深地科学是研究地球内部组成、结构及运行机制的学科，是认识地球系统“引擎”的关键。《中国深地科学2035发展战略》系统梳理了我国深地科学的发展历程，揭示了深地研究的多尺度特色和强系统性，明确了深地科学在现代地球科学和地球系统科学中的核心地位，分析了该领域的两大发展趋势：一是新技术和新方法在创新发现中的作用越来越大；二是从不同学科相对孤立的探索研究向多学科交叉融合的转变。
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中国深地科学 2035 发展战略
“中国学科及前沿领域发展战略研究（ 2021 — 2035 ）”项目组编
北京：科学出版社， 2025.4
（中国学科及前沿领域2035发展战略丛书）
ISBN 978-7-03-081648-1
在此基础上，本书提出了深地科学前沿的十大科学问题和一个能引领深地科学研究的技术支撑体系，建议围绕这些重点方向，进一步开展跨学科、跨圈层综合交叉研究，形成地质天然观测、实验模拟和计算模拟协同创新的工作模式，以推动我国固体地球科学研究，并使其在新的一轮全球科技竞争中赢得战略主动。
通过分析现状、梳理问题、前瞻布局、踏实落实，我国深地科学领域的科技创新就一定能实现从“并跑”向“领跑”的转变。这种处境呼唤着我国科技的整体转型，地球科学研究同样也不例外。促使转型的途径可以有很多，但以下两点可能最是关键：一是自己出题、提出真正的科学问题；二是建立能解决问题的技术体系或新的科研范式。
有鉴于此，在承担本战略研究任务的初期我就暗下决心，要在深地科学领域能有所创新，研究一些能在未来10～15 年内可实现的课题。为此，在大家集思广益的基础上，本书提出了需要重点关注的十大科学问题，其中地球深部和浅部系统的联系机制是本书的思想主题。同时强调了要解决上述问题必须构建的技术支撑体系。
在调研过程中我深切感受到了提出新问题的难度。本书中的内容未必全是新问题，而是站在巨人肩膀上做的一些新思考、新尝试。如果本书能给从事深地科学研究的国内同行和研究生一些启示（如提出的科学问题、支撑问题解决的技术体系等），哪怕是其中的一小部分，能引起有关部门的重视和关注，我们都将欣慰之至。
徐义刚
《中国深地科学2035发展战略》研究组组长
2022年4月
十大科学问题
《中国深地科学2035发展战略》
PART 01
早期地球
早期地球是指地球形成后最初几亿年到十几亿年的阶段，那时发生了大碰撞与地球形成、 核幔分异 、地磁场产生、岩浆洋演化与初始陆壳形成、地球早期水圈 - 大气圈形成、生命起源、板块构造启动等重大地质事件，是地球演化的起点，为地球系统的演化奠定了基础；现今地球深部的结构、成分及运行方式是这些重大地质事件的直接后果。然而，由于地质样品的稀缺以及研究手段的独特性，这段历史的研究程度较低，这正是今后需要加强的方向。依靠高温高压实验、计算地球化学、计算地球动力学、比较行星学、行星增生动力学等进行联合攻关，形成新的固体地学研究范式，以期回答以下两个关键科学问题。
▋问题1：早期地球的性质和演化
早期地球研究涉及十几个一级地球科学问题，是最重要的地学研究前沿之一。相关研究包括：月球形成大碰撞对地球元素含量及同位素组成的影响、后期加积物的质量和种类、 核幔分异 过程的动力学和地球化学约束、地核化学出溶与地磁场维持、原始大气成分及前生命化学反应、原始大气的逃逸和保存、 冥 古宙地球的热演化、 前板块 构造运动的方式、 长英质陆壳 的形成、原始地幔不均匀性、早期地球重大地质事件的定年等。
▋问题2：地球上板块构造的起始时间和机制
板块构造理论已提出 50 多年，但其驱动力一直悬而未决，也不清楚板块构造体制是何时、如何起始的。有关板块俯冲起始的模型有很多，如大陆与大洋板块之间的密度差、地幔柱头喷发、小行星撞击、大龟裂等。至于板块构造体制何时启动，更是众说纷纭，有 冥 古宙、古太古代、 新太 古代、古元古代、新元古代等不同观点。但更多的争论在于对板块构造体制的定义不同。例如，一些学者认为只要有大规模的岩石圈俯冲到地幔即代表俯冲起始；而另一些学者则认为，全球尺度的连续俯冲代表板块构造体制的起始；还有一些人认为现今类型的板块俯冲才代表板块构造体制的起始。想要解决这些争论首先需要明确板块构造体制的定义，还需要在全球范围内寻找早期板块构造遗迹。地球动力学模拟高度依赖于早期地球物理化学条件的确定，因此需要地质、地球化学、地球物理和地球动力学等多学科联合攻关，同时还需要引入大数据、人工智能、机器学习等新技术。
▲ 早期地球演化的可能模式及构造体制转换（李忠海等，2021）
各模式之间的黑色粗箭头代表构造体制转换的可能的路径；（e）表示现今地球的板块构造体制
PART 02
地球内部结构、物质循环
和深部引擎
虽然早在一个世纪以前，人类就已经知晓地球的圈层结构；在半个多世纪以前就发现了板块构造，但今天我们仍比以往任何时候都更想了解地球深部的精细结构和状态，以及它是如何运作并控制表生系统演化的。这是因为活跃的地球内部是地球区别于太阳系其他类地行星的根本。地球深部氧化还原状态的变化以及地幔持续的去气作用不断改变着大气圈的组成；外核的对流导致了地磁场的形成，对生物圈和水圈起到了重要的保护作用；地幔对流是板块运动的主要驱动力，而板块运动又形成了巨型造山带、地震带、岛弧岩浆带和成矿带，对表层系统的三大圈 层状态 和运行产生巨大的影响。板块俯冲穿越地球各圈层将地球表层的物质送达地球深部，地幔柱则将核幔边界的物质和能量向地球表层输送，两者共同构成了地球内部的主要物质循环途径，是联系地球深部和表层间的重要纽带。
由于地球的不可入性，人类对深部地球的认知非常有限。地球内部的主要边界层的精细结构如何？地球深部大引擎的组成和动力原料是什么？地球深部物质是如何循环的？深部引擎 在过去的 46 亿年中是如何主导地球环境演变的？对这些问题的解答将成为构建地球科学新理论的奠基石。
▋问题3：地球内部界面的复杂特征及其动力学效应
地球是高度动态的行星，经过长期的演化，其内部在径向和横向上都存在不均 一 性。地球径向的不均 一 性主要表现为圈层结构，主要界面从浅到深包括：莫霍面、岩石圈中部不连续面及岩石圈 - 软流圈边界、地幔转换带的上下间断面及内部界面（ 410 km 、 660 km 等界面）、核幔边界及内外核边界，这些界面在横向上存在高度的起伏变化。界面两侧物性（地震波速度、密度等）具有多种形式的变化特征，展现出跳变、渐变以及其他复杂结构，与温度、矿物组成、化学成分具有密切关系。地球圈层结构除了表现为地震波速和密度的分层外，还体现在流变学性质的分层上。岩石圈和地幔的流变学性质是控制地幔对流运动的关键因素，不仅影响地幔对流的强度、形态、几何尺度等动力学效应，而且直接控制岩石圈和地幔乃至地核的整体构造 - 热演化过程。研究地球内部的波速、密度及流变学的分层结构对理解“地球内部是如何演化的”意义重大。
▲ 一阶地幔对流和二阶地幔对流（Zhong et al.，2007）
图中的蓝色部分代表冷的下降流；黄色部分代表热的上升流
▋问题4：地球深部挥发分
地球深部储存了巨量的氢、碳、硫、氮等挥发分，其总量甚至超过地表储库。挥发分元素具有多种价态，在地球内部的赋存形式复杂多变，分布也很不均 一 。板块俯冲、流体活动、地幔熔融、火山喷发等地质过程促使挥发分在地球内部发生迁移。挥发分的储存和迁移深刻塑造地球深部的物质属性和动力学过程，可导致 低速高 导异常，促进地幔对流和岩石熔融，调控氧化还原状态，形成矿床，引发深部地震和爆发式火山喷发。深部储库与地表储库之间的挥发分循环也是影响水圈和大气圈的形成与演化、调控地表 宜居性的 重要机制，很可能与大氧 化事件 和生命灭绝事件密切相关。地球深部挥发分的起源、分布、迁移、演化和效应是深地科学的重要前沿领域，解决挥发分迁移机制和通量等问题需要与岩石地球化学和地球物理研究密切结合。
▋问题5：地幔氧化还原状态及演化
地球表层宜 居系统 的建立与地幔过程密切相关。地幔氧化还原状态决定了各种元素在地幔中的赋存形式，控制了不同元素在地球各圈层之间的循环和迁移。因此，理解地幔氧化还原状态的演变是理解地表宜 居系统 建立的关键因素。需要重点关注地球早期增生及 核幔分异 的氧化还原状态、地球核 幔分异结束 后地幔氧逸度转变的时限及机制、地幔氧化还原状态的转变与地球大气圈氧化之间的相关关系、地球板块运动起始后地幔氧逸度的变化等。
▋问题6：地球深部化学储库及其成因
地幔具有显著的化学不均 一 性。经历漫长的地质演化后，地球深部化学组成差异明显的区域最终形成不同的化学储库，如Ⅰ型富集地幔、Ⅱ型富集地幔、高 μ 端员和 地幔集中带和流行地幔等。已经知道这些储库的成因与地壳物质的再循环密切相关，但尚不清楚不同空间尺度的地幔区域究竟是如何被再循环物质改造的，也不清楚地球深部化学储库的形成机制和形成时间。此外，需要重点关注深部地幔储库与浅部地幔储库的相互作用机制。通过与地球物理探测的结合，揭示不同化学储库在深部地幔中的空间分布。
▲ 地球深部化学储库及其成因卡通图
▋问题7：深地的内控引擎
最近地球科学和高压物理、高压化学交叉研究，揭示了地球从内到外引发 历来大 事件的主要引擎是超深部岩石矿物中挥发分活动。大洋地壳中的含水矿物跟随板块运动俯冲到深下地幔（深度＞ 1800 km ），经历了在超高压力（＞ 74 万个标准大气压）环境之下才有的新物理、新化学现象：水变成强氧化剂，释放了氢，氧化了深部的矿物，在地幔地核边界堆积了大量的富氧物质，最后通过富氧的热柱上升回到地表，成为主控大火成岩省、大氧化事件、生物大灭绝、雪球地球、 超大陆 分合等大事件的内在引擎。深地研究是地球科学的空旷蓝海，中国 若充分 把握新机遇，持续开拓这一新方向，十年内将在深 地领域 的研究中脱颖而出，进而掌握地球科学的枢纽。
PART 03
深地过程与宜居地球
地球环境的 宜居性随地 球的演化而复杂多变。地球历史上 5/6 左右的时间都是温室气候，两极没有冰盖，甚至出现过多次短暂的极热事件，如距今 5600 万年前后古新世—始新世极热事件；地球历史上冰室气候相对少见，但在距今 24 亿～ 22 亿年前后的古元古代和距今 7.2 亿～ 6.3 亿年前后的新元古代曾经发生雪球地球事件，冰川覆盖赤道地区海洋。地球大气的增 氧过程 也极为复杂，发生了距今 24 亿年前后的古元古代大氧 化事件 和距今 6 亿年前后的新元古代大氧化事件。伴随着地球大气温度和含氧量的变化，海洋也随之发生温度、酸碱度、氧化还原状态以及海水成分的变化，间歇性发生全球性大洋缺氧事件和酸化事件等。这一系列重大事件均与地球生命重大演化事件密切相关。
大量研究表明，地球表层的大气、海洋和生命演化过程与岩石圈和深部地幔的演变之间的关系十分密切。构造运动驱动地内和地表系统之间的物质交换，特别是通过火山喷发、风化作用和生物地球化学循环，直接影响表层大气和海洋的宜居条件、沉积成矿过程和生命的演化。揭示地质时期不同时间尺度下地球 宜居性演化 过程及其深部控制机制虽然极具挑战性，却是发展地球系统科学的必由之路，尤其需要关注以下三个关键问题。
▋问题8：大规模火山作用对地球宜居性的影响
火山作用是衔接地球深部和表层系统各个圈层的重要“抓手”，对地球 宜居性的 形成和发展具有重要意义。但目前尚不清楚不同类型火山活动在不同时间尺度下对气候和环境的影响程度和过程，也不清楚火山活动引发海洋、陆地、大气多圈层的连锁反应机制。为什么有的火山活动有利于生物的勃发，而有的则导致生物的灭亡？对火山活动的精确定年、评估火山活动对气候环境影响的时空效应、构建与火山活动相关的古气候定量模型是解决上述困惑的有效途径。
▋问题9：地球热稳定器与气候系统的稳定机制
宜居地球研究的核心问题之一是地球如何在长达 46 亿年的地质历史中长期维持相对稳定的宜居气候，从而保证了生命的持续演化进程。盖亚假说认为生命与无机环境协同演化形成的复杂系统具有调节环境的能力，但生命系统维持宜居环境的具体机制尚不清晰，且缺乏有效的地质证据；风化假说则认为大陆风化吸收二氧化碳的速度响应气候，从而形成气候与大 气二氧化碳含量之间的负反馈机制，使地表长期维持在具有液态水存在的狭窄温度区间。但是，维持大陆风化热稳定器运行的动力机制还存在较大争议。深地过程可能是破解上述难题的关键。一方面，大火成岩 省不断 向地表提供新鲜的玄武岩，而玄武岩在各类岩石的风化过程中，对二氧化碳的吸收效能最高，且主要受温度控制，能快速响应气候变化；另一方面，深地过程的去气作用不断向大气提供二氧化碳，维持风化反应。因此，在大火成岩省喷发、板块构造运动启动、 超大陆 循环等过程中，生命、环境与大陆风化的响应模式可能提供了验证盖亚假说和大陆风化热稳定器运行最重要的地质证据。
▲ 大火成岩省喷发引起不同时间尺度风化碳循环效应
▋问题10：重大地质事件与地球宜居性
地球宜居环境的复杂多变是地球表层岩石圈、水圈、大气圈和生物圈之间复杂相互作用的结果，而表层系统的演变受控于地球内部过程。揭示地球演化不同阶段表层系统重大地质事件的深地过程以及对地表环境和生物演化影响，对认识地球 宜居性演化 至关重要。重点关注雪球地球事件、大氧化事件、极热事件、大洋缺氧事件以及 超大陆 聚散等重大地质事件对地球 宜居性的 影响。回答这些问题的关键是采用地球系统科学的思维，发展新的理论和方法体系，从全球角度构建相关地质事件各种记录的数据库，加强地球科学不同分支科学的交叉融合，重点聚焦地球深部过程对地表过程影响的机理研究，构建新的地球 - 生命系统数值模型。
本书为相关领域战略与管理专家、科技工作者、企业研发人员及高校师生提供了研究指引，为科研管理部门提供了决策参考，也是社会公众了解中国学科及前沿领域发展现状及趋势的重要读本。
本文摘编自《中国深地科学 2035 发展战略》 [ “ 中国学科及前沿领域发展战略研究（ 2021 — 2035 ）”项目组编．北京：科学出版社， 2025.4] 一书“前言”“摘要”，有删减修改，标题为编者所加。
（中国学科及前沿领域2035发展战略丛书）
ISBN 978-7-03-081648-1
丛书策划： 侯俊琳 朱萍 萍
责任编辑：石 卉 张梦雪
（本文编辑：刘四旦）
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