本文由徐義剛院士在中國科學院學部第九屆學術年會上的報告《地球科學對人類文明的貢獻》整理而成。

今天在座的和不在座的人們有一個共同的特點，那就是我們都生活在地球上。迄今爲止，地球是我們人類賴以生存的唯一的家園，地球哺育了我們，地球系統即使產生微小的變化，都會對人類文明產生深刻的影響。從這個意義上說，地球科學的發展與人類文明的進步是相互交織的。

但是非常遺憾的是，迄今爲止，無論是國內還是國外，尚無有關地球科學與人類文明關係的系統梳理。所以，在新一輪科技革命來臨的前夜，在科研範式正在變革的當下，進行相關的梳理工作，對提升地球科學的社會功能，使其在未來發展中發揮更大的作用，具有重要的意義。

地球科學是研究地球的結構形成演化的基礎學科，包括了地理學、地質學、地球化學、地球物理和空間物理學、大氣科學、海洋科學和環境科學等分支學科。

它具有雙重屬性：一方面幫助我們認識地球，它是自然科學體系（數、理、化、天、地、生）中的一員；另一方面它始終圍繞人類的基本需求，解決人類生存的問題，造福人類。

地球科學的研究對象橫跨數萬裏，上下數億年，是一個十分複雜的系統。

人類文明則是人類在社會發展過程當中創造和積累的物質財富和精神財富的總和。它經歷了從原始文明、農耕文明、工業文明到生態文明的演替發展，人類文明發展的根本動力是生產力，是人類生存和發展的需要。

如何來評判一個學科對人類文明發展的貢獻呢？根據我個人的理解，我認爲人類文明有三個要素，分別是認知、財富和規則。地球科學有三個能力，就是認識自然、利用自然、和諧自然的能力，分別對應這三個要素。因此我們定義了判斷的依據：相關研究是否顛覆了人類的認知？是否提高了生產力，又創造了財富，改善了人的生存質量，改變了人的生活方式？是否和諧了人際關係，促進了全球治理？

下面我將從這三個維度來跟大家彙報一下地學對人類文明的歷史貢獻，展望一下未來社會發展中的地學的擔當。

地學對人類文明的歷史貢獻：四個改變世界的地球故事

在基金委地球科學部學科梳理組、中國科學院地學部常委會以及中國科學院武漢文獻情報中心的支撐下，我們梳理了很多有關地球科學對人類文明歷史貢獻的經典案例。由於時間的關係，我想跟大家分享其中的4個故事。

第一個故事是“沒有地質學就沒有進化論”。

“我們是誰？從哪裏來？要到哪裏去”是人類的根本問題。說到這個問題，大家可能馬上想到是達爾文的《物種起源》，但是我這裏想講的是萊伊爾經典的《地質學原理》一書。

萊伊爾生活的時代其實是宗教控制的時代，所有的地質學知識都來自於《聖經》中的《舊約-創世紀》：認爲創造這個世界的是神，地球年齡只有6000年，諾亞洪水造就了地層當中所有的一切。萊伊爾則認爲地質作用的過程是緩慢漸進的，所以地球的過去只能用通過現今的地質作用來認識，無需求助於《聖經》或者“災變論”。他認爲地球年齡至少有3億年。千萬不要小看他在當時提出的“3億年”，因爲達爾文提出的進化論需要大量的時間，因此，《物種起源》牢牢地根植於漸變論的知識體系當中。

事實上，達爾文是帶着《地質學原理》的第一冊開啓爲期5年的全球航海考察的。他在自傳中寫到，在這5年的考察當中，正是這本書給他以最大的啓迪。1836年達爾文考察回來，與萊伊爾見了第一面就成爲好友，他們之間頻繁的書信往來都是探討地質學和生物進化之間的原理的。1875年萊伊爾去世的時候，達爾文說：“我在科學上所做的一切，幾乎歸功於對他偉大著作的研究”。

地球科學家在追溯地球和生命起源的歷程當中，始終沒有停下腳步。地球化學家在上世紀50年代就用同位素的方法精確把地球的年齡確定爲45億年。古生物學家在地層當中發現最早的生命出現於38億年前，38億年以後的各種化石則爲地球生命史書增添了新的篇章，所以地球科學家爲達爾文的進化論從更廣空間、更長的時間尺度提供了實證。

同樣是地球科學家領導的團隊，在東非阿法爾窪地發現了318萬年前的直立人化石，奠定了人類走出非洲的學說。現在地球科學家正與生命科學家合作，利用古DNA技術逐步揭示人類起源的神祕的面紗。

1979年“阿爾文號”深潛至海底6000英尺，發現了海底黑煙囪。在這個暗無天日的海底世界裏，竟然有生物存在，這告訴我們“萬物生長靠太陽”的說法可能不一定完全正確，地球的內能也可以支撐生命的存在。這爲揭示深部地球生命的極限，掀開了新的篇章。

第二個與大家分享的故事是“沒有地質學，就沒有工業革命”。

如果說煤炭點燃了第一次工業革命的烈火，那麼石油就是第二次工業革命的血液，鈾、鍺、硅、鋰、稀土等是第三次工業革命的“維生素”，現在的新型能源和能源金屬則是第四次工業革命的基礎物質。

這是一張世界能源體系圖，橫座標是年代，縱座標是一次能源結構佔比，圖中的這些曲線分別代表了木材等其他能源、煤炭、石油、天然氣以及未來的核能以及清潔能源隨時間的演變圖。我們看到的這些小紅點，標誌着一種能源超越另外一種能源所發生的時間，它跟人類文明發展的轉換時間是吻合的。所以我們說人類文明史就是一部能源利用史。

我還想提醒大家注意這些小紅旗所插的位置，它是經典的地質石油地質學原理（比如說背斜說、頁岩氣成藏理論）提出的時間。請大家注意這些小紅旗所處的位置，也就是說，每一次石油地質新理論的提出都發生在能源更替之前。我想這張圖可以證明基礎研究對人類文明演替的促進作用，還說明基礎研究有時是無法預先規劃的。

全球90%的油氣儲量是發現於海相地層中，因而學界很多人認爲只有海相地層才能生油，陸相地層是貧油區。正是因爲我國從中生代以來主要以陸相地層發育爲主，所以美國人早在上世紀20年代就給中國扣上了“中國貧油”的帽子。但是以潘鍾祥爲首的我國科學家提出了中國陸相沉積當中可以生油的認識，系統地認證了新華夏系沉降帶具有良好的生油和儲油條件。正是在陸相生油理論的指導下，我國的早期石油普查蓬勃發展，發現了陸相的大慶油田以及勝利油田，從此我們國家的石油工業才真正得以興起。

沒有陸相生油理論，就沒有中國的現代化工業體系。沒有陸相生油理論，現在外邊的大街上可能跑的還是像這樣的公共汽車（編者注：在5,60年代的貧油期，公共汽車只能利用煤氣作爲燃料，因爲當年沒有氣體壓縮技術和設備，只能在常壓下將煤氣儲於車頂上的大氣袋中，老百姓稱爲“大氣包”）。陸相生油理論具有巨大的輻射作用，近幾年全球重大的油氣發現地都是原先海相生油理論認爲不可能出現油的地方，所以我覺得，陸相生油理論不僅給我們國家，而且給世界能源產業的發展提供了重要的理論支撐。

人類文明發展史也是一部資源發展史。伴隨着工業化進程，礦產資源的消費是呈S型增長的，資源利用的種類也急劇增多。地質學上成礦理論的研究，爲這些大規模礦產資源的發現提供了理論支撐。

我用下面三個小故事來說明，找礦行動是紅色政權和新中國衝破各種封鎖的突破口。在五次反圍剿過程當中，鐵山壠鎢礦產鎢7500噸，收入453萬大洋，這是當時蘇區財政收入的70%，養活了十萬紅軍。“一五”期間國家重點建設項目有一半是投資在資源型城市，53個城市因礦而興，爲建設我國獨立完整的工業化體系立下了汗馬功勞。1954年中央給時任地質部長的李四光下達了絕密任務——尋找鈾礦石。8個月以後找礦隊伍就在廣西的富鍾找到鈾礦，樣品送到中南海以後，毛主席聽取彙報以後當場拍板“中國要研製自己的原子彈”。後來的“兩彈一星”確保了我們國家的一方平安。

第三個故事就是“改變世界的地圖和板塊構造理論”。

地圖是人類文明史上的偉大創想，它以科學的符號系統、精確的地圖投影和系統的綜合方法表達對複雜地理世界的空間結構和關係。

有一本書叫《改變世界的100幅地圖》，我讀後深以爲然。1495年哥倫布就帶着托勒密編制的世界地圖，從西班牙出發，一路西行發現了美洲大陸，之後歐洲人持續向美洲遷移，掀起了人類歷史上遷移史上的第三次高潮。

地圖也引出了地球科學上偉大的發現。氣象學家魏格納發現大西洋兩岸的大陸形態非常吻合，完全可以拼在一起，所以全球各大陸可以拼成一個完整的大陸，證明古大陸沿大西洋發生過開裂和漂移。但是非常遺憾的是，1930年魏格納在格陵蘭遇難的時候，這個理論還沒有被承認。27年之後的另一張海底綜合地圖，使這個偉大的理論復活，就是這個小姑娘，瑪麗·塔普，用當時二戰期間的海底聲吶測深系統數據，繪製了全球第一張海底綜合地圖。人們驚訝地發現，在平靜的海平面下，竟然躺着全球最長的山脈——長達8萬公里的洋中脊。

洋中脊的發現動搖了地質學的基礎，這是哈里·赫斯1957年看到這幅地質圖的時候說的一句話。他在大陸漂移學說的基礎上提出了海底擴張學說：地幔從洋中脊上湧，兩邊對稱生長，遇到海溝的時候產生俯衝作用。從此，地球不再因爲海陸固定而暮氣沉沉，而是因爲有“生”有“死”、週而復始而變得生機勃勃。

板塊構造理論改變了世界，因爲它顛覆了固定論的地質思維模式，動力地球從此深入人心。它預測了地球上大部分火山、地震發生的位置，預測了地球上各種礦產資源的分佈和富集狀態，也揭示了板塊構造對地球宜居性和生命起源的重要性。正因爲如此，板塊構造理論與量子力學、分子生物學和相對論一同成爲20世紀自然科學的四大成就。

如今，地圖與人工智能、衛星導航結合變成了智能地圖。智能地圖當中依然用到許多地球科學知識，比如說地球的參考系提供了空間基準的參考、地球的板塊運動監控提供了監控運控點的座標、地球重力模型參與了軌道確定的計算。今天智能地圖改變了人的生活，在某個地圖開放平臺，每天日均位置的服務要求達到了驚人的1300億。前段時間伊朗總統失事直升機的定位花了12個小時，如果採用北斗國際搜救服務系統，可在1秒內把失事位置定位在20米之內。

第四個故事是氣候變化改變了世界經濟發展的範式。

我來自廣州，今年的廣州的雨水比往年多很多，我深感到氣候變化研究的重要性。在梳理里程碑事件的時候，我們發現了很多的案例，從中我想講這幾個人的故事。

美國氣象學家愛德華·洛倫茨在1963年提出混沌理論，由此誕生了非線性科學。他由大氣運動方程簡化得到洛倫茨方程，得到了洛倫茨蝴蝶效應。他在報告中說過一句有名的話：一隻南美洲的蝴蝶扇動翅膀，可能導致美國德克薩斯州的一場龍捲風。混沌理論的提出引發了自然科學的一場革命。在數學、物理等基礎學科乃至社會科學當中，引起了非線性科學的研究熱潮。

1985年，三位科學家發現南極上空的臭氧層有一個空洞，人類遭受紫外線傷害的風險激增。大氣化學家保羅·克魯岑等三人發現氟利昂是破壞地球臭氧層的原因，倡導了《蒙特利爾議定書》，呼籲減少最終全面禁止氟利昂的使用，成功地解決了南極臭氧層空洞的問題。這一事件不僅使他們三人得到了諾貝爾化學獎，而且被認爲是20世紀最成功的全球環境治理案例之一。

目前人類面臨全球變暖、氣候變化，我們都在倡導低碳出行，綠色生活的理念，但是你知道嗎？全球變暖的結論同樣是通過地球科學家的研究得到的。1975年，地球化學家華萊士·布洛克在Science雜誌發表全球變暖的論文，準確地預測了大氣層當中二氧化碳含量升高是導致全球變暖的主因。他用到的一個重要的證據就是這條基林曲線。地球化學家基林從1958年開始，就在夏威夷島上觀測二氧化碳濃度的變化，這條曲線成爲20世紀氣候變化的標誌圖。1988年氣象學家詹姆斯·漢森在美國國會聽證會上發出警告之後，人類活動排放的氣體導致全球變暖的問題引起了全世界的關注。

人類活動影響氣候變暖的證明還來自於地球氣候模擬。氣候學家真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼建立了人類歷史上最複雜的動力學系統——地球系統，奠定了地球氣候變異和人類對其影響的認知基礎，從而引領瞭解決複雜系統科學問題的先河，獲得了2021年諾貝爾物理學獎。

氣候變化研究的影響力超乎想象。1988年成立了政府間氣候變化專門委員會，也就是IPCC。1992年各國簽署簽訂了《聯合國氣候變化框架公約》（UNFCCC）。1997年的京都議定書到2015年的巴黎協定，將全球升溫的幅度限制在工業化前水平2℃。所以國際社會正以前所未有的方式，建立高級別的政治承諾和嶄新的全球夥伴關係。氣候變化研究引領了全球建立邁向無碳經濟的目標，推進最雄心勃勃的經濟轉型進程，正在重構工業革命以來全球經濟發展的範式。

通過以上四個改變世界的地球故事，我們能學到些什麼呢？我這裏總結了四點：

要始終保持好奇心，想象力、全球觀以及整合力；
要重視觀察和觀測。我們面對着一個龐大的地球，所以像基林、塔普等人的工作，顯得尤爲重要；
要以相互欣賞的態度進行跨學科的交叉；
要擁抱新技術、新事物。

未來社會發展中的地學擔當

地球科學還能做些什麼？

如果我們把46億年的地球歷史濃縮成一天，人類出現的時間其實只有一分多鐘，出現人類文明的時間就是這一天當中最後的幾秒鐘。

在這短短的幾秒當中，人類的活動創造了輝煌，也對地球系統造成了不可逆轉的改變，人口增長、環境退化、城市擴張、資源枯竭、全球變暖、災害頻發、生物多樣性減少……甚至有科學家已經斷言，人類可能正在經歷第六次生命大滅絕。人類對生態系統的威脅是史無前例的。在這個複雜的系統下還夾雜着文明的衝突，科技打壓成爲常態。

未來的地球科學擔當可以從兩方面闡述。一方面，作爲中國人我們要以科技強國爲己任，維繫中華文明的永續發展。另一方面，作爲一個地球人，我們要踐行“地球-生命命運共同體”的理念，爲人類文明的發展貢獻自己的智慧。

我想從四個方面展望未來的工作。

一是要敬畏自然，不斷地拓展人類認知邊界。整合地學的分支學科，融合其他的學科，通過打通不同時間尺度、耦合存在數量級差異的地球固體層圈和流體層圈的動力過程，發展地球系統科學，加深對全球變化背景下複雜地球系統的認識。還要發起引領國際大科學計劃；深時數字地球、海洋負排放就是我國科學家在這方面的探索。

二是要服務國家意志，保障國家安全。關鍵礦產已經成爲大國博弈的重要領域。新能源汽車、鋰電池、光伏產品已經成爲我們國家的外貿“新三樣”，但與“新三樣”相關的鋰、鈷、鎳等9種金屬的對外依存度超過50%。所以我們要關注新能源金屬的成礦理論和找礦突破。

另一方面，低碳清潔能源是未來經濟發展的大勢，創建成氫理論、尋找天然氫氣資源需要重點關注，這是實現“雙碳”目標的一個重要的途徑。

海洋科技的發展與大國的興起息息相關。要着力突破海洋核心裝備和關鍵技術瓶頸，逐步實現深海進入、深海探測、深海開發三步走的國家深海戰略。

三是要提升和諧自然的能力，增進人民福祉，統籌氣候變化應對生態保護與污染防治，促進人與自然一體化的健康，建設美麗中國和宜居地球。因爲時間關係，我沒講水的問題，其實水是生命之源、文明之本、生產之要、生態之基，水的安全保障是未來經濟社會可持續發展的一個重要方向。

我們還要增強人類文明對自然災害的抵禦能力。200年前，萊伊爾說“現在是理解過去的鑰匙”，現在我們知道，只有瞭解過去才能預測未來。面對時有發生的滑坡、地震、火山、磁暴等自然災害，各種早期預測、預警意義重大，複合巨災機理與風險防控、災害性天氣的精準預報顯得尤爲重要。

四是要拓展人類生存空間。1957年蘇聯發射了第一顆人造衛星，人類進入太空，第一次居高臨下地從外部來看看我們的地球。1969年阿波羅11號載人登月，人類首次到達了地球之外的天體，標誌着人類從一個地球物種變成了一個跨星際的物種。我們國家從2004年開始的嫦娥攬月、天問探火等空間探索，舉世矚目，人類正在從地球搖籃出發，逐步地推動文明邁向深空。

其實在這個過程當中，地球科學家的作用也不容忽視。正是地球科學家提出，要關注月球的演化歷史當中的“一老一新”問題，嫦娥5號、嫦娥6號才選擇了相應的着陸區。地球科學家對嫦娥5號採回月壤研究，改寫了月球岩漿活動的歷史。非常令人振奮的是，6月25日下午2點07分，嫦娥6號已經勝利凱旋，給我們帶回了人類第一份從月球背面採集的樣品。我堅信通過詳細的研究，我們一定會找到更多的重大發現。

我們對比了美國和蘇聯在太空競賽當中的走向。在早期，蘇聯是遙遙領先的，他們發射了第一顆衛星，進行了第一次太空行走。後來美國人的阿波羅計劃超過蘇聯，帶來了三大科學發現，還帶來了巨大的社會經濟效益。阿波羅成功的祕訣是科學、技術、工程的融合。地球科學和行星科學問題驅動的空間探測設計，我認爲非常必要。因此，地球科學在深空探測當中大有可爲。