一、引言
从山脉河湖到资源灾害、从生态系统到土壤质量、从地球现代到过去，地球科学研究从未变得如此重要。但在众多关注的热点和前沿中，研究人员如何优先考虑最重要的科学问题？
深时数字地球(DDE)大科学计划的科学家于2024年5月份向全球同行寻求答案。他们创建了过去10年(2014-2023)地球科学领域30 个趋势主题的清单，并邀请世界各地的研究人员投票选出前 10 个趋势。此次投票正值深时数字地球大科学计划准备发布一份评估地球科学进展的新报告之际。这份报告旨在“提供有关地球科学重大研究突破、研究方法和重要科学问题解决方案的宝贵认识”。 
这30个主题反映了地球科学研究的最新趋势和进展，不仅包括自然过程对地球系统的扰动，而且涉及人类活动对生态环境的影响，有可能解决与科学、技术和社会密切相关的现实世界问题。通过让全球专家参与投票过程，他们希望确定最重要的和最相关的研究领域，从而指导未来的地球科学研究。为了将多年的进展和研究成果缩减到 30个主题，他们集成了专家驱动和数据驱动的方法，整合了专家知识、文献数据和论文引用方法，以实现趋势分析的适度粒度。最终的趋势集中涵盖了跨越六大领域的科研主题：深地、深时、深海、深空、地球大数据和宜居地球。
深时数字地球大科学计划于2018年启动。该计划由国际地质科学联合会发起，与世界各地的专业协会、学术机构和科学家合作，旨在协调“深时”数字地球数据，并促进数据驱动的科学发现，以了解地球的演化。深时数据与地球层圈在数十亿年的地质时间中经历的不断变化的过程相关。它们既包括短周期尺度的生命和气候演化的数据，也包括长周期尺度的构造板块运动以及地球内部和表层演化的数据。通过该计划的实施，有关数据将在可访问的中心提供，从而为了解资源和灾害的分布提供有价值的线索。因此，它可以帮助研究人员更清楚地了解地球的过去和现在，并对地球的未来提供预测。
(以上内容编译自网站：https://www.nature.com/articles/d42473-024-00094-3)
二、地球科学研究趋势
以下内容编译自Deep-time Digital Earth (DDE)网站：https://trends.ddeworld.org
(一)、深地
1. 大陆生长与超大陆旋回
大陆生长与超大陆旋回的深入研究旨在重塑地球岩石圈形成和演化的错综复杂过程，重点关注地质历史上大陆地壳的形成和演化以及超大陆的聚合和裂解。这一研究领域对于理解地球的动态过去（包括矿物分布模式和环境转变）不可或缺。最近的突破来自地球化学模型和实验岩石学数据，挑战了先前关于大陆地壳起源的观念。以地壳超快速增长事件为特征的间歇性大陆生长与气候和海洋化学等环境变量交织在一起，需要重新评估已建立的海陆变迁范式。关于板块平俯冲和地幔极向对流等构造过程引起大陆地壳生长的假说，也亟待受到检验。
一个关键的挑战在于破译长英质大陆地壳形成机制在地质历史时期的变化，例如显生宙陆壳主要来自大洋弧和大陆弧镁铁质岩浆的结晶分异，而太古宙陆壳主要来源于洋中脊玄武岩的部分熔融。大陆岩石圈在前寒武纪时期的稳定以及古老板块构造的出现，为理解大陆地壳的保存和演化提供了至关重要的线索。该领域的未来研究应探索洋底高原俯冲与洋壳碰撞加厚在古老大陆地壳形成中的作用，同时考察环境因素与构造过程之间的相互作用，例如气候和海洋化学对大陆发展的影响，有望加深人们对过去地球动力学的理解。采用地质学、地球化学和地球物理学的跨学科集成方法，对于揭示大陆生长与超大陆旋回的复杂性至关重要。这种综合的探索强调了地球岩石圈是一个动态实体，它不断受到各种内部和外部力量的塑造，留下了地质演化的丰富记录。
2. 地壳物质循环
地壳物质循环涵盖了地壳物质向地幔的迁移及其在地表重新出现的过程，已经成为地球层圈相互作用的关键过程。这一过程深刻地塑造了地球表面的特征，影响着地震活动，并调节着地球层圈矿物和元素的分布。该领域的一项重大挑战在于揭示俯冲地壳变质脱水与部分熔融、板块俯冲与岩浆作用等地质现象之间错综复杂的联系。深入了解特定矿物在地壳脱水熔融过程中的行为、俯冲带几何结构和温压结构随时间演化的动力学以及驱动新生地壳形成和演化的机制。
地壳物质循环是地球科学研究的一个复杂但不可或缺的方面，它驱动着地球的物理化学演化和资源灾害的分布。最近的进展在很大程度上归功于创新的地球化学分析和建模技术，区分俯冲地壳再循环物质的形式是液体还是固体。关键认识包括认识到俯冲板片在不同深度析出流体交代小地幔楔和大地幔楔，分别形成岛弧型玄武岩和洋岛型玄武岩的源区；俯冲过程在重新分配地壳碳和挥发性组分中的重要性，以及克拉通和造山带等地区地壳生长和破坏的多阶段过程。对冈底斯带和古太平洋板块的研究揭示，早期大洋板块俯冲过程及其对活动大陆边缘构造转变具有显著影响。
未来的研究应致力于进一步阐明地壳物质循环过程背后的物理化学机制，包括新生地壳厚度的演化以及俯冲板片与上覆地幔楔之间在不同深度的相互作用。理解不同地区的构造演化，包括克拉通和造山带岩石圈的形成以及之后的减薄和破坏等过程，为研究全球类似现象提供了宝贵的见解。探索板块俯冲和折返动力学以及汇聚板块边缘岩石圈破坏等过程与成矿作用之间的联系，对于矿产勘探和推进人们对俯冲带地球化学循环的理解具有重要意义。
3. 地球历史中的造山过程
地球历史中的造山过程，涵盖了从大洋板块俯冲引起的增生造山和大陆板块碰撞导致的碰撞造山这两类经典的板缘造山到板块边缘岩石圈减薄后破坏产生的板内造山。无论如何，山脉形成于现今或者过去板块边缘，对于塑造地表形态、气候和资源分布至关重要。破译造山过程面临的重大挑战主要包括确定造山带形成和破坏的时间和机制、认识板缘构造向板内构造转变的活化再造、理解俯冲板片和地幔动力学在造山过程中的作用，以及解开造山作用与地形地貌之间的复杂相互作用。值得注意的进展包括认识喜马拉雅-青藏地区复合造山系的形成和演化、原特提斯洋和古特提斯洋等远古海洋闭合过程与造山作用，以及中亚造山带和中国中央造山系的形成和演化。
核心的科学问题包括造山带不同性质流体的产生和演化对成矿元素迁移和聚集的效应、造山事件对地球生物多样性和气候的影响，地幔对流与造山过程之间的时空关系，以及地壳生长和再循环的过程对地幔成分的影响。高精度年代学、地震层析成像和地球化学分析取得了重大进展，使得能够准确重建板块运动和造山过程，并更深入地理解板块俯冲和折返动力学。
未来的研究方向应整合多学科方法，涵盖板块边缘结构组成、地幔对流性质与动力学、地壳变形和地表过程，加强地质学、地球化学、地球物理学和气候科学之间的综合研究。开发和应用新的分析技术，并结合计算模型，对于解决造山过程相关的但是又悬而未决的问题至关重要。将造山过程与环境变化和资源分布联系起来，将进一步加深人们对地球动态地质系统的理解。
4. 板块构造与地幔动力学
板块构造与地幔动力学是地球科学一个至关重要的领域，它深入研究岩石圈板块及其下伏对流地幔之间的相互作用和运动规律，对于理解地震、火山活动和山脉形成等地质过程至关重要，这些过程对地球环境和人类社会产生重大影响。该领域的挑战主要在于破译板块构造与地幔过程之间的复杂相互作用及其在地球表面的表现形式，关键问题集中在板块运动背后的构造机制、地幔极向对流和环形对流过程对岩石圈构造的影响，以及深部地幔动力学与浅部地壳地质特征之间的时空联系。
近年来，地震成像、三维建模和全波形反演的进步极大地提高了人们对地幔结构和动力学的理解，涵盖了从青藏高原岩石圈之下的地幔动力学、长白山火山活动与板块俯冲带随时间演化的复杂性，以及地幔极向对流与汇聚板块边缘岩石圈减薄和破坏之间的关系等各个方面。此外，探索板块构造与地幔对流相互作用以塑造热点起源深度和运动轨迹，对于理解板内热点火山活动乃至大火成岩省成因至关重要，有助于进一步揭示地球内部复杂的动力系统。
研究还集中在环太平洋板块俯冲构造学、板内火山活动与板块构造演化、全球板块建模以及创新的 GPlates 软件的创新使用。对过去板块运动重建、张裂夭折与成功、俯冲起始与夭折、板片熔融和碳循环、俯冲带地球化学、东亚大陆之下过渡带板片停滞、西冈瓦纳克拉通岩石圈的改造以及东北亚地壳变形的研究，涉及板块构造过程与地幔对流作用之间的时空耦合与解耦。
在建模和地震技术方面的持续进步，对于预测和理解与板块构造和地幔动力学相关的地质事件至关重要，巩固了该领域作为地球科学研究基石的地位。未来的研究应旨在整合多学科数据和解释，以进一步揭示板块构造与地幔动力学之间的复杂相互作用，重点关注地幔对流对大陆演化的影响、改进现今和过去全球板块运动模型、检查板块变形过程以及理解板块边缘的构造过程。
5. 地球三维结构
地球三维结构的探索，即深入研究地球内部各层的物理结构和化学组成及其随时间的变化，对于理解地球的形成、演化和地质现象至关重要。这个领域的挑战包括复杂的地球内部动力学、精确的地球组分成分确定，以及整合各种类型数据集。该领域的进步主要得益于地震成像和层析成像，揭示了现今地球内部复杂的对流地幔动力学和岩石圈结构。重大发现包括识别热点之下的大规模地幔柱，以及对不同区域地壳-地幔相互作用的深入了解。目前，亟待解决的问题包括地幔极向对流与地幔柱之间的成因联系以及地幔侧向对流与地幔柱上升之间的影响程度。
关于轻元素超离子态和振荡旋转模式的假设，提出了关于地球内核的一种新视角。此外，将土壤结构整合到地球系统模型中以及用于表面波色散反演的创新方法代表了重要的跨学科进步。全面的模型，例如LITHO1.0和全球海洋重力模型的开发，对于揭示隐藏的构造结构和更新全球沉积物厚度估计至关重要。关于全球冰川冰厚度估计共识的取得，进一步增强了人们对环境影响的理解。
未来工作应重点关注改进深层地球成像技术以及促进多学科合作，以更细致地描绘地球内部结构和组成及其随时间的变化。强调地球不同层圈之间的相互作用，并阐明水和轻元素在地幔和地核过程中的作用也至关重要。计算模型的进步对于模拟复杂的地质过程至关重要，有助于自然灾害预测和减灾、资源管理以及加深人们对地球动态历史的理解。
6. 矿产资源
矿产资源是指自然界中存在的、具有经济价值的矿物和地质材料的富集，对技术进步和经济增长至关重要。它们既可以形成在板块边缘，也可以形成在板块内部，认识这两类构造背景下矿产资源之间是否存在继承和发展关系至关重要。最近的研究揭示了该领域中的许多挑战和科学问题，例如了解不同类型矿床成因与构造背景和物理化学过程之间关系，包括钨矿床中流体-岩石相互作用的复杂性以及地球动力学对金矿化的影响。
当前的研究进展涵盖了改进的地球化学指标(例如锆石中的Ce和Eu异常)如何阐明构造环境及其对成矿作用的影响。原位LA-ICP-MS元素和同位素分析技术极大地促进了对这些过程的理解，为人们提供了有关矿物沉积机制和不同矿床类型形成过程中各种元素的作用的见解。人们越来越认识到，地幔来源组分和地壳相互作用在形成各种矿床中的作用，成矿元素在板块边缘的预富集以及在板块内部的再活化可能都不同程度地贡献到矿床的最终形成。
此外，了解矿产开采的地质背景和环境影响及其可持续性正变得至关重要。现在和过去板块边缘都是成矿元素聚集的关键场所，认识到这个构造背景对于解决矿产资源开采的地质学环境和可持续性方面意义重大，为更有效和可持续地开发这些矿产资源奠定了基础。未来的研究应集中在整合地质学、地球化学和地球物理学方法，进一步加深对地壳和地幔过程的理解，改进地球化学指标对成矿元素迁移和富集的示踪效果，并开发创新的建模技术。这种整合方法有望提高找矿勘探效率，并确保矿产资源开发继续为经济社会发展做出贡献。
7. 岩浆系统
岩浆系统是指地表之下熔融岩石的复杂网络，对于理解行星地质学、矿产资源和火山灾害至关重要。揭示这些系统的复杂性是一个重大挑战，特别是在破译驱动岩浆产生、演化和喷发等触发过程方面。
近年来，技术进步，例如先进的热压计方法和同位素分析，极大地提高了人们对岩浆系统的理解。角闪石和辉石-熔体温压计等技术提供了对岩浆系统内部温度和压力的约束。同位素研究，包括对锆石Hf-O、Li和B等元素的同位素分析，提供了有关地壳-地幔相互作用和岩浆源区特征的宝贵信息。
新兴研究挑战了对岩浆房的传统观点，强调了低熔融分数和反应性熔体流动的“糊状储层”的存在，从而重新定义了人们对岩浆储存和分异过程的理解。在大陆内部发现一些碰撞后岩浆岩具有与亏损地幔相似的Nd-Hf同位素特征，其中镁铁质岩石指示新生岩石圈地幔部分熔融对地壳生长的贡献，而长英质岩石则是新生地壳的再造产物。此外，对大陆碰撞带不同阶段构造事件和岩浆作用的研究揭示，伸展构造与岩浆活动之间存在密切的时空联系。
未来的研究方向要求采用多学科方法，整合地球化学、岩石学、地球物理学和数值建模。进一步探索不同地壳层位的岩浆系统物理和化学动力学，对于促进人们的理解至关重要。此外，重点关注岩浆活动的环境和经济影响，包括火山灾害和矿产资源勘探，将丰富人们对地质过程的认识。这些知识将有助于更准确的预测火山活动和开发有效的灾害缓解策略。
8. 地形变化与地球动力学
地形变化与地球动力学是一个至关重要的领域，它探索地球表面的演化及其与地质过程的相互作用。该领域对于理解构造-气候相互作用、环境动力学和地质灾害至关重要。主要挑战包括准确的地形测绘和对动态地球过程的理解，如格陵兰地形测绘和全球水深测绘研究所表明的那样。
该领域近年来取得的进展标志着遥感数据、计算工具和综合地质模型的整合，有助于理解地形、地质过程和地震活动之间的关系。LiDAR、无人机和基于MATLAB的工具(如TopoToolbox)等技术的突破极大地促进了地形分析，使人们能够对各种环境中的地貌过程进行详细研究。
关键的科学问题集中在大陆构造的动力学和地形变化背后的机制，如印度-欧亚大陆碰撞带的地壳变形、青藏高原隆升的时间和机制，有关研究为这些复杂过程提供了见解。地形变化与地球动力学未来的方向包括提高地形模型的精度，进一步发展遥感技术，加深对地表地形受地质过程影响的理解。强调多学科综合研究，该领域正在朝着更全面的地球动态系统模型发展，这对于预测环境变化、管理资源和减轻地质灾害至关重要。
(二)、深时
9. 地质年代测定
地质年代测定是揭示地球动态历史的基石方法，它连接着地质学、考古学和人类学，阐明了地质和生物现象的时间和排序。该领域面临着着分析技术和数据解释两个方面的挑战，即年龄数据的测试精度和地质解释，但最近在这两个方面都取得了重要进展。
离子探针层析扫描等突破性技术在确认锆石的冥古宙生长年龄方面发挥了关键作用，彻底改变了人们对地球早期过程的理解。剂量率和年龄计算器等软件创新，改进了俘获电荷年代测定方法，而Undatable软件将深度不确定性纳入年龄-深度模型，标志着技术取得了显著进步。碎屑锆石U-Pb地质年代学广泛应用于大地构造学，为大陆地壳演化提供了新的见解。
将地质数据与天文学计算相结合的综合方法增强了人们对星体年代学的理解，这在对海洋同位素亚阶段和太阳系动力学的研究中可见一斑。这种跨学科研究趋势延伸到对南海海底扩张和伊豆-小笠原-马里亚纳岛弧系演化的细致重新评估，突出了地质年代测定在破译板块构造和俯冲动力学中的关键作用。
在人类学方面，对智人出现和纳勒迪人年代测定的重新评估，突出了该方法对人类进化研究的不可或缺的贡献。全新世的正式细分和死海转换带开始时间的测定，丰富了人们对地层学和区域构造学的理解。
展望未来，重点在于完善微量微区原位分析方法、集成不同类型的年龄测定技术，以及扩大其在各个领域的应用和检验。地质年代测定出来的这种演化轨迹，加上分析工具的进步和跨学科研究，有望以前所未有的清晰度和精度重建地球在不同时空范畴的历史，揭示其地质学和生物学档案。
10. 早期板块构造
对早期板块构造的研究，即考察地球初始岩石圈动力学，对于揭示地球从太古宙到早元古代的地质演化至关重要。这项研究对于理解大陆地壳的形成和转换、大气层的形成以及生命的起源至关重要。该领域的关键挑战包括确定板块构造的开始时间，以及从早期停滞层盖体制到活动层盖体制的转变，以及古老板块构造到现代板块构造系统的转变。关键问题集中在识别太古宙时期地壳物质的成分、阐明不同风格板块构造的启动和演化，以及理解从基性到酸性成分大陆地壳的转变。
近年来，随着先进的元素和同位素分析以及古地磁数据的积累，人们发现太古宙存在多种构造活动，包括古老俯冲过程和多样化的地幔动力学。这些研究的结果表明，酸性钠质大陆地壳在大约35亿年前开始出现，到大约25-26亿年时转变为酸性钾质，指示在太古宙时期已经出现板块离散-汇聚耦合体系，见证了早期板块构造的演化，可能分阶段发生，只是板块俯冲深度和俯冲板片重力牵引作用程度不同于显生宙。这种动态演化过程通过扩展到地球历史深处的古老板块构造模型得到了进一步阐明，为前寒武纪时期数十亿年的岩石圈构造运动提供了连续的视角。
该领域的未来探索应集中在通过集成地球化学、地质学和古地磁数据，完善驱动这些地球早期构造的时间线和机制。数值建模和深层地球探测的进步对于深入了解早期板块构造的复杂性至关重要。研究地球早期构造活动、地球冷却、地壳演化和早期生命起源之间的相互作用，是一个激动人心的重要领域，有望丰富人们对地球过去历史的理解，并为更广泛的行星演化提供宝贵的见解。
11. 地球历史上物种大灭绝
地球历史上的物种大灭绝代表着关键地质时期，其特征是生物多样性迅速而广泛的损失，重塑了地球生命的进化轨迹，为人们理解生态恢复力和环境动态提供了至关重要的见解。该研究领域面临的首要挑战是准确地确定这些大灭绝事件的具体原因和时间，关键的科学问题集中在气候波动、海洋条件(如缺氧和富硫环境)以及火山活动的作用上。理解这些因素如何与生态系统的稳固性交织在一起，以及海洋和陆地领域灭绝模式的差异及其复苏机制，构成了一个复杂的科学难题。
通过综合应用古生物学、地球化学、气候科学和先进计算建模的跨学科方法，该领域旨在全面了解地球历史上的这些关键事件。这种理解不仅是解开过去的钥匙，而且为解决当前和未来生物多样性和保护方面的当前和未来挑战提供了指导。最近的进展以高精度年代学、地球化学分析和创新建模方法的应用为标志。利用汞异常作为火山活动的替代指标，是一个重要的方法学发展，为更深入地了解大火成岩省(LIP)和气候变化在这些生物大灭绝事件中的作用提供了见解。改进的算法和质谱技术提高了化石记录分析的分辨率，揭示了物种灭绝与生态系统稳定性之间错综复杂的相互作用。结果发现，生态系统崩溃可能滞后于物种丰度的下降，这为理解这些事件增添了新的维度。
展望未来，深入研究将解开各种物种大灭绝驱动因素之间复杂相互作用的机制，重点关注环境压力因素与不同生态系统中生物响应之间的复杂关系。调查这些灭绝事件后生物复苏的模式，以及评估人为因素在近期灭绝事件中的作用，预计也将是未来研究的关键领域。
12. 地球历史上的游离氧气
地球历史上的游离氧气研究旨在深入探究地球大气层和海洋中分子氧气(O2)的演化，这对理解地球的可居住性和生命的发展至关重要。近年来，该领域的研究取得了重大进展，揭示了大气氧化的复杂过程，其中包括大氧化事件(GOE)等关键事件。
与以往的假设相反，氧气增加并非一个简单的线性过程，而是经历了长时间的低氧水平，这对复杂生命形式的出现和多样化产生了深远的影响。微生物活动，特别是古细菌的活动，在早期氧气动力学中发挥了至关重要的作用，展示了生命形式与生物地球化学循环之间复杂的相互作用。此外，蓝藻在产氧光合作用中的作用，曾经被认为是早期进化发展，现在被理解为后期的获得，重塑了人们对光合作用进化的理解。地球化学分析已成为该研究的重要工具。利用新颖的同位素示踪剂和统计方法，为古代海洋氧化还原状态和大气条件提供了新的视角。对其他生物地球化学循环(例如P和S的循环)的理解也得到了加强，认识到它们对全球氧气水平和气候的全球影响。
展望未来，研究方向将集中在完善氧化事件、地质现象和生物过程之间的时间关系上。这种多学科方法将集成先进的基因组技术和地球化学建模，旨在全面解开地球的氧化故事。此外，这项工作的意义超出了地球本身，为生命所需的条件提供了宝贵的见解，并可能指导对地外生命的寻找。
13. 地球冰川史
地球冰川史研究着眼于地质时期冰川的形成和演化，为理解过去的气候变化、预测未来趋势以及认识冰川对海平面、淡水资源和生态系统的影响提供至关重要的见解。该领域面临着解开冰川与气候之间错综复杂相互作用、准确量化冰川变化以及预测未来变化的挑战。主要科学问题围绕着理解地质历史上冰川产生和消失的速率和驱动因素、冰川响应的区域差异及其对全球海平面和水文循环的影响。
近年来，卫星图像和大地测量学的进步彻底改变了人们测量全球冰川表面高程和质量变化的能力，实现了前所未有的精度。这些进步揭示了格陵兰岛、南极洲和喜马拉雅山地区冰川加速消融的现象，这主要是由气温升高和降水模式变化引起的。与此同时，重建地质历史冰川时期和开发预测模型以模拟不同气候轨迹下的未来情景的努力也获得了重视。这些努力旨在为现代气候变化提供背景，并预测未来冰川的行为及其在区域和全球范围内的影响。冰川在淡水资源和海平面上升方面也发挥着至关重要的作用。
地球冰川史，得益于广泛的研究和技术进步，强调了冰川在全球气候系统中的关键作用，并强调了持续、细致调查的必要性。展望未来，该领域预计将重点关注完善预测模型，并采用多学科方法，以更全面地了解冰川动力学。这需要探索冰川过程与更广泛环境系统之间的相互联系，并利用先进技术来加强监测和分析。持续的研究对于制定有效应对气候变化缓解策略以及理解气候变化对地球生态系统和人类社会长远的影响至关重要。
14. 生命起源
探索生命起源，涉及深入探究地球上生命令人着迷的起始和早期演化。这是一项多学科的探索，对于理解生命的韧性和适应性至关重要，并且对于寻找地外生命方面也发挥着关键作用。确定生命起源的研究充满了挑战，尤其是建立准确的时间线，例如古代热液喷口的发现和对最早期微生物生命的研究就说明了这一点。这些发现表明，生命的出现时间比之前假设的要早得多，但是否早达始太古代依然是个尚未解决的问题。
一个基本的科学问题是解开滋养早期生命的环境条件。对寒武纪早期海洋氧化以及氧化还原异质海洋作用的研究表明，不断进化的生命与地球的大气和海洋之间存在着动态的相互作用。分子钟分析的进步至关重要，它挑战了传统的观点，并提出了生命逐渐出现和多样化的假设。包括对寒武纪早期生物群和火星二氧化硅沉积物的分析在内的研究表明，生命的演化以一系列辐射事件为特征，这些事件发生在不同的环境中，与地球不断变化的地球化学和大气状态密切相关。
未来的研究方向应集中于整合地质学、化学和生物学见解，以增强人们对生命起源的理解。这种综合方法是解开生命形式与其环境之间复杂相互作用的关键，对理解地球上和地球之外的生命具有深远意义。
15. 过去、现在和未来气候变化
过去、现在和未来的气候变化代表着地球大气和海洋系统随时间推移所发生的广泛变化，涵盖了过去的时代、现在的状况以及未来的预测。研究气候变化对于理解地球的气候历史、评估正在进行的环境变化以及预测未来的气候变化至关重要，而这些对于全球可持续性和风险减缓又至关重要。应对破译过去气候信号、准确监测当前气候趋势以及预测未来变化的挑战，需要解决复杂且相互作用的自然和人为因素。核心的科学问题包括理解历史气候转变背后的驱动力，量化当前的气候变化，以及在各种排放路径下模拟未来的气候情景。
同位素分析、石笋记录、团簇同位素测温和气候模型的突破，使人们对气候动力学有了更深入的了解。这些工具揭示了关于过去温度变化、季风模式、冰盖动力学和海平面变化的关键见解，增强了人们对海洋热浪、干旱模式、北极放大效应和洪水事件的理解和预测。所积累的研究阐明了历史气候时代的关键方面，包括新生代、中生代和古生代，强调了气候系统对温室气体和海洋温度等因素的复杂性和敏感性。
未来的研究必须集中在整合跨学科方法、改进气候模型和扩大观测数据范围。这包括将模型预测与观测数据相协调，尤其是在北极和热带等代表性数据不足的地区。技术的进步和方法的改进将在微调未来气候情景预测方面发挥关键作用，有助于制定有效的全球应对措施，以减缓和适应气候变化。这部分工作强调了持续调查的重要性，将历史数据与创新科学方法相结合，以加深人们对气候变化的理解，并为未来制定有效的政策和管理策略提供信息，以构建一个更具韧性的未来。
(三)、深海
16. 深海沉积
深海沉积以有机质、矿物质和颗粒物在海底的累积为特征，在揭示地球气候历史、生态系统动力学和地球化学循环方面发挥着至关重要的作用。该领域目前的研究面临着各种挑战，从理解沉积物输送过程和生物地球化学循环，到评估海底滑坡等地质灾害对海洋基础设施的影响。关键科学问题包括沉积作用对碳封存的贡献、沉积物输送的动力学以及海洋环境中水合物动力学的复杂性。技术进步，包括地震成像、计算流体力学和地质建模，极大地提高了人们对这些沉积过程的理解。
最近的研究亮点包括：对边缘海沉积物累积的理解取得进展，微生物活动在沉积物中硫循环中的作用，以及影响天然气开采的页岩孔隙结构的复杂性。此外，新的研究方法已经出现，并用于评估地质灾害对海底管道造成的风险，可用来了解长期浑浊流，这对破译大规模沉积物输送和沉积至关重要。
未来的研究应采用集成的多学科方法，将地质学、海洋学、化学和工程学等学科要素结合起来。这种集成对于提高海上基础设施安全措施、优化资源开采技术以及加深人们对沉积物输送机制的理解至关重要。跨越不同科学和工程学科的协作努力对于有效应对深海沉积的复杂性，并利用其研究地球系统和人类活动的影响至关重要。
17. 边缘海
边缘海，例如地中海、红海和南海，是海洋和陆地生态系统之间的关键地带，在调节区域气候、支持多样性海洋生物以及支撑当地经济方面发挥着至关重要的作用。这些位于大陆边缘的半封闭海域为研究全球环境变化在区域尺度的复杂相互作用提供了独特的机会。
研究这些海域的主要挑战之一是破译其错综复杂的地球物理结构。例如，红海以其深层岩石圈构造为特征，而南海则呈现出构造的复杂性。了解这些特征对于揭示这些海域的演化和当前动力学至关重要。气候变化构成了另一个重大挑战，表现为极端天气事件、海洋生物多样性的变化以及海平面的波动。研究人员正在探索这些海域在面对这些变化时的生态恢复力和社会经济影响。这些海域在更广泛的气候现象中也发挥着至关重要的作用，例如季风系统与区域降雨模式之间的相互作用，以及厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)等大尺度气候振荡对海洋热浪和生态动力学的影响。
近年来，在地球物理和遥感等方面的技术进步，为人们认识边缘海结构和气候动力学提供了前所未有的帮助。气候模型和多尺度干旱指数增强了人们对极端天气模式和海洋生态响应的理解。此外，专注于南海天然气水合物和冷泉的研究揭示了潜在的能源资源和海底地质过程。展望未来，迫切需要集中研究以了解和减轻这些海域海洋热浪增多带来的生态和社会经济影响。未来对边缘海的研究将继续整合多学科方法，应用技术和建模的进展，加深人们对地质、海洋学和气候系统之间相互联系的理解。这种整合方法对于制定有效策略，以适应和减轻这些重要地区全球环境变化的影响至关重要。
18. 全球海洋碳循环
全球海洋碳循环在调节地球气候方面发挥着重要作用，它体现了海洋、大气、陆地和人类活动之间碳的复杂相互作用，主要控制着大气中的CO2浓度。然而，该循环面临着重大挑战，包括精确量化不同的碳通量和储量、理解人类活动的影响以及破译碳系统内部的复杂动态。主要科学问题在于深入研究海洋碳吸收和释放背后的机制、海洋和陆地生态系统对气候波动的不同响应，以及全球碳储存和排放趋势的持久变化。
近年来在全球海洋碳循环的若干方面都取得了重大进展，特别是通过开发复杂的耦合气候-碳循环模型比较项目(C4MIP)中的模型，以及使用轨道碳观测站2(OCO-2)等工具提高观测能力。这些创新加深了人们对碳循环反馈机制的理解。通过整合各种数据源，包括历史记录到最先进的卫星观测，研究人员对陆地和海洋碳汇和碳源进行了更细致的评估。研究强调了碳循环动力学与温度和降水等气候因素之间的复杂关系，揭示了显著的区域差异以及极端天气事件对碳汇的深远影响。
展望未来，应重点改进测量技术和建模方法，同时深入研究气候极端事件和人类活动的潜在影响。采用将观测数据与模型模拟相结合的综合方法，对于增强人们预测地球未来气候和制定有效的全球气候政策至关重要。这种综合的理解对于应对气候变化带来的挑战、增强人类减缓其影响的能力以及为子孙后代保障可持续未来不可或缺。
(四)、深空
19. 比较行星学
比较行星学是一个跨学科的研究领域。它考察宇宙中的行星、卫星和其它天体，以揭示它们的起源、演化和潜在的宜居性。这一学科对于洞察地球的过去并将其置于更广阔的宇宙背景中至关重要。它穿梭于天体现象的复杂性之中，解决有关月球和类地行星形成的问题，其特征是剧烈的撞击和广泛的火山活动，以及火星复杂的气候史，体现在其多样的矿物组成和古代水体的沉积遗迹中。探索扩展到木星神秘的结构和磁性，为气态巨行星的形成提供了宝贵的线索。在土卫二上发现的热液活动为地外生命提出了有趣的可能性，而陨石的同位素分析揭示了太阳系早期阶段的信息。理解地球在人类活动引起的变化中所展现的韧性也是一个关键焦点，突出了保护行星稳定性的重要性。
技术进步极大地推动了该领域的发展，例如朱诺号、好奇号和卡西尼号等探测任务获取的精确数据，分别彻底改变了人们对木星、火星和土卫二的理解。艾姆斯立体管道等创新提高了对行星表面的地形分析，而月球样本(包括最近的嫦娥5号等任务带回的样本)的放射性定年，使人们对月球地质演化的理解更加精确。洞察号任务为火星地震活动和内部结构提供了宝贵的见解。
展望未来，比较行星学将随着即将到来的星际任务和技术突破而扩大其范围。未来的研究将更深入地研究天体形成和演化的奥秘，探索火山活动和热液过程等现象，并继续寻找地外生命。至关重要的是，该领域将评估人类活动对地球在太阳系中微妙平衡的影响。这种综合方法不仅丰富了人类对宇宙的理解，而且强调了地球在广阔宇宙中独特作用和脆弱性的重要性。
20. 地球早期分异
地球早期分异是继地球形成之后的一个关键时期，标志着地球分异为地核、地幔和地壳，为人类可居住条件奠定了基础，并影响了地球的地质学演化。这段时期主要发生在冥古宙和太古宙，为理解塑造地球的复杂过程带来了重大挑战。这个时期的关键是含水的、化学不均一的地幔的演化，这对海洋的形成、板块构造的启动以及温室气体的快速减少至关重要，这在关于冥古宙地幔条件和太古宙地幔温度效应的研究中得到了体现。对富集地幔储库的研究提供了进一步认识，阐明了冥古宙期间地幔的动态特征。
同样重要的是探索太古宙大陆地壳的形成，一是厚的洋壳在汇聚板块边缘的进一步加厚，二是长英质岩浆产生与地幔极向对流作用，这两点在过去的模型中被严重低估了。对太古宙地壳拆沉和再循环的研究，以及火山岩和侵入岩的比较分析，有助于理解地壳形成和转换过程。值得注意的是，诸如“岩浆造山带之下氧化还原过滤器”等假说，有助于深入探讨岩浆分异中的氧化还原变化，突出了地壳厚度与岩浆特征之间的关系。铂族元素和金在地壳和地幔成分演化中的作用是另一个重点领域，揭示了早期地球分异期间物质的分配。
地球化学分析和地球动力学建模的进步在揭示地球早期历史的方方面面发挥了关键作用，例如二氧化硅的结晶和地核的组成演化，为地核形成过程提供了新的视角。随着研究的进展，未来的方向应集中在揭示地球早期的复杂化学和物理动力学，特别是水和氧化还原条件对地壳形成以及地核持续演化的影响。预计分析和建模技术的持续进步将揭示地球早期历史的更多复杂性，加深人们对地球形成早期阶段及其演化轨迹的理解。
(五)、地球大数据
21. 地质科学中的机器学习和大数据分析
地质科学中的机器学习和大数据分析属于新兴研究领域，通过应用先进的算法和庞大的数据集来解决复杂的地质科学问题，正在彻底改变人们对地球复杂系统的理解和管理。这种整合在改进预测和更深入地了解地球过程方面发挥着至关重要的作用，这对有效管理资源、保护环境和减轻灾害至关重要。
该领域在预测建模方面取得了显著进步，特别是在矿产勘探和地下水测绘方面，采用了随机森林和支持向量机等先进算法。这些方法增强了人们识别矿床和评估地下水潜力的准确性。在地震学和水文学等学科中，机器学习技术(包括LSTM网络等尖端模型)的应用，彻底改变了地震检测、地震层析成像和河流流量的预测。将数据驱动分析与传统物理模型相结合的混合模型，越来越被认为是进行全面预测的必要手段。
气候和天气预测方面的进展也很显著，在改进极端温度预测的偏差校正方法方面取得了重大进展，并实施了生成对抗网络等创新方法，用于随机参数化。然而，该领域面临着与数据整合和复杂模型的可解释性相关的挑战，这些挑战对于充分发挥机器学习在地质科学中的潜力至关重要。
机器学习和大数据分析的持续发展具有巨大的潜力，可以改变人们解决地质科学中多方面挑战的能力。通过创新的解决方案和加强对地球资源的管理，这些技术有望塑造一个更可持续和更有韧性的未来。展望未来，地质科学中的机器学习和大数据分析的发展轨迹将体现在各个领域与物理建模更深入的整合。克服与数据异构性相关的挑战并增强模型的可解释性是关键目标。在矿物加工、城市洪水风险评估以及改进模型效率和泛化能力的参数学习技术方面扩大应用，是具有重大发展潜力的关键领域。
22. 遥感
遥感是理解和管理地球表面和大气层的至关重要工具，近年来取得了重大进展。一个关键应用是监测城市热岛效应，这是因为城市化与气候变化相互作用，导致城市地区温度比农村地区高。一项在印度加尔各答和勒克瑙等城市开展的研究表明，土地利用变化、城市化和植被减少对局部气候产生影响。
空气质量评估，特别是关于PM2.5浓度的评估，是遥感做出重大贡献的另一个关键领域。利用先进的机器学习技术，现在可以更准确地预测PM2.5水平，有助于减轻与空气污染相关的健康风险。这种能力至关重要，因为这些细颗粒物与严重的健康问题有关。
此外，遥感在环境变化的时空分析中发挥着关键作用。例如，监测土壤水分和蒸散量的进步，为认识农业生产力、水资源管理和气候变化影响提供了宝贵的见解。多传感器数据的整合增强了更全面地描述复杂环境现象的能力。像 Google Earth Engine 这样的平台使人们能够获得地理空间分析，使更广泛的用户能够参与环境监测和管理。
遥感技术的这些发展，得益于人工智能和机器学习的整合，正在彻底改变研究和理解各种环境和城市挑战的方法。展望未来，遥感技术的潜力在于扩展这些能力，特别是在城市研究和空气质量监测方面，以及开发更全面、更易于使用的分析平台。这项技术的不断发展有望增强人们有效观察、理解和应对全球环境变化的能力。
(六)、宜居地球
23. 气候与构造
认识地球气候系统与构造过程之间的动态相互作用，可以为理解地质现象(如造山作用和大陆漂移)如何影响气候模型(或者相反)，提供了至关重要的见解。该领域的核心挑战在于破译构造运动与长周期气候波动之间复杂的关系。主要研究方向包括理解古地理对季风动力学的影响，探索山区海拔依赖性增温效应，以及评估城市化对局部气候条件的影响。此外，还试图阐明硅酸盐风化在调节地球温度中的作用，并调查构造对湖泊环境的影响。
最近的进展包括先进的气候模型技术，如社区地球系统模型(CESM)大集合项目，以及改进的数字高程模型，这些模型提供了对内部气候变异性和城市热岛现象的深入见解。展望未来，该领域的目标是改进气候模型以提高预测精度，尤其是在复杂地形和城市环境中。必须加强古地理对区域气候系统(特别是季风)的影响研究，加深对塑造长周期气候趋势的地质过程的理解。集成来自地质学、气候学和水文学的知识对于全面了解地球环境动态至关重要，这将有助于在全球变化面前做出明智的决策，以实现可持续管理和政策制定。气候与构造之间的相互作用仍然是解开地质历史上地球气候变化的关键，这也为应对快速转型时代的环境挑战提供了宝贵的见解。
24. 自然灾害与极端地震
在地球科学领域，自然灾害包括地震、海啸、火山喷发和冰川湖溃决洪水(GLOFs)。由于它们对地球地貌的深远影响以及对人类(尤其是人口稠密和生态脆弱地区)的重大威胁，具有至关重要的意义。在火山事件中观察到的复杂的海啸成因机制以及对多断层地震活动的详细研究，强调了需要更细致的预测模型和全面的风险评估。综合分析一系列最新研究成果，发现在自然灾害预测领域既取得了显著进展，也面临着持续的挑战。
在技术进步方面，特别是在开发复杂的震动预测模型以及将深度学习技术应用于地震数据分析方面，也取得了重大进展，增强了人们理解和预测地震影响的能力。然而，准确预测缓慢断层滑动的机制、实现地震危险性评估的一致性以及快速识别偏远地区的火山喷发，仍然是该领域面临的巨大挑战。
侧重于人口增长与海平面上升背景下沿海地区风险的分析，以及对2021年恰莫利灾难的调查，凸显了城市化沿海地区的风险不断升级。同样，2022年洪加汤加-洪加哈阿帕伊火山喷发所揭示的错综复杂的动力学，以及2016年凯库拉地震的多方面特征，反映了地球物理事件与人类基础设施之间的复杂相互作用。由气候变化引起的冰川融化导致的冰川湖溃决洪水发生频率和严重程度的增加，也引起了人们对地质灾害变化性以及应对策略适应性的热切关注。
在这个充满活力且不断发展变化的领域，持续的研究和创新对于提升人们对自然地质灾害的理解和应对准备至关重要。未来自然地质灾害研究的方向越来越倾向于整合多学科方法，将地质学、地震学、气候学和计算科学融为一体。加强全球合作、数据共享以及利用机器学习和先进模拟等尖端技术至关重要。这些共同努力不仅旨在改进预测模型和风险评估，而且旨在制定更有效的缓解策略，从而增强全球对这些强大自然现象的抵御能力。
25. 人为诱导地震
人为诱发地震是指由水力压裂、采矿和水库蓄水等人类活动引发的类似地震的事件，由于其对安全和环境稳定性的潜在影响，已成为一个需要迫切的研究的领域。正如HiQuake数据库中记录的各种活动所证明的那样，该领域面临着准确检测和表征这些地震事件的复杂挑战。
该领域的主要科学工作是阐明工业活动(例如流体注入量和压力)与由此产生的地震事件震级之间的关系，重点是了解地质因素、无震滑动机制和流体-岩石相互作用。技术进步，特别是在地震监测方面，使人们在地热能开采和水力压裂等项目中能够实时控制和管理地震活动。此外，孔隙弹性模型和裂缝分形分析的进展极大地促进了人们对这些现象的理解。
尽管取得了上述这些进展，但仍然存在一些问题，例如人为诱发地震如何为人们提供更广泛的关于地震物理学的见解，例如阻止地震破裂的机制。目前，该领域正在利用大量的数据库和预测模型取得进展，旨在掌握和减轻与人为诱发地震事件相关的风险。
未来的研究方向强调需要改进预测模型，以更好地预测和减轻风险，了解人类活动对地震响应的长期影响，并制定全面的管理策略。随着工业活动的扩大以及与人口稠密地区的距离缩短，有效管理人为诱发地震变得至关重要。该领域正在朝着更深入地理解人类活动与地震响应之间相互作用的方向发展，强调了多学科合作和持续技术创新的必要性，以平衡资源开采和工业活动带来的益处，并最大程度地减少相关的地震风险。
26. 水文地质学与地球水资源
水文地质学与地球水资源在确保地球水资源的可持续性方面发挥着至关重要的作用，水资源是所有生命形式和生态系统稳定的必不可少要素。然而，正如最近的研究所强调的那样，该领域面临着许多挑战。这些挑战包括来自各种污染物的污染，例如氟化物、硝酸盐、重金属和铀，这些污染物对不同地理区域构成重大健康风险。人口稠密和农业地区的地下水过度开采加剧了这些问题，影响着水的可用性和质量。此外，通过水源传播的包虫病等疾病给该领域增添了另一层复杂性。
主要科学问题在于理解人为活动与自然水文地质过程之间的复杂相互作用。近年来，技术和方法的突破，包括多元统计方法、先进的健康风险评估和水文地球化学模型的应用，使人们对这些复杂性有了更深入的了解。土壤和水评估工具(SWAT)和遥感技术等工具的研制，为评估水资源和监测地下水变化提供了创新方法，进一步推动了水文地质学研究。
展望未来，应重点发展可持续的管理实践，考虑到人类活动和气候变化对地下水资源的累积影响。优先实施先进的监测系统和预测模型对于指导有效的水资源管理策略至关重要，无论是在地方还是区域范围内。努力还应包括解决污染源、优化地下水开采以及促进农业中高效用水，所有这些都旨在确保地下水资源的长期保存和质量。
27. 关键矿产
关键矿产，特别是稀土元素(REE)，对各种高科技和可再生能源应用不可或缺，但其供应量往往受到地缘政治因素的影响，从而给区域经济发展带来了重大挑战。在供应链中中国占据主导地位的情况下，平衡全球需求与可持续采购仍然是主要关切点。
从科学角度来看，关键问题围绕着从不同地质环境中高效提取稀土元素、了解其环境行为，以及评估其对生态系统和人类健康的影响。值得注意的进展包括：探索沉积磷酸盐矿床以提取稀土元素、从风化玄武岩等来源中提取稀土元素的增强技术，以及电子垃圾回收技术的创新。在阐明稀土元素的生态毒性方面以及通过沉积物地球化学分析以揭示其沉积历史的研究方面也取得了进展。
对于关键矿产，尤其是其中的稀土元素，具有多种研究方法，包含了科学、环境和地缘政治方面的考虑。持续的研究对于实现需求与可持续管理实践之间的平衡至关重要。未来的努力应优先考虑可持续采矿实践、全面的健康风险评估和新型回收方法。至关重要的是了解稀土元素如何受生态系统的长期环境影响，以及它们在各种环境介质中的行为。制定有效管理策略以减轻稀土元素的环境影响也同样至关重要。
28. 能源资源
能源资源，从传统的化石燃料到可再生能源和新兴技术，是现代文明的支柱，为工业、交通和日常生活提供动力。有效管理这些资源对于平衡全球能源需求与环境保护至关重要。对各种研究的成果综合分析，揭示了这个关键领域面临的多样化挑战和进步。
一个关键的关注领域是页岩气和页岩油等非常规资源的勘探和开发。该领域的挑战包括减轻水力压裂等开采方法的环境影响、应对复杂的储层地质，以及有效管理副产品。高压甲烷吸附等温线和分形分析等技术在理解气体储存能力方面发挥着至关重要的作用，这对高效利用资源至关重要。页岩气的演变，特别是在美国和中国等地区，通过水平钻探和水力压裂技术的进步，释放了巨大的潜力。然而，关于用水、诱发地震和甲烷排放等问题依然存在担忧。
类似地，碱性/表面活性剂/聚合物驱油等提高采收率方法，虽然提高了开采效率，但也带来了经济和环境方面的挑战。人们对天然气水合物作为未来能源的兴趣日益浓厚，成功的实地试验展示了其潜力。然而，需要技术突破来解决与该资源相关的生产复杂性和环境风险。与此同时，海上风能和波浪能等可再生能源的整合代表着向可持续能源系统的转变。尽管存在技术和基础设施方面的障碍，但这种转变有望减少对化石燃料的依赖并减轻环境影响。
总体而言，需要开发一种协调一致的方法，将技术创新与环境和经济因素结合起来。能源资源的未来轨迹可能会优先考虑完善非常规资源的开采技术、更加严格地解决环境问题以及增强可再生能源的整合和效率。随着全球能源需求的持续增长，创新研究、明智的政策制定和跨学科合作在塑造未来几代人的可持续能源使用方面变得越来越重要。
29. 碳捕获与封存
碳捕获与封存(CCS)技术旨在减缓温室气体排放。它从工业和能源相关来源捕获二氧化碳(CO2)，并将其安全地储存在地下，有望对气候变化缓解工作和碳中和转型做出重大贡献。最近的研究强调了该领域的各种挑战和创新突破。经济和社会障碍，例如成本和公众接受度，构成了重大阻碍，而技术挑战则包括开发高效的捕获方法、理解地质构造中的流体动力学，以及确保长期安全性和封存。
值得注意的进展包括使用机器学习模型预测CO2捕获效率、新型水合物基碳捕获技术以及对页岩气回收过程的深入了解。目前的努力集中在开发经济高效的管理全球碳捕获与封存布局，将储存容量提高到十亿吨级，以及加深人们对气候变化与各种CO2汇相互作用的理解。碳捕获与封存的未来方向包括加强全球合作，特别是在金融和技术领域，重点关注了解区域气候对碳汇的影响、提高公众接受度以及解决伦理问题。数据驱动方法和计算建模在优化碳捕获与封存运营中的日益普及，再加上对碳捕获与封存部署的环境和伦理方面的关注，凸显了将其成功地集成到全球气候变化缓解战略中研究的综合方法之中的必要性。
30. 核废料地质处置
核废料地质处置是指将放射性物质安全地隔离在地下稳定地质构造中，对于保护人类健康和环境免受这些物质持久放射性危害至关重要。然而，该领域面临着多方面的挑战，包括确保储存设施的长期稳定性和安全性，了解核事故的环境影响，以及开发有效的材料来隔离放射性核素。主要科学工作集中在准确预测和监测环境污染、了解铀和其它放射性核素在不同环境条件下的迁移和行为，以及创新先进的材料和方法，以实现高效的废物管理。
虽然核废料地质处置是项艰巨的任务，但是近年来也取得了显著进展。例如，开发了去除放射性铯的新型框架，合成了用于封装废物的铀羧酸盐，设计了用于灵敏辐射检测的光致发光框架。此外，光催化和压电催化等创新技术用于铀的还原和提取，以及生物修复方法，展示了正在进行的研究动态景观。对钚等物质在裂隙地质介质中的复杂迁移行为的深入了解，以及建立铀同位素的综合数据库，凸显了当前科学知识的广度。
核废料地质处置的未来发展取决于跨学科合作，将材料科学、环境科学和生物技术无缝整合，以增强人们的废物管理能力。这些领域中的创新对于减轻环境影响和提高公共安全至关重要，为核废料处置开辟了一条更加高效和可持续的道路。
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