深地科学：透视地球的“金钥匙”

来源：甘肃省科技厅时间：2022-04-02

           地球深部亦即“深地”，一般是指浅地表之下、人类难以达到的固体地球深部，包括从浅表的地下空间、地壳、地幔、地核和地心在内的整个固体地球系统。

来源：视觉中国

深地科学是研究地球深部结构、物质组成与变化过程的科学，是理解深部地球行为和动力学的钥匙。深地探测研究揭开了地球深部结构与物质组成的奥秘、深浅耦合的地质过程与动力学四维演化，为解决能源与矿产资源可持续供应、提升灾害预警能力与地球深部认知提供深部数据基础，促使深地科学成为大科学时代地球科学发展的最新前沿。目前，深地科学正在尝试在传统地学的基础上建立和发展其独特的科学假说和原理。 

地球发电机假说。地球系统的动力来源于两个动力学系统，一个是来自恒星太阳的能量补给，另一个是来自地球内部由固态内核与液态外核构成的地球发电机。以往的研究强调了固体地球外部与天文周期等有关的全球变化，由此产生了地球系统科学的革新。地球发电机作为地球内部变化的内因，可能是地球系统的根本动力来源，决定了地球磁场及其变化，也与板块构造具有成因联系。 

地球结构不对称原理。从宏观尺度到微观，地球结构均显示出显著的不对称性，无论是垂向还是水平方向，穿过地心的地球剖面均显示了地球结构总体不对称特征，包括几何结构不对称、物质组成和热结构不对称等，同时也反映了深部作用过程的不均衡性。 

时间—深度原理。在岩石圈尺度上，我国大陆在上地壳与下地壳之间、地壳与岩石圈地幔之间，也出现有年龄结构上的“上老下新”现象。由此可知，由于地质事件作用方式不同，造成深度上地质体年龄变化规律和地球结构形成时间及变化规律也有所不同。洋脊扩张形成的海底磁条带年龄分布，是地球深部普遍存在的“上老下新”时间—深度剖面的平面表现形式。 

物质深循环原理。洋脊扩张、大洋俯冲、地幔柱和火山作用，构成地球物质深循环的体征表现，而地球元素的同位素特征代表了地球物质的“基因”和记忆。地球表层物质的深循环，最深可达核—幔边界或更深。热和化学不均一性，可能是地球物质深循环的主要驱动力。矿物相变在控制地球物质的密度和塑性流动性质方面起着重要作用。 

深部物质特异性原理。地球深部也是最大的地球碳储库，可能含有地球超过90%的碳，金刚石是一种典型的深部碳库。近年来超高压实验研究结果表明，超高压条件下的部分元素可能将发生超离子化，形成异常的物理化学性质，如异常的密度和化合性质等。地球深部极端环境下物质变化的临界与超临界状态的存在，成为深部物质研究的亮点。 

地球深部探测研究有效认识了固体地球系统的行为，监测固体地球系统的变化，拓展地球深部认知，实现“透视地球”目标和深部空间，资源能源的安全、高效与绿色利用，为现代地球科学向以深地科学为代表的地球系统科学基础发展，带来巨大的机遇和挑战空间，是我国由地质大国走向地质强国、实现深地领域科技强国目标的重要途径。