nature发布：2024地球科学面临的30个挑战

从生态系统变化和土壤质量到水文和自然灾害，地球研究从未如此重要。但在一个拥挤的关注领域，研究人员如何优先考虑最重要的问题？

深度数字地球（DDE）大科学计划是一项重大的国际倡议，科学家们正在向他们的全球同事寻求答案。他们创建了一个地质科学领域30个趋势主题的列表，并将邀请世界各地的研究人员进行投票，选出前10个趋势。

这项调查将在DDE的网站上进行，Springer Nature正与DDE合作，于2024年4月18日至5月31日向广泛的研究人员进行民意调查。

DDE大科学计划科学委员会主席Hans Thybo表示：“这30个主题反映了地球科学的最新趋势和进步，有可能解决与社会、科学和技术密切相关的现实世界问题。”。“通过让全球专家参与投票过程，我们希望确定最重要和最相关的研究领域，指导未来的地球科学研究。”

主题1：3D地球结构

探索3D地球结构，深入研究地球内层的复杂建模，对于理解地球的形成、演化和地质现象至关重要。该领域的挑战包括复杂的内部动力学、精确的成分确定和不同数据集的集成。地震成像和层析成像主要推动了这一进展，揭示了复杂的地幔动力学和地壳结构。重大发现包括识别热点下广泛的地幔羽流，以及深入了解不同区域的地壳-上地幔相互作用。对内核的新观点提出了轻元素的超离子态和振荡旋转模式。此外，将土壤结构纳入地球系统模型和创新的表面波散射反演方法是跨学科的重大进步。LITHO1.0和全球海洋重力模型等综合模型的开发对于揭示隐蔽的构造结构和更新全球沉积物厚度估计至关重要。对全球冰川冰厚度的一致估计进一步增强了我们对环境影响的理解。未来的努力应该集中在改进地球深层成像技术和促进多学科合作，以实现对地球内部更细致的描述。强调不同地球层之间的相互作用，阐明水和轻元素在地幔和地核过程中的作用也是至关重要的。计算建模的进展对于模拟复杂的地质过程、帮助自然灾害预测和缓解、资源管理以及推进我们对地球动态历史的理解至关重要。

主题2：碳捕获和储存

碳捕获和储存（CCS）技术旨在减少温室气体排放，从工业和能源相关来源捕获二氧化碳（CO2）并将其安全储存在地下，为缓解气候变化和向碳中和过渡做出了重大贡献。最近的研究强调了该领域的一系列挑战和创新突破。成本和公众接受度等经济和社会障碍构成了重大障碍，而技术挑战包括开发有效的捕获方法、了解地质构造中的流体动力学以及确保长期安全和遏制。值得注意的进展包括使用机器学习模型来预测二氧化碳捕获效率、基于水合物的新型碳捕获技术，以及提高对页岩气开采过程的理解。目前的工作重点是制定全球CCS战略布局，以实现成本效益高的二氧化碳管理，将储存能力提高到亿吨级，并加深我们对气候变化与各种二氧化碳汇相互作用的理解。CCS的未来方向包括加强全球合作，特别是在金融和技术领域，重点是了解区域气候对碳汇的影响，提高公众接受度，并解决道德问题。越来越多地利用数据驱动的方法和计算建模来优化CCS操作，再加上对CCS部署的环境和伦理方面的关注，突显了成功融入全球气候变化缓解战略所需的全面方法。

主题3：气候与构造

气候与构造学探索了地球气候系统和构造过程之间的动态相互作用，为造山和大陆移动等地质现象如何影响气候模式提供了重要的见解，反之亦然。该领域的一个核心挑战是破解构造运动与长期气候波动之间的复杂关系。重点调查的重点是了解古地理对季风动力学的影响，探索山区海拔相关的变暖效应，以及评估城市化对当地气候条件的影响。此外，研究人员试图阐明硅酸盐风化在调节地球温度中的作用，并研究构造对湖泊环境的影响。最近的进展包括复杂的气候建模技术，如社区地球系统模型（CESM）大型集成项目，以及改进的数字高程模型，这些技术可以更深入地了解内部气候变化和城市热岛现象。展望未来，该领域旨在完善气候模型，以提高预测准确性，特别是在复杂的地形和城市环境中。必须强调研究古地理对区域气候系统，特别是季风的影响，并加深我们对形成长期气候趋势的地质过程的理解。整合地质学、气候学和水文学的知识对于全面了解地球的环境动力学至关重要，有助于在面对全球变化时为可持续管理和政策制定做出明智的决策。气候和构造学仍然是揭示地球气候和地质历史的基础，为应对快速转型时代的环境挑战提供了宝贵的见解。

主题4：比较行星学

比较行星学是一个跨学科的研究领域，研究整个宇宙中的行星、卫星和其他天体，以揭示它们的起源、发展和潜在的宜居性。这门学科对于深入了解地球的过去并将其置于更广泛的宇宙背景中至关重要。它穿越了错综复杂的天象，解决了有关月球形成的问题，这些问题的特点是强烈的撞击和广泛的火山活动，以及火星复杂的气候历史，从其多样的矿物成分和古代水体的沉积遗迹中可以明显看出。这项探索延伸到木星神秘的结构和磁性，为气态巨星的形成提供了宝贵的线索。在恩克拉多斯发现的热液活动为地外生命提供了有趣的可能性，而陨石的同位素分析揭示了我们太阳系的早期阶段。了解地球在人类引发的变化中的复原力也是一个关键焦点，这突出了维护地球稳定的重要性。技术进步极大地推动了这一领域的发展，朱诺号、好奇号和卡西尼号等任务的精确数据分别改变了我们对木星、火星和恩克拉多斯的理解。艾姆斯立体管道等创新改进了行星表面的地形分析，而月球样本的辐射测年，包括嫦娥五号等近期任务的样本，完善了我们对月球地质演化的理解。InSight任务为火星地震活动和内部结构提供了宝贵的见解。

主题5：大陆生长与超大陆周期

大陆生长和超大陆周期深入研究了形成地球岩石圈的复杂过程，重点关注地质时代大陆和超大陆的形成、演化和碎裂。这一研究领域对于理解地球过去的动态，包括矿物分布模式和环境变化是必不可少的。一个关键的挑战在于破解驱动大陆地壳形成的多方面机制，特别是在太古宙时期，俯冲带中的MORB融化等传统模型正在受到审查。以超级增长事件为特征的偶发性大陆增长与气候和海洋化学等环境变量交叉，需要重新评估既定的范式。最近，地球化学模型和实验数据取得了突破，挑战了先前的地壳成因概念。对平板俯冲和地幔羽流对大陆生长的影响等现象的新见解至关重要。3 Ga附近大陆岩石圈的稳定和板块构造的出现为大陆的保存和演化提供了重要的见解。未来在这一领域的研究应探索海洋高原俯冲及其在地壳形成中的作用，同时研究环境因素和构造过程之间的相互作用，如气候和海洋化学对大陆发展的影响，有望加深我们对地球地球动力学过去的理解。采用地质学、地球化学和地球物理相结合的多学科方法对于解开大陆生长和超大陆旋回的复杂性至关重要。这种全面的探索强调了地球岩石圈是一个动态的实体，永远由各种内部和外部力量塑造，编织了丰富的地质演化叙事。

主题6：关键矿物

关键矿物，特别是稀土元素，是各种高科技和可再生能源应用不可或缺的，但其可用性往往受到地缘政治因素的影响，构成重大挑战。平衡全球需求与可持续采购，特别是面对中国在供应链中的主导地位，仍然是一个首要问题。从科学上讲，关键的研究围绕着从不同的地质环境中有效提取稀土元素，了解其环境行为，并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用于REE提取的沉积磷酸盐矿床的勘探、从风化玄武岩等来源增强的提取技术以及电子废物回收技术的创新。在阐明稀土元素的生态毒性和对沉积物进行地球化学分析以揭示其沉积历史的研究方面也取得了明显进展。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的回收方法。必须了解稀土元素的长期环境影响，特别是在受影响的生态系统中，并进一步了解其在各种环境基质中的行为。制定有效的管理战略以减轻稀土元素对环境的影响同样至关重要。总之，关键矿物，特别是稀土元素的研究包括一种多方面的方法，包括科学、环境和地缘政治考虑，持续的研究对于实现需求和可持续管理实践之间的平衡至关重要。

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