“十四五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規劃 加大地熱能研究

地大熱能地熱+網(wǎng)訊：地球科學(xué)12個(gè)核心問(wèn)題凸顯地熱研究重要性

1. 地球內部磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的？

在地質(zhì)時(shí)間長(cháng)河中，是什么驅動(dòng)著(zhù)“地球發(fā)電機”？又是什么控制著(zhù)“地球發(fā)電機”的變化速度？尋找這類(lèi)問(wèn)題的答案對于認識地球內部與大氣圈的相互作用具有重要意義。從地熱學(xué)的角度，“地球發(fā)電機”運轉的前提是地核溫度隨深度（壓力）的變化曲線(xiàn)至少兩度跨越地核物質(zhì)的液相線(xiàn)，從而形成能夠發(fā)生相對運動(dòng)的固相和液相圈層。

2.板塊構造是在什么時(shí)候發(fā)生、為什么發(fā)生和怎么發(fā)生的？

目前地學(xué)界仍然缺乏對于“為什么只有地球有、而其他星球沒(méi)有板塊構造運動(dòng)”以及“地球板塊運動(dòng)在地質(zhì)歷史時(shí)期的變化”等問(wèn)題的全面認識。從地熱學(xué)的角度，地殼和上地幔溫度的時(shí)空變化決定了巖石圈的厚度和軟流圈的流變特性，認識地球熱演化歷史是認識地球板塊構造運動(dòng)演化的一塊基石。

3. 關(guān)鍵元素在地球上是如何分布和循環(huán)的？

關(guān)鍵元素指的是造就生物生存環(huán)境、地球深部氧化還原環(huán)境、地質(zhì)過(guò)程示蹤和人類(lèi)現代社會(huì )經(jīng)濟、醫藥、軍事和先進(jìn)制造等所需要的化學(xué)元素。目前人們對于這些元素在不同時(shí)空尺度上的遷移規律仍然存在許多重要疑問(wèn)。從地熱學(xué)的角度，一方面任何元素的富集與遷移都離不開(kāi)其特定的溫度環(huán)境；另一方面，關(guān)鍵元素鈾和鉀放射性同位素的衰變是地球內熱的重要來(lái)源，同時(shí)也是構造熱運動(dòng)的重要示蹤元素。

4. 地震究竟是怎么回事？

地球內部既可能發(fā)生極其緩慢的塑性變形，也可能發(fā)生非?？焖俚谋l(fā)式脆性變化，使得地球科學(xué)家不能不重新思考地震的本質(zhì)究竟是什么。從地熱學(xué)的角度，地震和大地熱流是地球內部能量聚集與耗散在時(shí)空域上的兩個(gè)端元，地震是間歇性、突發(fā)性和局部性的能量轉換事件；而大地熱流則是連續性、普遍性的能量平穩傳輸過(guò)程，兩者存在內在聯(lián)系。不僅如此，發(fā)震地質(zhì)體的溫度環(huán)境決定了地震的級別和地震波的傳播速度。

5.是什么驅動(dòng)火山活動(dòng)？

火山活動(dòng)既牽動(dòng)地球系統多個(gè)組成部分，又對人類(lèi)社會(huì )活動(dòng)具有多方面的影響，因此迫切需要研究各個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期巖漿的生成、上升和噴發(fā)機制。從地熱學(xué)的角度，火山爆發(fā)是地球內熱最強烈的地表顯示。地殼和上地幔物質(zhì)在特定的溫度和壓力條件下發(fā)生熔融、分異、遷移、滯留、噴發(fā)和冷卻的過(guò)程，一方面受控于的所在區域的構造熱背景，另一方面又必然對其周邊的地溫環(huán)境產(chǎn)生深刻的影響。

6.發(fā)生地形變化的原因和后果是什么？

地形變化與氣候變化、構造運動(dòng)和沉積剝蝕等過(guò)程密切相關(guān)，定量測量從地質(zhì)時(shí)間尺度到人類(lèi)時(shí)間尺度不同時(shí)期地形變化的技術(shù)進(jìn)步，使研究地球深部過(guò)程、地表過(guò)程和人類(lèi)社會(huì )發(fā)展之間的關(guān)系成為可能。從地熱學(xué)的角度，低溫年代學(xué)方法（也稱(chēng)古地溫方法）就是在過(guò)去二三十年迅速發(fā)展的一種研究地質(zhì)歷史時(shí)期構造變形、地表侵蝕和地形地貌演化等地表過(guò)程的地熱學(xué)方法，已經(jīng)在造山過(guò)程、盆地演化、油氣資源、地質(zhì)災害防治和氣候變化等研究領(lǐng)域中得到廣泛應用。

7.關(guān)鍵帶如何影響氣候？

關(guān)鍵帶指的是包括植被、土壤和基巖直至地下水循環(huán)系統底界的大陸地殼頂層。關(guān)鍵帶的屬性影響著(zhù)陸地與大氣圈之間各種物質(zhì)與能量的交換過(guò)程。過(guò)去人們已經(jīng)認識到氣候變化對關(guān)鍵帶有著(zhù)重要影響，目前越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始意識到，關(guān)鍵帶對氣候變化也有重要的反饋作用。從地熱學(xué)的角度，地-氣熱耦合是陸地與大氣圈之間相互作用的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節，淺層地溫變化能夠影響大氣熱動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，從而對各種尺度的氣候變化產(chǎn)生重要影響，青藏高原淺層地溫場(chǎng)對東亞季風(fēng)的控制就是一個(gè)實(shí)例。

8.地球的過(guò)去可以用來(lái)揭示氣候系統動(dòng)力學(xué)的什么奧秘？

地球已經(jīng)進(jìn)入人類(lèi)世。人類(lèi)只用了幾百年時(shí)間就把自然界用數千萬(wàn)年到數億年時(shí)間封存到地下化石能源中的大量的碳釋放到了大氣圈，這必然會(huì )引起氣候變化。我們需要從各種古氣候紀錄中解讀長(cháng)期和突發(fā)性氣候變化，從中尋找認識氣候變化驅動(dòng)力、反饋、響應和閾值的線(xiàn)索，以預測氣候變化的趨勢。從地熱學(xué)的角度，地面溫度是地溫場(chǎng)的重要邊界條件，地面溫度隨時(shí)間變化所產(chǎn)生的熱擾動(dòng)會(huì )向下傳播并被記錄在地下。通過(guò)對鉆孔溫度隨深度的變化的分析，可以獲取地面溫度隨時(shí)間變化的信息，進(jìn)而研究古氣候變化的歷史和可能的原因。

9.地球的水循環(huán)為什么正在發(fā)生變化？

水是地球上的一切生命之源，要認識現在和將來(lái)水循環(huán)的變化，就必須認識陸地水循環(huán)系統與氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)等諸多過(guò)程的相互作用。從地熱學(xué)的角度，在全球和區域尺度上，水循環(huán)是“水圈—大氣圈—巖石圈”熱交換和熱耦合的重要過(guò)程，其中陸地淺層地溫場(chǎng)的變化是驅動(dòng)季風(fēng)和水循環(huán)的重要動(dòng)力。此外，在地下水研究中，鉆孔地溫數據分析是識別地下水上升流（排泄區）和下降流（補給區）的有效方法。

10.生物地球化學(xué)循環(huán)是如何演化的？

生物圈是經(jīng)過(guò)數十億年演化而來(lái)的，在其演化過(guò)程中與地球表層發(fā)生著(zhù)無(wú)休止的生物化學(xué)作用。生物圈通過(guò)光合作用和在微生物催化下的風(fēng)化和礦物合成作用等過(guò)程實(shí)現碳、氧、氮、硫等元素的循環(huán)，從而影響地球表層的化學(xué)和礦物多樣性。為了量化生物過(guò)程在各個(gè)時(shí)間尺度上對巖石和礦物形成、風(fēng)化和碳循環(huán)的影響，必須深化對于生物化學(xué)循環(huán)的認識。從地熱學(xué)的角度，無(wú)論是生物的生存繁衍，還是巖石礦物的形成與風(fēng)化分解，溫度都是一個(gè)重要的控制因素，因此，地熱研究對于生物地球化學(xué)循環(huán)研究具有重要意義。

11.地質(zhì)過(guò)程如何影響生物多樣性？

生物多樣性是地球最耀眼、最基本的特征之一，也是最令人費解的問(wèn)題之一。比如，物種滅絕這樣的重大事件是如何發(fā)生的？為何會(huì )發(fā)生？生物多樣性隨著(zhù)時(shí)間、環(huán)境和地理條件是如何變化的？為什么發(fā)生變化？從地熱學(xué)的角度，合適的地球淺層溫度環(huán)境是維系生物鏈的基本條件之一，因而地溫的變化必然影響生物種群的興衰。由于地殼和地幔導熱能力的差異而造成地球內部熱量不能順暢散發(fā)而發(fā)生局部囤積與爆發(fā)式釋放，從而引發(fā)地震和火山爆發(fā)等重大地質(zhì)事件，更可能引起生物多樣性的突變。

12.如何通過(guò)地球科學(xué)研究來(lái)降低地質(zhì)災害的風(fēng)險和損失？

地質(zhì)災害每年都給人類(lèi)造成巨大的生命和財產(chǎn)損失，但目前人們對地震、海嘯、火山、滑坡和洪水等重大地質(zhì)災害的孕育、發(fā)生和發(fā)展過(guò)程的認識，還遠沒(méi)到達定量化和可預測的水平。從地熱學(xué)的角度，地熱研究至少對于地震和火山活動(dòng)的成因機理的認識是不可或缺的，地溫測量更是地震和火山活動(dòng)的重要監測項目和短期預報的重要依據。

雖然以上解讀是簡(jiǎn)略和示意性的，但已經(jīng)足以看出地熱研究在整體地球科學(xué)研究中的重要性。地熱學(xué)理論和地球內部熱模型的發(fā)展，不僅對地球科學(xué)諸多研究領(lǐng)域的發(fā)展具有促進(jìn)作用，而且具有重要的實(shí)際應用價(jià)值。

在科技部、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )和中國科學(xué)院等部門(mén)制定的“十四五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規劃中，適當加大對地熱基礎研究的資助力度，組織實(shí)施具有基礎性和引領(lǐng)作用的國家級地熱基礎研究重大項目，同時(shí)鼓勵在其他地球學(xué)科重大科研項目中增設地熱課題，促進(jìn)地熱學(xué)研究與其他學(xué)科領(lǐng)域研究相輔相成，特別是要加快地熱研究領(lǐng)域的人才培養。