地质科学（或地球科学），是与地球有关的广泛科学领域。它的研究对象包括地球及其大气层的物理结构，还包括土壤、水、矿产和能源。它是一门科学，研究地球现在如何作为一个系统运作、过去如何运作以及未来将会怎样。

尽管“地质科学”和“地球科学”经常被用作同义词，但两者的含义不同。

“地质科学”涵盖大气、地球空间（地球观测）、固体地球、水文和海洋科学的整个范围。

“地球科学”的使用范围则限制在固体和水文地球科学领域。

本文主要聚焦在固体地球科学（包括地质学、地球物理学、地球化学和地球生物学）上。

地球科学家，尤其是在大学中的科学家们，应该继续寻求重大学术问题的解决，以使我们能够更多地了解地球。尽管问题很多，但这里给出了一些“大问题”，这些问题摘自《科学杂志》125周年特刊：

●行星（地球）是如何形成的？

●地球上的水从何而来？

●是什么导致了冰河时代？

●是什么导致了物种大灭绝？

●是什么导致了地球磁场反转？

●火山和地震前兆可否引导有用的预测？

Ludden局长认为，地球科学领域的基础发现科学（discovery science）在很大程度上应由学术界领导，同时，地球科学研究需要更加专注于解决问题，而不仅是深化我们对地球系统所面临问题的认识。

地球和生活在地球上的人们面临着重大的问题，科学家们定义了“人类世”这一术语，这意味着人类的影响将永久地印在地球上。在我们所面临的挑战范围内已经投入了大量的研究工作，不仅包括气候变化方面，而且包括人口增长以及相关的城市化和资源需求方面。

应用地球科学必须以目标为导向，以实现实际目的和成果为目标。这些目标需要精心选择，这需要了解社会和/或商业的需求，并应当寻求实现目标和可操作性的具体解决办法。为此，地球科学家需要把更多的精力放在解决方案上，而不是问题本身。

技术革命为应用地球科学解决实际问题提供了新的机遇。例如，增加传感器（从空间到大气、海洋以及地球表面和地下），高分辨率可视化工具的使用，能够大数据运算、机器学习和生成预测型模型的超级计算机的使用，为解决我们这个脆弱的小星球的可持续性问题提供了帮助（图1）。

图1  影响固体地球科学的重要新技术

为应对当前和未来社会面临的重大挑战，应用地球科学可以在以下方面提供解决方案：

●我们正处于从化石燃料向净零碳排放转变的过程中。我们实现这一目标的速度将受到经济因素和技术进步的影响，但许多低碳解决方案是地质学提供的，这就要求地质学家熟悉科学、工程、社会经济和政治领域的情况。例如页岩气的开采、碳捕获以及能源和氢气等气体的地下储存；地热能和能源储存以及某些形式的废弃物储存（例如放射性废弃物），所有这些都需要对地下进行更深入的利用。

●我们需要更有效地从地质灾害研究转向与风险预告相关的研究。这就要求我们从识别灾害（地震、火山或滑坡）向建模、预测和告知地质灾害风险转变，即告知哪里的地质灾害直接影响人们生活。由全球地震模型（GEM）生成的数据库对于城市规划和救灾将至关重要（图2）。

图2  地震引发的全球灾害和风险

●全球人口和城市的增长要求在最需要的地方开展水、粮食、卫生服务和能源方面的地学研究。支援发展中国家仍然需要开展大量的地质调查工作，越来越多的资源综合利用方法将需要开展自然资源综合调查和建模。

●很可能在工业驱动下，我们将探索并居住在月球上。这将需要我们在地球上进行创新，将遥感技术、新的量子传感器和新颖的建造技术（例如3D打印）转化应用于月球和其他行星。同时，我们将需要在地球上以及在探索行星系统时都要用到的新的矿产资源。

●我们需要一个地球模拟平台。该平台将告知公众地球当前的物理、化学和生物等方面的状态，并将提供地球系统将如何演化的信息。平台还需要对未来地球环境进行三维和时间可缩放的模型展示。

●我们必须开发一个网络基础设施。这个设施必须整合固体地球，包括大气、水圈、冰冻圈、生物圈和人类活动。它需要处理气候/天气、板块构造/地质灾害、海洋环流/海啸、侵蚀/滑坡、植被/季节、生物系统周期和生物与地质多样性。欧洲板块观测系统（EPOS）和Earthcube等项目提供了所需的基础设施，但尚未在整个地球系统上建立链接。

期望这些数据平台为行业和政府提供城乡规划和救灾的工具虽具有挑战性，但也是必要的。有必要使用协作和综合方法，促进产业界与学术界和政府科学家合作开发功能完善和可持续的数据平台和服务数据库。作为地球科学家，我们应该发布所有的数据，其中很多数据（例如空间数据）都没有得到充分利用，而这将创造新的产业，有利于经济发展和社会福祉的实现。

Ludden局长认为，综合海洋发现计划（IODP）是20世纪60年代地球科学领域的大胆探索，产生了一批诸如板块构造理论的优秀科学成果，这些成果甚至在21世纪人类科学史都具有极其重要的意义，IODP是当时背景下的“极端地球科学”（extreme geoscience）。

那么，在新的时期，我们地球科学家是否能够开展一些新的冒险？如：

●我们可以钻入岩浆体并控制岩浆/流体系统吗？从地热能和岩浆工程方面来讲都能控制岩浆喷发吗？Krafla岩浆试验场打算尝试这一挑战。这不仅可以使每个钻孔的能源产量增加一个数量级，还可能通过将传感器引入岩浆-岩石界面来帮助改变地质学家监测岩浆的方式，从而为岩浆运动和可能的岩浆控制提供跟踪机制，例如，在那不勒斯地区，如果保留在深处，高位岩浆体可能足够小以至于可以控制。

●我们的能源系统进行脱碳的许多解决方案都需要在浅层（10至1000米）地下进行谨慎的干预。我们是否可以通过创造性的矿物学方法来填封断层，进而通过生物地球化学工程来保证碳的长期密封和封存？我们还需要承担一项经过充分研究的水力压裂研究计划，该计划既包括资源利用的优化和环境影响的评估，又公开完全的数据。

●在海洋领域，我们是否可以利用地学工程技术来改变珊瑚礁的生长速率？并利用一种可能基于我们对碳酸盐岩化石礁系统的认识的地学工程方法来提高二氧化碳的去除率？

●我们如何利用机器人和自主技术更好地管理海底，我们是否应该建立一个观测站网络，使工业界能够评估矿产开采（可能是新的工业前沿）？

所有这些项目的风险都很高，但可控。它们需要在可行性方面进行精心设计和讨论，但它们可以为科学和创新，以及全球可持续性，带来巨大回报。

无论地球科学走向何方，其未来都需要更多地关注社会解决方案，这些解决方案所基于的研究和创新将是充满挑战的、有益的和令人兴奋的。