地球科學前沿趨勢與挑戰評述 |《科學通報》

進入21世紀以來，地球科學正從傳統的描述性學科向系統性、預測性的科學體系轉變。在這一過程中，大數據、機器學習、人工智能等新興工具的融合應用，極大地推動了研究方法的進步和革新。

中國科學技術大學教授鄭永飛院士于2025年12月在《科學通報》上發表的評述文章，基于國際大科學計劃“深時數字地球”的全球調研成果，通過數據驅動與專家投票相結合的方法，從2014~2023年間的地球科學研究中提煉出十大前沿方向，展現了地球科學在數字化、系統化與可持續發展背景下的新范式與新挑戰。這些前沿不僅體現了地球科學內部“深時—深海—深空—深地—宜居地球”的多維拓展，也凸顯了學科交叉與技術融合的必然趨勢。

20世紀下半葉，板塊構造理論統一了固體地球科學；隨后提出的地球系統科學框架，又將研究視野擴展到全球氣候與環境變化。進入21世紀，尤其是2010年代以來，大數據、人工智能和高性能計算呈現爆炸式發展。地球科學本身積累了海量的觀測、實驗和模擬數據，傳統的理論和方法在應對氣候變化、資源緊缺等復雜系統問題時顯得力有不逮。學科內部普遍認識到，一場由“數據+智能”驅動的、從描述到預測的新范式革命勢在必行。在這個“范式轉型焦慮與機遇并存”的節點上，如何回答“地球科學將往何處去”的根本問題，已經成為地學界關注的焦點。

中國科學技術大學教授鄭永飛院士于2025年12月在《科學通報》上發表的評述論文，不僅是一篇關于地球科學研究熱點和前沿的高層次評述性文獻，而且是一份深刻洞察學科發展脈搏、揭示未來研究范式的“戰略指南”。該文以全球首個由中國科學家領銜的國際大科學計劃“深時數字地球”(Deep-time Digital Earth, DDE)的宏大數據調研與全球專家共識為基礎，系統地介紹了這個計劃如何遴選了2014~2023年間地球科學領域的30個研究趨勢和十大研究前沿(圖1)。論文指出，這十大前沿的遴選，不是簡單的研究熱點羅列，而是標志著地球科學在認識論、方法論和價值論三個維度上，正經歷一場從“分科描述”到“系統預測”、從“經驗驅動”到“數據智能驅動”、從“認識自然”到“服務人類世可持續生存”的深刻范式革命。

圖1. 地球科學研究趨勢和前沿分類框圖

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構建權威共識：方法論的創新與全球視野的呈現

論文介紹了DDE對地球科學研究前沿的遴選辦法，采用了科學、民主且具有高度公信力的方法論，而非基于單一研究團隊或特定國家的視角，而是整合了兩種強大的力量：

(1)數據驅動的客觀洞察：通過譜聚類等算法，對過去十年間41萬余篇地球科學文獻進行大數據挖掘，識別出407個主題簇，并精煉出30個顯著的研究趨勢。這一過程最大限度地減少了個人主觀偏好，從學術產出的“客觀事實”層面描繪了學科的知識圖譜。

(2)專家智慧的全球凝練：邀請來自85個國家的1100余名科學家進行投票，最終從30個趨勢中民主選出十大前沿。這一過程將全球地球科學共同體的集體判斷與優先考量凝聚其中，使得結果具有廣泛的代表性和國際認同度。

這種“數據挖掘+全球投票”的雙重機制，使得DDE所獲得的前沿清單具備了罕見的權威性。它像一面鏡子，映照出全球學術界用“腳”(文獻產出)和“手”(投票選擇)共同認定的最重要方向。這種基于全球共識的“前沿地圖”，對于各國科研機構規劃布局、資源分配以及青年學者選擇研究方向，具有不可替代的參考價值。

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揭示范式轉型：十大前沿背后的學科演進邏輯

對2014~2023年期間地球科學領域30個研究趨勢和十大研究前沿(圖1)的遴選發生在2024年，位于多維時空的匯聚點：(1) 在時間軸上，它處于地球科學范式智能轉型的“臨界點”；(2) 在問題軸上，它直面人類世最嚴峻的生存挑戰；(3) 在主體軸上，它依托中國主導的重大國際科學計劃DDE，并展現其領導力；(4) 在功能軸上，它兼具學科診斷、議程設置、戰略宣示和社會溝通的多重角色。因此，這不僅僅是一篇學術綜述，更是一份標志性事件文本。

通過這篇評述論文的介紹，宣告了中國地球科學界有組織地、系統地參與全球學科前沿界定和未來方向引領時代的到來。因此，這是一篇承載多重使命的“戰略文獻”，是理解當前全球地球科學發展態勢與中國在其中戰略角色的關鍵文獻。論文不僅列出了DDE遴選出來的地球科學十大研究前沿，而且指出了其背后所代表的地球科學“三重躍遷”。

第一重躍遷：研究范式的“系統性”升級。

傳統地球科學常被劃分為地質、地理、大氣、海洋等相對獨立的子學科。而十大前沿的分布(宜居地球4項，深時與地學大數據各2項)清晰地表明，學科重心已從對單一圈層或過程的孤立研究，轉向對地球系統各圈層相互作用及其整體行為的探索。例如，“過去、現在和未來氣候變化”研究，必須耦合大氣、海洋、冰蓋、生物和巖石圈；“全球海洋碳循環”則涉及物理輸送、化學轉化與生物泵等多過程交織。這標志著以“地球系統科學”為統領的整體論思維已成為學科主流(圖2)。前沿的選擇，呼應了從“板塊構造”(固體地球內部動力學)到“地球系統科學”(全球表層圈層耦合)的歷史脈絡，并正在邁向更全面的“深部-表層”系統整合，正如DDE計劃所聚焦的深時、深地與表層宜居性的關聯研究。

圖2. 深時數字地球(DDE)系統工作框架示意圖

第二重躍遷：方法論的“智能性”革命。

“機器學習與大數據分析”被單獨列為前沿，且其精神滲透于幾乎所有其它前沿領域(如遙感、災害預測、三維結構反演、礦產勘查)，這昭示著一場方法論的根本性變革。地球科學正從以觀測、實驗和基于物理定律的解析模型為主的傳統方法，轉向以人工智能、大數據分析和超級計算為核心的數據密集型科學發現新范式。深度學習用于氣候降尺度預測、神經網絡用于礦物自動識別、知識圖譜用于地學數據關聯推理——這些并非錦上添花的工具改進，而是正在重塑提出問題、分析數據和驗證假設的整個科研流程。論文指出的“用深時數據模擬億年板塊運動”與“難解十年尺度氣候變化”之間的張力，恰恰揭示了這一轉型的復雜性：技術賦予了前所未有的模擬能力，但地球系統的復雜性與人類活動的強干預，對模型的真實性和預測能力提出了更高要求。

第三重躍遷：價值取向的“人本性”回歸。

十大前沿的選題，強烈地體現了地球科學研究的時代使命——服務于人類社會的可持續發展與安全。“關鍵礦產”直指綠色能源轉型與資源安全戰略；“碳捕獲與封存”瞄準碳中和核心路徑；“自然災害與極端地震”關乎防災減災與公共安全；“能源資源”聚焦未來能源體系的構建；“氣候變化”更是全人類生存與發展的最大背景板。這表明，當代地球科學的研究議程已深度融入“人類世”的敘事，其核心目標不僅是理解地球，更是為了在這個星球上實現安全、繁榮和可持續的人類未來。學科的價值導向，從未像今天這樣與人類的共同命運緊密相連。

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聚焦核心前沿：內涵解讀與戰略意義分析

論文對每個前沿的概述雖然簡練，但是都抓住了要害。這可以通過解讀其中幾個具有樞紐意義的前沿得到驗證。

-地球三維結構：這是理解所有固體地球過程和資源分布的“底盤”。從地核振蕩新模式到全球巖石圈模型(如LITHO1.0)，其進展依賴于最先進的地球物理成像技術與超算能力。該前沿的深化，是揭示成礦規律、地震孕育機制和地球演化動力的基石。

-機器學習與大數據分析：這是驅動其他前沿進步的“引擎”。其挑戰不在于算法本身，而在于如何與地球科學領域的先驗知識(物理定律) 相結合(發展物理信息機器學習或混合模型)，以及解決地學數據特有的異構性、稀疏性和多尺度性問題。它的成熟將決定地球科學預測能力的上限。

-關鍵礦產：這是一個典型的 “科學-技術-經濟-政治”復合型前沿。它超越了傳統礦床學，延伸到高效綠色提取技術、二次資源回收、全生命周期環境評估、以及全球供應鏈地緣政治分析。對這一前沿的把握，直接關系到國家在新能源時代的戰略自主權。

-全球海洋碳循環：這是地球系統碳循環與氣候反饋的核心環節，也是當前預測不確定性最大的部分之一。對生物泵、微型生物碳泵、海洋酸化及其與氣候變率關系的深入研究，對于精確評估碳中和路徑、預測未來氣候態至關重要。

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DDE計劃：作為新范式實踐載體的戰略平臺

論文花費了相當篇幅介紹DDE計劃，說明DDE是論文所倡導的新研究范式的實體化載體和前瞻性實驗。它旨在構建一個整合全球46億年地球演化數據的“數字孿生”平臺，其愿景完美體現了上述三重躍遷：

-系統性：致力于打通深部過程與表層系統、地質歷史與現今過程的數據壁壘。

-智能性：核心驅動力是AI與大數據，旨在實現數據驅動的知識發現。

-人本性：最終目標是為資源勘探、災害預警和氣候變化應對提供科學支撐。

DDE在數據標準(FAIR原則)、平臺建設(Deep-time.org)、國際合作網絡等方面的實踐，正是在為未來全球尺度、數據驅動的地球科學研究鋪設基礎設施和制定游戲規則，構建地球系統科學認識圖譜(圖3)。它的進展與挑戰，本身就是觀察地球科學范式轉型進程的絕佳窗口。

圖3.深部地球系統知識層次示意圖

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冷峻的反思：前沿光環下的挑戰與隱憂

論文在展示宏大前景的同時，也隱晦或直接地點出了潛在危機，這是其思想深度的體現。結合論文內容，可以系統梳理出幾大核心挑戰：

(1) “技術樂觀主義”的認知陷阱：算力與算法的飛躍容易使人產生“一切皆可模擬”的幻覺。然而，地球系統，尤其是在人類活動強烈干預下，充滿了非線性、突變和未知的反饋機制。對歷史數據的完美擬合，未必能保證對未來，特別是對超越歷史經驗范圍的“臨界點”的準確預測。模型的可解釋性、不確定性量化，仍是AI應用于地學的阿喀琉斯之踵。

(2)數據整合的“巴比倫塔”難題：全球地學數據在格式、標準、年代框架、質量控制上高度異質。DDE推動的標準化是正確方向，但政治意愿、商業利益、學術壁壘使得完全意義上的“數據大同”任重道遠。數據貢獻與成果分享的利益平衡機制，是國際大科學計劃成功的關鍵。

(3)學科深度的“稀釋”風險：在追逐跨學科、系統性和技術應用的同時，一些需要長期坐冷板凳的基礎性、機制性研究(如高溫高壓實驗礦物物理、微量同位素分析技術、基礎古生物分類等)可能被邊緣化。沒有這些“深”功夫，系統模型將成為無本之木、無源之水。

(4)從科研到治理的“最后一公里”：即使科學上取得了突破性認知(如更精準的地震概率預測、關鍵礦產成礦遠景區)，如何將其轉化為有效的政策、商業決策和公眾行動，是截然不同的挑戰。科學溝通、風險交流和社會接受度，是前沿成果實現其社會價值的必備環節。

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結論：邁向一個更智慧、更負責任的地球科學時代

鄭永飛院士的這篇評述論文，描繪了地球科學在進入21世紀之后的“行動軌跡”。這個軌跡的核心特征是：以地球系統科學思想為引領，以大數據與人工智能技術為引擎，以解決科學認知宜居地球面臨的重大挑戰為使命。該文的意義遠超一篇學術進展綜述。它宣告了地球科學已經從一門主要關注“過去”和“自然”的描述性歷史科學，演變為一門密切關注“現在”和“未來”的系統性、預測性科學。它也是一份國際合作與競爭的議程表，其中DDE計劃彰顯了中國科學家從跟隨到引領、積極參與乃至塑造全球科學態勢的雄心與能力。

展望未來，地球科學的發展將在前沿所指引的方向上深化和發展。我們期待看到：更成熟的“科學定律+人工智能”混合模型，在氣候、災害預測上實現質的突破；真正互聯互通的 全球地學數據空間初步形成；在資源和能量等領域涌現出顛覆性的綠色技術；地球科學成果更有效地融入從全球變化到國土規劃的多層次知識體系。

道路已然清晰，挑戰依然巨大。論文介紹的關于DDE通過文獻集中調研和科學家投票的方式獲得的地球科學研究熱點和前沿，也許會如同一座燈塔，不僅照亮了前十年的研究軌跡，而且指引著地球科學共同體帶著對技術的熱忱與對復雜性的敬畏，一起共同駛向那個理解地球、珍愛家園、保障人類可持續發展的光明未來。在這個意義上，本文的價值將隨時間流逝而愈發凸顯。

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鏈接：鄭永飛. 地球科學研究前沿. 科學通報, 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