質體的溫度環(huán)境決定了地震的級別和地震波的傳播速度。

5.是什么驅動火山活動？

火山活動既牽動地球系統(tǒng)多個組成部分，又對人類社會活動具有多方面的影響，因此迫切需要研究各個地質歷史時期巖漿的生成、上升和噴發(fā)機制。從地熱學的角度，火山爆發(fā)是地球內熱最強烈的地表顯示。地殼和上地幔物質在特定的溫度和壓力條件下發(fā)生熔融、分異、遷移、滯留、噴發(fā)和冷卻的過程，一方面受控于的所在區(qū)域的構造熱背景，另一方面又必然對其周邊的地溫環(huán)境產生深刻的影響。

6.發(fā)生地形變化的原因和后果是什么？

地形變化與氣候變化、構造運動和沉積剝蝕等過程密切相關，定量測量從地質時間尺度到人類時間尺度不同時期地形變化的技術進步，使研究地球深部過程、地表過程和人類社會發(fā)展之間的關系成為可能。從地熱學的角度，低溫年代學方法（也稱古地溫方法）就是在過去二三十年迅速發(fā)展的一種研究地質歷史時期構造變形、地表侵蝕和地形地貌演化等地表過程的地熱學方法，已經在造山過程、盆地演化、油氣資源、地質災害防治和氣候變化等研究領域中得到廣泛應用。

7.關鍵帶如何影響氣候？

關鍵帶指的是包括植被、土壤和基巖直至地下水循環(huán)系統(tǒng)底界的大陸地殼頂層。關鍵帶的屬性影響著陸地與大氣圈之間各種物質與能量的交換過程。過去人們已經認識到氣候變化對關鍵帶有著重要影響，目前越來越多的科學家開始意識到，關鍵帶對氣候變化也有重要的反饋作用。從地熱學的角度，地-氣熱耦合是陸地與大氣圈之間相互作用的一個至關重要的環(huán)節(jié)，淺層地溫變化能夠影響大氣熱動力學狀態(tài)，從而對各種尺度的氣候變化產生重要影響，青藏高原淺層地溫場對東亞季風的控制就是一個實例。

8.地球的過去可以用來揭示氣候系統(tǒng)動力學的什么奧秘？

地球已經進入人類世。人類只用了幾百年時間就把自然界用數(shù)千萬年到數(shù)億年時間封存到地下化石能源中的大量的碳釋放到了大氣圈，這必然會引起氣候變化。我們需要從各種古氣候紀錄中解讀長期和突發(fā)性氣候變化，從中尋找認識氣候變化驅動力、反饋、響應和閾值的線索，以預測氣候變化的趨勢。從地熱學的角度，地面溫度是地溫場的重要邊界條件，地面溫度隨時間變化所產生的熱擾動會向下傳播并被記錄在地下。通過對鉆孔溫度隨深度的變化的分析，可以獲取地面溫度隨時間變化的信息，進而研究古氣候變化的歷史和可能的原因。

9.地球的水循環(huán)為什么正在發(fā)生變化？

水是地球上的一切生命之源，要認識現(xiàn)在和將來水循環(huán)的變化，就必須認識陸地水循環(huán)系統(tǒng)與氣候變化和人類活動等諸多過程的相互作用。從地熱學的角度，在全球和區(qū)域尺度上，水循環(huán)是“水圈—大氣圈—巖石圈”熱交換和熱耦合的重要過程，其中陸地淺層地溫場的變化是驅動季風和水循環(huán)的重要動力。此外，在地下水研究中，鉆孔地溫數(shù)據(jù)分析是識別地下水上升流（排泄區(qū)）和下降流（補給區(qū)）的有效方法。

10.生物地球化學循環(huán)是如何演化的？

生物圈是經過數(shù)十億年演化而來的，在其演化過程中與地球表層發(fā)生著無休止的生物化學作用。生物圈通過光合作用和在微生物催化下的風化和礦物合成作用等過程實現(xiàn)碳、氧、氮、硫等元素的循環(huán)，從而影響地球表層的化學和礦物多樣性。為了量化生物過程在各個時間尺度上對巖石和礦物形成、風化和碳循環(huán)的影響，必須深化對于生物化學循環(huán)的認識。從地熱學的角度，無論是生物的生存繁衍，還是巖石礦物的形成與風化分解，溫度都是一個重要的控制因素，因此，地熱研究對于生物地球化學循環(huán)研究具有重要意義。

11.地質過程如何影響生物多樣性？

生物多樣性是地球最耀眼、最基本的特征之一，也是最令人費解的問題之一。比如，物種滅絕這樣的重大事件是如何發(fā)生的？為何會發(fā)生？生物多樣性隨著時間、環(huán)境和地理條件是如何變化的？為什么發(fā)生變化？從地熱學的角度，合適的地球淺層溫度環(huán)境是維系生物鏈的基本條件之一，因而地溫的變化必然影響生物種群的興衰。由于地殼和地幔導熱能力的差異而造成地球內部熱量不能順暢散發(fā)而發(fā)生局部囤積與爆發(fā)式釋放，從而引發(fā)地震和火山爆發(fā)等重大地質事件，更可能引起生物多樣性的突變。

12.如何通過地球科學研究來降低地質災害的風險和損失？

地質災害每年都給人類造成巨大的生命和財產損失，但目前人們對地震、海嘯、火山、滑坡和洪水等重大地質災害的孕育、發(fā)生和發(fā)展過程的認識，還遠沒到達定量化和可預測的水平。從地熱學的角度，地熱研究至少對于地震和火山活動的成因機理的認識是不可或缺的，地溫測量更是地震和火山活動的重要監(jiān)測項目和短期預報的重要依據(jù)。

雖然以上解讀是簡略和示意性的，但已經足以看出地熱研究在整體地球科學研究中的重要性。地熱學理論和地球內部熱模型的發(fā)展，不僅對地球科學諸多研究領域的發(fā)展具有促進作用，而且具有重要的實際應用價值。

在科技部、國家自然科學基金委員會和中國科學院等部門制定的“十四五”科學技術發(fā)展規(guī)劃中，適當加大對地熱基礎研究的資助力度，組織實施具有基礎性和引領作用的國家級地熱基礎研究重大項目，同時鼓勵在其他地球學科重大科研項目中增設地熱課題，促進地熱學研究與其他學科領域研究相輔相成，特別是要加快地熱研究領域的人才培養(yǎng)。