(本文由科學大院根據(jù)徐義剛院士在中國科學院學部第九屆學術年會上的報告《地球科學對人類文明的貢獻》整理而成,首發(fā)于科學大院)
今天在座的和不在座的人們有一個共同的特點,那就是我們都生活在地球上。迄今為止,地球是我們人類賴以生存的唯一的家園,地球哺育了我們,地球系統(tǒng)即使產(chǎn)生微小的變化,都會對人類文明產(chǎn)生深刻的影響。從這個意義上說,地球科學的發(fā)展與人類文明的進步是相互交織的。
但是非常遺憾的是,迄今為止,無論是國內還是國外,尚無有關地球科學與人類文明關系的系統(tǒng)梳理。所以,在新一輪科技革命來臨的前夜,在科研范式正在變革的當下,進行相關的梳理工作,對提升地球科學的社會功能,使其在未來發(fā)展中發(fā)揮更大的作用,具有重要的意義。
地球科學是研究地球的結構形成演化的基礎學科,包括了地理學、地質學、地球化學、地球物理和空間物理學,大氣科學、海洋科學和環(huán)境科學等分支學科。

它具有雙重屬性:一方面幫助我們認識地球,它是自然科學體系(數(shù)、理、化、天、地、生)中的一員;另一方面它始終圍繞人類的基本需求,解決人類生存的問題,造福人類。
地球科學的研究對象橫跨數(shù)萬里,上下數(shù)億年,是一個十分復雜的系統(tǒng)。
人類文明則是人類在社會發(fā)展過程當中創(chuàng)造和積累的物質財富和精神財富的總和。它經(jīng)歷了從原始文明、農耕文明、工業(yè)文明到生態(tài)文明的演替發(fā)展,人類文明發(fā)展的根本動力是生產(chǎn)力,是人類生存和發(fā)展的需要。
如何來評判一個學科對人類文明發(fā)展的貢獻呢?根據(jù)我個人的理解,我認為人類文明有三個要素,分別是認知、財富和規(guī)則。地球科學有三個能力,就是認識自然,利用自然,和諧自然的能力,分別對應這三個要素。因此我們定義了判斷的依據(jù):相關研究是否顛覆了人類的認知?是否提高了生產(chǎn)力,又創(chuàng)造了財富,改善了人的生存質量,改變了人的生活方式?是否和諧了人際關系,促進了全球治理?

下面我將從這三個維度來跟大家匯報一下地學對人類文明的歷史貢獻,展望一下未來社會發(fā)展中的地學的擔當。
地學對人類文明的歷史貢獻:四個改變世界的地球故事
在基金委地球科學部學科梳理組、中國科學院地學部常委會以及中國科學院武漢文獻情報中心的支撐下,我們梳理了很多有關地球科學對人類文明歷史貢獻的經(jīng)典案例。由于時間的關系,我想跟大家分享其中的4個故事。

第一個故事是“沒有地質學就沒有進化論”。
“我們是誰?從哪里來?要到哪里去”是人類的根本問題。說到這個問題,大家可能馬上想到是達爾文的《物種起源》,但是我這里想講的是萊伊爾經(jīng)典的《地質學原理》一書。
萊伊爾生活的時代其實是宗教控制的時代,所有的地質學知識都來自于《圣經(jīng)》中的《舊約-創(chuàng)世紀》:認為創(chuàng)造這個世界的是神,地球年齡只有6000年,諾亞洪水造就了地層當中所有的一切。萊伊爾則認為地質作用的過程是緩慢漸進的,所以地球的過去只能用通過現(xiàn)今的地質作用來認識,無需求助于《圣經(jīng)》或者“災變論”。他認為地球年齡至少有3億年。千萬不要小看他在當時提出的“3億年”,因為達爾文提出的進化論需要大量的時間,因此,《物種起源》牢牢地根植于漸變論的知識體系當中。
事實上,達爾文是帶著《地質學原理》的第一冊開啟為期5年的全球航??疾斓摹K谧詡髦袑懙?,在這5年的考察當中,正是這本書給他以最大的啟迪。1836年達爾文考察回來,與萊伊爾見了第一面就成為好友,他們之間頻繁的書信往來都是探討地質學和生物進化之間的原理的。1875年萊伊爾去世的時候,達爾文說:“我在科學上所做的一切,幾乎歸功于對他偉大著作的研究”。
地球科學家在追溯地球和生命起源的歷程當中,始終沒有停下腳步。地球化學家在上世紀50年代就用同位素的方法精確把地球的年齡確定為45億年。古生物學家在地層當中發(fā)現(xiàn)最早的生命出現(xiàn)于38億年前,38億年以后的各種化石則為地球生命史書增添了新的篇章,所以地球科學家為達爾文的進化論從更廣空間、更長的時間尺度提供了實證。
同樣是地球科學家領導的團隊,在東非阿法爾洼地發(fā)現(xiàn)了318萬年前的直立人化石,奠定了人類走出非洲的學說。現(xiàn)在地球科學家正與生命科學家合作,利用古DNA技術逐步揭示人類起源的神秘的面紗。
1979年“阿爾文號”深潛至海底6000英尺,發(fā)現(xiàn)了海底黑煙囪。在這個暗無天日的海底世界里,竟然有生物存在,這告訴我們“萬物生長靠太陽”的說法可能不一定完全正確,地球的內能也可以支撐生命的存在。這為揭示深部地球生命的極限,掀開了新的篇章。
第二個與大家分享的故事是“沒有地質學,就沒有工業(yè)革命”。
如果說煤炭點燃了第一次工業(yè)革命的烈火,那么石油就是第二次工業(yè)革命的血液,鈾、鍺、硅、鋰、稀土等是第三次工業(yè)革命的“維生素”,現(xiàn)在的新型能源和能源金屬則是第四次工業(yè)革命的基礎物質。
這是一張世界能源體系圖,橫坐標是年代,縱坐標是一次能源結構占比,圖中的這些曲線分別代表了木材等其他能源、煤炭、石油、天然氣以及未來的核能以及清潔能源隨時間的演變圖。我們看到的這些小紅點,標志著一種能源超越另外一種能源所發(fā)生的時間,它跟人類文明發(fā)展的轉換時間是吻合的。所以我們說人類文明史就是一部能源利用史。

我還想提醒大家注意這些小紅旗所插的位置,它是經(jīng)典的地質石油地質學原理(比如說背斜說、頁巖氣成藏理論)提出的時間。請大家注意這些小紅旗所處的位置,也就是說,每一次石油地質新理論的提出都發(fā)生在能源更替之前。我想這張圖可以證明基礎研究對人類文明演替的促進作用,還說明基礎研究有時是無法預先規(guī)劃的。
全球90%的油氣儲量是發(fā)現(xiàn)于海相地層中,因而學界很多人認為只有海相地層才能生油,陸相地層是貧油區(qū)。正是因為我國從中生代以來主要以陸相地層發(fā)育為主,所以美國人早在上世紀20年代就給中國扣上了“中國貧油”的帽子。但是以潘鐘祥為首的我國科學家提出了中國陸相沉積當中可以生油的認識,系統(tǒng)地認證了新華夏系沉降帶具有良好的生油和儲油條件。正是在陸相生油理論的指導下,我國的早期石油普查蓬勃發(fā)展,發(fā)現(xiàn)了陸相的大慶油田以及勝利油田,從此我們國家的石油工業(yè)才真正得以興起。
沒有陸相生油理論,就沒有中國的現(xiàn)代化工業(yè)體系。沒有陸相生油理論,現(xiàn)在外邊的大街上可能跑的還是像這樣的公共汽車(編者注:在五六十年代的貧油期,公共汽車只能利用煤氣作為燃料,因為當年沒有氣體壓縮技術和設備,只能在常壓下將煤氣儲于車頂上的大氣袋中,老百姓稱為“大氣包”)。陸相生油理論具有巨大的輻射作用,近幾年全球重大的油氣發(fā)現(xiàn)地都是原先海相生油理論認為不可能出現(xiàn)油的地方,所以我覺得,陸相生油理論不僅給我們國家,而且給世界能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了重要的理論支撐。

人類文明發(fā)展史也是一部資源發(fā)展史。伴隨著工業(yè)化進程,礦產(chǎn)資源的消費是呈S型增長的,資源利用的種類也急劇增多。地質學上成礦理論的研究,為這些大規(guī)模礦產(chǎn)資源的發(fā)現(xiàn)提供了理論支撐。
我用下面三個小故事來說明,找礦行動是紅色政權和新中國沖破各種封鎖的突破口。在五次反圍剿過程當中,鐵山垅鎢礦產(chǎn)鎢7500噸,收入453萬大洋,這是當時蘇區(qū)財政收入的70%,養(yǎng)活了十萬紅軍。“一五”期間國家重點建設項目有一半是投資在資源型城市,53個城市因礦而興,為建設我國獨立完整的工業(yè)化體系立下了汗馬功勞。1954年中央給時任地質部長的李四光下達了絕密任務——尋找油礦石。8個月以后找礦隊伍就在廣西的富鐘找到鈾礦,樣品送到中南海以后,毛主席聽取匯報以后當場拍板“中國要研制自己的原子彈”。后來的“兩彈一星”確保了我們國家的一方平安。
第三個故事就是“改變世界的地圖和板塊構造理論”。
地圖是人類文明史上的偉大創(chuàng)想,它以科學的符號系統(tǒng)、精確的地圖投影和系統(tǒng)的綜合方法表達對復雜地理世界的空間結構和關系。
有一本書叫《改變世界的100幅地圖》,我讀后深以為然。1495年哥倫布就帶著托勒密編制的世界地圖,從西班牙出發(fā),一路西行發(fā)現(xiàn)了美洲大陸,之后歐洲人持續(xù)向美洲遷移,掀起了人類歷史上遷移史上的第三次高潮。
地圖也引出了地球科學上的偉大的發(fā)現(xiàn)。氣象學家魏格納發(fā)現(xiàn)大西洋兩岸的大陸形態(tài)非常吻合,完全可以拼在一起,所以全球各大陸可以拼成一個完整的大陸,證明古大陸沿大西洋發(fā)生過開裂和漂移。但是非常遺憾的是,1930年魏格納在格陵蘭遇難的時候,這個理論還沒有被承認。27年之后的另一張海底綜合地圖,使這個偉大的理論復活,就是這個小姑娘,瑪麗·塔普,用當時二戰(zhàn)期間的海底聲吶測深系統(tǒng)數(shù)據(jù),繪制了全球第一張海底綜合地圖。人們驚訝的發(fā)現(xiàn),在平靜的海平面下面,竟然躺著全球最長的山脈——長達8萬公里的洋中脊。
洋中脊的發(fā)現(xiàn)動搖了地質學的基礎,這是哈里·赫斯1957年看到這幅地質圖的時候說的一句話。他在大陸漂移學說的基礎上提出了海底擴張學說:地幔從洋中脊上涌,兩邊對稱生長,遇到海溝的時候產(chǎn)生俯沖作用。從此,地球不再因為海陸固定而暮氣沉沉,而是因為有“生”有“死”、周而復始而變得生機勃勃。

板塊構造理論改變了世界,因為它顛覆了固定論的地質思維模式,動力地球從此深入人心。它預測了地球上大部分火山、地震發(fā)生的位置,預測了地球上各種礦產(chǎn)資源的分布和富集狀態(tài),也揭示了板塊構造對地球宜居性和生命起源的重要性。正因為如此,板塊構造理論與量子力學、分子生物學和相對論一同成為20世紀自然科學的四大成就。
如今,地圖跟與人工智能、衛(wèi)星導航結合變成了智能地圖。智能地圖當中依然用到許多地球科學知識,比如說地球的參考系提供了空間基準的參考、地球的板塊運動監(jiān)控提供了監(jiān)控運控點的坐標、地球重力模型參與了軌道確定的計算。今天智能地圖改變了人的生活,在某個地圖開放平臺,每天日均位置的服務要求達到了驚人的1,300億。前段時間伊朗總統(tǒng)失事直升機的定位花了12個小時,如果采用北斗國際搜救服務系統(tǒng),可在1秒內把失事位置定位在20米之內。
第四個故事是氣候變化改變了世界經(jīng)濟發(fā)展的范式。
我來自廣州,今年的廣州的雨水比往年多很多,我深感到氣候變化研究的重要性。在梳理里程碑事件的時候,我們發(fā)現(xiàn)了很多的案例,從中我想講這幾個人的故事。
美國氣象學家愛德華·洛倫茨在1963年提出混沌理論,由此誕生了非線性科學。他由大氣運動方程簡化得到洛倫茨方程,得到了洛倫茨蝴蝶效應。他在報告中說過一句有名的話:一只南美洲的蝴蝶扇動翅膀,可能導致美國德克薩斯州的一場龍卷風?;煦缋碚摰奶岢鲆l(fā)了自然科學的一場革命。在數(shù)學、物理等基礎學科乃至社會科學當中,引起了非線性科學的研究熱潮。

1985年,三位科學家發(fā)現(xiàn)南極上空的臭氧層有一個空洞,人類遭受紫外線傷害的風險激增。大氣化學家保羅·克魯岑等三人發(fā)現(xiàn)氟利昂是破壞地球臭氧層的原因,倡導了《蒙特利爾議定書》,呼吁減少最終全面禁止氟利昂的使用,成功地解決了南極臭氧層空洞的問題。這一事件不僅使他們三人得到了諾貝爾化學獎,而且被認為是20世紀最成功的全球環(huán)境治理案例之一。
目前人類面臨全球變暖、氣候變化,我們都在倡導低碳出行,綠色生活的理念,但是你知道嗎?全球變暖的結論同樣是通過地球科學家的研究得到的。1975年,地球化學家華萊士·布洛克在Science雜志發(fā)表全球變暖的論文,準確地預測了大氣層當中二氧化碳含量升高是導致全球變暖的主因。他用到的一個重要的證據(jù)就是這條基林曲線。地球化學家基林從1958年開始,就在夏威夷島上觀測二氧化碳濃度的變化,這條曲線成為20世紀氣候變化的標志圖。1988年氣象學家詹姆斯·漢森在美國國會聽證會上發(fā)出警告之后,人類活動排放的氣體導致全球變暖的問題引起了全世界的關注。
人類活動影響氣候變暖的證明還來自于地球氣候模擬。氣候學家真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼建立了人類歷史上最復雜的動力學系統(tǒng)——地球系統(tǒng),奠定了地球氣候變異和人類對其影響的認知基礎,從而引領了解決復雜系統(tǒng)科學問題的先河,獲得了2021年諾貝爾物理學獎。
氣候變化研究的影響力超乎想象。1988年成立了政府間氣候變化專門委員會,也就是IPCC。 1992年各國簽署簽訂了《聯(lián)合國氣候變化框架公約》(UNFCCC)。1997年的京都議定書到2015年的巴黎協(xié)定,將全球升溫的幅度限制在工業(yè)化前水平2℃。所以國際社會正以前所未有的方式,建立高級別的政治承諾和新嶄新的全球伙伴關系。氣候變化研究引領了全球建立邁向無碳經(jīng)濟的目標,推進最雄心勃勃的經(jīng)濟轉型進程,正在重構工業(yè)革命以來全球經(jīng)濟發(fā)展的范式。
通過以上四個改變世界的地球故事,我們能學到些什么呢?我這里總結了四點:
要始終保持好奇心,想象力、全球觀以及整合力;
要重視觀察和觀測。我們面對著一個龐大的地球,所以像基林、塔普等人的工作,顯得尤為重要;
要以相互欣賞的態(tài)度進行跨學科的交叉;
要擁抱新技術、新事物。
未來社會發(fā)展中的地學擔當
地球科學還能做些什么?
如果我們把46億年的地球歷史濃縮成一天,人類出現(xiàn)的時間其實只有一分多鐘,出現(xiàn)人類文明的時間就是這一天當中最后的幾秒鐘。
在這短短的幾秒當中,人類的活動創(chuàng)造了輝煌,也對地球系統(tǒng)造成了不可逆轉的變化,人口增長、環(huán)境退化、城市擴張、資源枯竭,全球變暖、災害頻發(fā),生物多樣性減小……甚至有科學家已經(jīng)斷言,人類可能正在經(jīng)歷第六次生命大滅絕。人類對生態(tài)系統(tǒng)的威脅是史無前例的。在這個復雜的系統(tǒng)下還夾雜著文明的沖突,科技打壓成為常態(tài)。
未來的地球科學擔當可以從兩方面闡述。一方面,作為中國人我們要以科技強國為己任,維系中華文明的永續(xù)發(fā)展。另一方面,作為一個地球人,我們要踐行“地球生命命運共同體”的理念,為人類文明的發(fā)展貢獻自己的智慧。

我想從四個方面展望未來的工作。
一是要敬畏自然,不斷的拓展人類認知邊界。整合地學的分支學科,融合其他的學科,通過打通不同時間尺度、耦合存在數(shù)量級差異的地球固體層圈和流體層圈的動力過程,發(fā)展地球系統(tǒng)科學,加深對全球變化背景下復雜地球系統(tǒng)的認識。還要發(fā)起引領國際大科學計劃;深時數(shù)字地球、海洋負排放就是我國科學家在這方面的探索。
二是要服務國家意志,保障國家安全。關鍵礦產(chǎn)已經(jīng)成為大國博弈的重要領域。新能源汽車、鋰電池、光伏產(chǎn)品已經(jīng)成為我們國家的外貿“新三樣”,但與“新三樣”相關的鋰、鈷、鎳等9種金屬的對外依存度超過50%。所以我們要關注新能源金屬的成礦理論和找礦突破。
另一方面,低碳清潔能源是未來經(jīng)濟發(fā)展的大勢,創(chuàng)建成氫理論、尋找天然氫氣資源需要重點關注,這是實現(xiàn)“雙碳”目標的一個重要的途徑。
海洋科技的發(fā)展與大國的興起息息相關。要著力突破海洋核心裝備和關鍵技術瓶頸,逐步實現(xiàn)深海進入、深海探測、深海開發(fā)三步走的國家深海戰(zhàn)略。
三是要提升和諧自然的能力,增進人民福祉,統(tǒng)籌氣候變化應對生態(tài)保護與污染防治,促進人與自然一體化的健康,建設美麗中國和宜居地球。因為時間關系,我沒講水的問題,其實水是生命之源,文明之本,生產(chǎn)之要,生態(tài)之基,水的安全保障是未來經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的一個重要方向。
我們還要增強人類文明對自然災害的抵御能力。200年前,萊伊爾說“現(xiàn)在是理解過去的鑰匙”,現(xiàn)在我們知道,只有了解過去才能預測未來。面對時有發(fā)生的滑坡、地震、火山、磁暴等自然災害,各種早期預測、預警意義重大,復合巨災機理與風險防控、災害性天氣的精準預報顯得尤為重要。
四是要拓展人類生存空間。1957年蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星,人類進入太空,第一次居高臨下地從外部來看看我們的地球。1969年阿波羅11號載人登月,人類首次到達了地球之外的天體,標志著人類從一個地球物種變成了一個跨星際的物種。我們國家從2004年開始的嫦娥攬月、天問探火等空間探索,舉世矚目,人類正在從地球搖籃出發(fā),逐步地推動文明邁向深空。
其實在這個過程當中,地球科學家的作用也不容忽視。正是地球科學家提出,要關注月球的演化歷史當中的“一老一新”問題,嫦娥5號、嫦娥6號才選擇了相應的著陸區(qū)。地球科學家對嫦娥5號采回月壤研究,改寫了月球巖漿活動的歷史。非常令人振奮的是6月25日下午2點07分,嫦娥6號已經(jīng)勝利凱旋,給我們帶回了人類第一份從月球背面采集的樣品。我堅信通過詳細的研究,我們一定會找到更多的重大發(fā)現(xiàn)。
我們對比了美國和蘇聯(lián)在太空競賽當中的走向。在早期,這條綠線代表的蘇聯(lián)是遙遙領先的,他們發(fā)射了第一顆衛(wèi)星,進行了第一次太空行走。后來美國人的阿波羅計劃超過蘇聯(lián),帶來了三大科學發(fā)現(xiàn),還帶來了巨大的社會經(jīng)濟效益。阿波羅成功的秘訣是科學、技術、工程的融合。地球科學和行星科學問題驅動的空間探測設計,我認為非常必要。因此,地球科學在深空探測當中大有可為。
我想用這張片子來結束我的發(fā)言。這是“旅行者號”從64億公里外拍攝的照片,我們的地球就是這樣一個淡藍色的小點。在這個小點上居住了我們認識的人、我們不認識的人、我們的朋友、我們的敵人,這使得卡爾·薩根博士感慨到“我們有責任更好的相處,并要保護珍惜這個藍色的星球”。

這是38萬公里以外看到的地球,我們看到了大氣、海洋、陸地、山川,在太陽系地球顯得多么的與眾不同。此時此刻我感到的是地球的美麗,作為地球科學研究者當中的一員,我更感到地學的美麗。

謝謝大家。
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