进入21世纪以来，地球科学正从传统的描述性学科向系统性、预测性的科学体系转变。在这一过程中，大数据、机器学习、人工智能等新兴工具的融合应用，极大地推动了研究方法的进步和革新。
中国科学技术大学教授郑永飞院士于2025年12月在《科学通报》上发表的评述文章，基于国际大科学计划“深时数字地球”的全球调研成果，通过数据驱动与专家投票相结合的方法，从2014~2023年间的地球科学研究中提炼出十大前沿方向，展现了地球科学在数字化、系统化与可持续发展背景下的新范式与新挑战。这些前沿不仅体现了地球科学内部“深时—深海—深空—深地—宜居地球”的多维拓展，也凸显了学科交叉与技术融合的必然趋势。
20世纪下半叶，板块构造理论统一了固体地球科学；随后提出的地球系统科学框架，又将研究视野扩展到全球气候与环境变化。进入21世纪，尤其是2010年代以来，大数据、人工智能和高性能计算呈现爆炸式发展。地球科学本身积累了海量的观测、实验和模拟数据，传统的理论和方法在应对气候变化、资源紧缺等复杂系统问题时显得力有不逮。学科内部普遍认识到，一场由“数据+智能”驱动的、从描述到预测的新范式革命势在必行。在这个“范式转型焦虑与机遇并存”的节点上，如何回答“地球科学将往何处去”的根本问题，已经成为地学界关注的焦点。
中国科学技术大学教授郑永飞院士于2025年12月在《科学通报》上发表的评述论文，不仅是一篇关于地球科学研究热点和前沿的高层次评述性文献，而且是一份深刻洞察学科发展脉搏、揭示未来研究范式的“战略指南”。该文以全球首个由中国科学家领衔的国际大科学计划“深时数字地球”(Deep-time Digital Earth, DDE)的宏大数据调研与全球专家共识为基础，系统地介绍了这个计划如何遴选了2014~2023年间地球科学领域的30个研究趋势和十大研究前沿(图1)。论文指出，这十大前沿的遴选，不是简单的研究热点罗列，而是标志着地球科学在认识论、方法论和价值论三个维度上，正经历一场从“分科描述”到“系统预测”、从“经验驱动”到“数据智能驱动”、从“认识自然”到“服务人类世可持续生存”的深刻范式革命。
图1. 地球科学研究趋势和前沿分类框图
构建权威共识：方法论的创新与全球视野的呈现
论文介绍了DDE对地球科学研究前沿的遴选办法，采用了科学、民主且具有高度公信力的方法论，而非基于单一研究团队或特定国家的视角，而是整合了两种强大的力量：
(1) 数据驱动的客观洞察：通过谱聚类等算法，对过去十年间41万余篇地球科学文献进行大数据挖掘，识别出407个主题簇，并精炼出30个显著的研究趋势。这一过程最大限度地减少了个人主观偏好，从学术产出的“客观事实”层面描绘了学科的知识图谱。
(2) 专家智慧的全球凝练：邀请来自85个国家的1100余名科学家进行投票，最终从30个趋势中民主选出十大前沿。这一过程将全球地球科学共同体的集体判断与优先考量凝聚其中，使得结果具有广泛的代表性和国际认同度。
这种“数据挖掘+全球投票”的双重机制，使得DDE所获得的前沿清单具备了罕见的权威性。它像一面镜子，映照出全球学术界用“脚”(文献产出)和“手”(投票选择)共同认定的最重要方向。这种基于全球共识的“前沿地图”，对于各国科研机构规划布局、资源分配以及青年学者选择研究方向，具有不可替代的参考价值。
揭示范式转型：十大前沿背后的学科演进逻辑
对2014~2023年期间地球科学领域30个研究趋势和十大研究前沿(图1)的遴选发生在2024年，位于多维时空的汇聚点：(1) 在时间轴上，它处于地球科学范式智能转型的“临界点”；(2) 在问题轴上，它直面人类世最严峻的生存挑战；(3) 在主体轴上，它依托中国主导的重大国际科学计划DDE，并展现其领导力；(4) 在功能轴上，它兼具学科诊断、议程设置、战略宣示和社会沟通的多重角色。因此，这不仅仅是一篇学术综述，更是一份标志性事件文本。
通过这篇评述论文的介绍，宣告了中国地球科学界有组织地、系统地参与全球学科前沿界定和未来方向引领时代的到来。因此，这是一篇承载多重使命的“战略文献”，是理解当前全球地球科学发展态势与中国在其中战略角色的关键文献。论文不仅列出了DDE遴选出来的地球科学十大研究前沿，而且指出了其背后所代表的地球科学“三重跃迁”。
第一重跃迁：研究范式的“系统性”升级。
传统地球科学常被划分为地质、地理、大气、海洋等相对独立的子学科。而十大前沿的分布(宜居地球4项，深时与地学大数据各2项)清晰地表明，学科重心已从对单一圈层或过程的孤立研究，转向对地球系统各圈层相互作用及其整体行为的探索。例如，“过去、现在和未来气候变化”研究，必须耦合大气、海洋、冰盖、生物和岩石圈；“全球海洋碳循环”则涉及物理输送、化学转化与生物泵等多过程交织。这标志着以“地球系统科学”为统领的整体论思维已成为学科主流(图2)。前沿的选择，呼应了从“板块构造”(固体地球内部动力学)到“地球系统科学”(全球表层圈层耦合)的历史脉络，并正在迈向更全面的“深部-表层”系统整合，正如DDE计划所聚焦的深时、深地与表层宜居性的关联研究。
图2. 深时数字地球(DDE)系统工作框架示意图
第二重跃迁：方法论的“智能性”革命。
“机器学习与大数据分析”被单独列为前沿，且其精神渗透于几乎所有其它前沿领域(如遥感、灾害预测、三维结构反演、矿产勘查)，这昭示着一场方法论的根本性变革。地球科学正从以观测、实验和基于物理定律的解析模型为主的传统方法，转向以人工智能、大数据分析和超级计算为核心的数据密集型科学发现新范式。深度学习用于气候降尺度预测、神经网络用于矿物自动识别、知识图谱用于地学数据关联推理——这些并非锦上添花的工具改进，而是正在重塑提出问题、分析数据和验证假设的整个科研流程。论文指出的“用深时数据模拟亿年板块运动”与“难解十年尺度气候变化”之间的张力，恰恰揭示了这一转型的复杂性：技术赋予了前所未有的模拟能力，但地球系统的复杂性与人类活动的强干预，对模型的真实性和预测能力提出了更高要求。
第三重跃迁：价值取向的“人本性”回归。
十大前沿的选题，强烈地体现了地球科学研究的时代使命——服务于人类社会的可持续发展与安全。“关键矿产”直指绿色能源转型与资源安全战略；“碳捕获与封存”瞄准碳中和核心路径；“自然灾害与极端地震”关乎防灾减灾与公共安全；“能源资源”聚焦未来能源体系的构建；“气候变化”更是全人类生存与发展的最大背景板。这表明，当代地球科学的研究议程已深度融入“人类世”的叙事，其核心目标不仅是理解地球，更是为了在这个星球上实现安全、繁荣和可持续的人类未来。学科的价值导向，从未像今天这样与人类的共同命运紧密相连。
聚焦核心前沿：内涵解读与战略意义分析
论文对每个前沿的概述虽然简练，但是都抓住了要害。这可以通过解读其中几个具有枢纽意义的前沿得到验证。
- 地球三维结构：这是理解所有固体地球过程和资源分布的“底盘”。从地核振荡新模式到全球岩石圈模型(如LITHO1.0)，其进展依赖于最先进的地球物理成像技术与超算能力。该前沿的深化，是揭示成矿规律、地震孕育机制和地球演化动力的基石。
- 机器学习与大数据分析：这是驱动其他前沿进步的“引擎”。其挑战不在于算法本身，而在于如何与地球科学领域的先验知识(物理定律) 相结合(发展物理信息机器学习或混合模型)，以及解决地学数据特有的异构性、稀疏性和多尺度性问题。它的成熟将决定地球科学预测能力的上限。
- 关键矿产：这是一个典型的 “科学-技术-经济-政治”复合型前沿。它超越了传统矿床学，延伸到高效绿色提取技术、二次资源回收、全生命周期环境评估、以及全球供应链地缘政治分析。对这一前沿的把握，直接关系到国家在新能源时代的战略自主权。
- 全球海洋碳循环：这是地球系统碳循环与气候反馈的核心环节，也是当前预测不确定性最大的部分之一。对生物泵、微型生物碳泵、海洋酸化及其与气候变率关系的深入研究，对于精确评估碳中和路径、预测未来气候态至关重要。
DDE计划：作为新范式实践载体的战略平台
论文花费了相当篇幅介绍DDE计划，说明DDE是论文所倡导的新研究范式的实体化载体和前瞻性实验。它旨在构建一个整合全球46亿年地球演化数据的“数字孪生”平台，其愿景完美体现了上述三重跃迁：
- 系统性：致力于打通深部过程与表层系统、地质历史与现今过程的数据壁垒。
- 智能性：核心驱动力是AI与大数据，旨在实现数据驱动的知识发现。
- 人本性：最终目标是为资源勘探、灾害预警和气候变化应对提供科学支撑。
DDE在数据标准(FAIR原则)、平台建设(Deep-time.org)、国际合作网络等方面的实践，正是在为未来全球尺度、数据驱动的地球科学研究铺设基础设施和制定游戏规则，构建地球系统科学认识图谱(图3)。它的进展与挑战，本身就是观察地球科学范式转型进程的绝佳窗口。
图3. 深部地球系统知识层次示意图
冷峻的反思：前沿光环下的挑战与隐忧
论文在展示宏大前景的同时，也隐晦或直接地点出了潜在危机，这是其思想深度的体现。结合论文内容，可以系统梳理出几大核心挑战：
(1) “技术乐观主义”的认知陷阱：算力与算法的飞跃容易使人产生“一切皆可模拟”的幻觉。然而，地球系统，尤其是在人类活动强烈干预下，充满了非线性、突变和未知的反馈机制。对历史数据的完美拟合，未必能保证对未来，特别是对超越历史经验范围的“临界点”的准确预测。模型的可解释性、不确定性量化，仍是AI应用于地学的阿喀琉斯之踵。
(2) 数据整合的“巴比伦塔”难题：全球地学数据在格式、标准、年代框架、质量控制上高度异质。DDE推动的标准化是正确方向，但政治意愿、商业利益、学术壁垒使得完全意义上的“数据大同”任重道远。数据贡献与成果分享的利益平衡机制，是国际大科学计划成功的关键。
(3) 学科深度的“稀释”风险：在追逐跨学科、系统性和技术应用的同时，一些需要长期坐冷板凳的基础性、机制性研究(如高温高压实验矿物物理、微量同位素分析技术、基础古生物分类等)可能被边缘化。没有这些“深”功夫，系统模型将成为无本之木、无源之水。
(4) 从科研到治理的“最后一公里”：即使科学上取得了突破性认知(如更精准的地震概率预测、关键矿产成矿远景区)，如何将其转化为有效的政策、商业决策和公众行动，是截然不同的挑战。科学沟通、风险交流和社会接受度，是前沿成果实现其社会价值的必备环节。
结论：迈向一个更智慧、更负责任的地球科学时代
郑永飞院士的这篇评述论文，描绘了地球科学在进入21世纪之后的“行动轨迹”。这个轨迹的核心特征是：以地球系统科学思想为引领，以大数据与人工智能技术为引擎，以解决科学认知宜居地球面临的重大挑战为使命。该文的意义远超一篇学术进展综述。它宣告了地球科学已经从一门主要关注“过去”和“自然”的描述性历史科学，演变为一门密切关注“现在”和“未来”的系统性、预测性科学。它也是一份国际合作与竞争的议程表，其中DDE计划彰显了中国科学家从跟随到引领、积极参与乃至塑造全球科学态势的雄心与能力。
展望未来，地球科学的发展将在前沿所指引的方向上深化和发展。我们期待看到：更成熟的“科学定律+人工智能”混合模型，在气候、灾害预测上实现质的突破；真正互联互通的 全球地学数据空间初步形成；在资源和能量等领域涌现出颠覆性的绿色技术；地球科学成果更有效地融入从全球变化到国土规划的多层次知识体系。
道路已然清晰，挑战依然巨大。论文介绍的关于DDE通过文献集中调研和科学家投票的方式获得的地球科学研究热点和前沿，也许会如同一座灯塔，不仅照亮了前十年的研究轨迹，而且指引着地球科学共同体带着对技术的热忱与对复杂性的敬畏，一起共同驶向那个理解地球、珍爱家园、保障人类可持续发展的光明未来。在这个意义上，本文的价值将随时间流逝而愈发凸显。
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链接：郑永飞. 地球科学研究前沿. 科学通报, 2025, 70(36): 6188–6203; doi: 10.1360/CSB-2025-5248
Zheng Y F. Research forefronts in Earth science (in Chinese). Chin Sci Bull, 2025, 70(36): 6188–6203, doi: 10.1360/CSB-2025-5248
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