从20世纪后期到21世纪初，地球科学从学科纵向深入发展转到了学科交叉、横向发展的时代。从固体地球科学转向层圈差速运动，增进了对地球的重新认识，科学研究的时空尺度在扩大。由局部、区域性的内因研究，扩大到整体结合内、外因素的研究，全球的认识彼此联系。高新技术在分析、测试、观察、监测、计算机模拟中得到了日益广泛的应用。“上天、入地、下海、探极”，地球科学研究的舞台愈加宽阔。

80年代以来，地球科学有了更加迅猛的发展。上天(空间探测、航空航天遥感)、入地(大陆科学深钻、地震层析成像技术、深部找矿)、下海(大规模海洋观测、深海钻探与大洋钻探)、探极(南、北极与青藏高原科学考察)给人们认识我们所居住的地球提出了许多崭新的课题，也给地球科学的发展带来了新的机遇。地球科学正受到世界科技界前所未有的重视。

地球科学研究方向主要发生了以下变化：

1、思维方式的变化—整体性研究思想

在传统地学以学科分化研究为主的基础上，当代地球科学的宏观发展趋势更强调“系统论”思想，即把地球作为宇宙中太阳系的一个行星来认识，研究整个地球的结构、演化过程和动力学；视地球为地核、地幔、地壳以及岩石圈、大气圈、水圈、生物圈、人类圈各部分组成并相互作用的一个整体层圈系统。提出了“地球层圈差速系统科学”，这是一种高度综合的整体化研究思路。

2、研究对象的变化—展望全球与预测未来

由于系统论的哲学基础和“整体性研究”方法的出现，以及复杂系统理论和非线性科学的发展，地学研究对象的时空尺度相对地变大了。对地球上发生的各种自然现象的认识，逐步由各个时段的研究串联起来，既面向过去，也面对未来，从其过去的历史、现在的状态推向未来可能趋势的预测，形成一条“了解地球系统的过去、现今和未来的行为”的时间链。在空间方面，由过去侧重于局部现象的认识，转向综合性、全球性表现、影响、过程与动力学机制的模拟研究。地球科学的思维和方法论，正在从局部观向整体观拓展，由线性思维走向复杂性思维，从注重分析转变为分析与综合集成相结合，研究者的视野越来越宽阔。

3、研究内容的变化—为可持续发展服务

地学研究从自然现象的物理过程、化学过程扩展到生物过程，特别是人类活动对地球环境与气候的影响和反馈，以及人与自然关系(人地关系)的协调。近几十年来，一些全球性重大问题如人口剧增、资源过度消耗、环境污染、生态破坏、南北差距扩大等日益突出，严重阻碍着经济的发展和人民生活质量的提高，继而威助着全人类的未来生存和发展。于是在过去以学科为导向的研究的同时，出现了以问题为导向的跨学科研究。研究重点、学科结构也发生了变化，如地质学研究已从“找矿型”向“科学研究型”转变。

4、研究形式的变化—多学科的综合性研究

现代科学技术的发展史是各个学科不断相互交叉、渗透并产生新学科的历史。而科学上的重大突破，新的生长点乃至新学科的产生，常常在相邻学科彼此交叉和相互渗透的过程中形成。特别是地学中“以问题为导向”的研究更体现了这一点。比如，对于气候变化的最新认识表明，气候变化不仅仅是由大气层的内部热力、动力过程而产生，还包括了大气圈、水圈、冰雪圈和岩石圈所构成的地球气候系统中各圈层相互作用的结果，而且与生物圈、人类活动有很大关系。因此，气候系统动力学与气候预测的研究将涉及到大学气科学、海洋科学、地理学(如冰川、沙漠学)、水文学、地球化学、生态学等地学各分支学科，同时与天文学、、气象学、力学、物理学、化学、生物学、计算数学、考古等也有密切关系。

5、组织形式的变化—国际化与合作研究

由于地球科学大尺度、综合性的特点，一些重大的地球科学研究的突破，已不是个别的科学团体、个别的国家可以实现的，它必须要联合多个分支学科、多个科学团体，甚至多个国家共同攻关，因此出现了地球科学新的组织形式，这就是建立国际性研究计划。在这方面，已有以全球环境变化为对象的“世界气候研究计划”、“国际地圈生物圈计划”、“全球环境变化的人文因素研究计划”、“国家生物多样性计划”，以及研究岩石圈物理过程的“国际岩石圈计划”和“国际减灾十年计划”等。世界上还有50多个国家专门成立了负责组织与实施全球变化研究的国家委员会或领导机构。近年来，中国科学院先后建立的一些联合研究中心，如水问题研究中心、区域持续发展研究中心、灾害问题研究中心等也是这种跨研究所的多部门联合研究组织形式的具体体现。

6、信息交流的变化—地球信息科学的诞生

首先，信息(交流)已与物质(迁移)、能量(交换)一道成为地学现象过程研究的主要问题之一。数据与信息系统的建设和地球信息系统的开发已被各个国家计划视为必不可少的支撑条件、能力建设和现代研究手段。

其次，地球信息科学这一新概念的出现，标志着在地学范围内形成了由测绘学、摄影测量与遥感、地图学、地理信息系统、计算机图像图形学、卫星定位技术、专家系统技术及现代通讯技术等有机结合的又一跨学科优先研究领域。

地球科学发展中所涉及的上述两个方面，目的是用各种现代方法获取、存贮、处理、显示、传播和应用与地理和空间分布有关的地学数据，包括提示地球信息传输机理，建立地球信息管理系统和分析模型，遥感地学动态分析模型、知识库和专家系统等。这方面的信息虽多为数据信息，但也给地学研究提出了许多新课题、新挑战与发展机遇。

7、方法手段的变化—高新技术的应用

高新技术特别是空间技术的应用，已能三度空间、动态地探测地球环境的结构和运动形态，使地球科学的理论研究以丰富的实测资料为基础。如现代海洋研究手段，包括设备先进的调查船、海洋遥感卫星、浮标观测系统，深潜探测技术、高性能大容量计算机和先进的实验室等。同时，地球科学对于科技进步与现代设备的依靠程度也愈来愈高。在探测方面，航空航天遥感、超深钻技术、深潜技术、地球层析成像、全球数字地震台网和全球定位系统等共同构成了向海、陆、空和地下深部进行全面探测的技术体系。在模拟与实验方面，现在已经具备了利用高温高压(包括超高温、超高压)大腔体设备、同步辐射技术、精密测定技术、模拟分析方法及计算机技术等全面描述和研究地球介质的物理、化学性质及条件的能力。在测试与分析方面，正在向由电脑控制的高灵敏度、高分辨率、自动化仪器分析的技术方面发展。纳米地质学、纳米矿物学也是得益于隧道扫描技术设备的发展而发展的。在数据计算与信息处理方面的发展尤为引人注目，大型计算机设备都是首先运用到大气科学研究中；GPS、RS、DIS一体化使地球上许多现象的定量、定点、实时研究或建立全球模型成为可能；特别是自动化、数字化处理数据的能力，使地学信息网络迅速发展，实现全球资源共享。这些方法手段的变化，不仅使地学研究取得第一性资料的质量、效率大大提高，为认识和解释地学问题提供了更多事实依据，而且会因此而促使一些新思想和新理论的诞生。

如：我国第21次南极极地考察中，古生物学家根据发现的生物化石推测，2.5亿年前的南极和今天完全不同。

地质学家发现了三种南极古老落叶植物的化石遗骸，同时被发现的还有许多树叶的化石，它们在树干附近被发现。据专家分析：在这个冰川区域的树木并不是矮小的灌木，从树干的直径来推算，有些可以达到24.6米之高。

但是，这个早已灭绝的树种生长在距南极20或25度的地方，处于这一纬度，一年之中有半年都不见太阳。化石上的年轮表明，树木每年夏季生长稳定，而到了冬季几乎停止生长。至于它的外貌，长得很像圣诞树，下大上小，呈锥形。树叶呈大而宽的长矛形，而不是针状，从夏季末开始落叶。

从这些特点地质专家更大胆地推测，大约在2.5亿年前，南极的气候比现在温暖得多，但同时树木也要忍受半年没有阳光的黑暗期才能存活下去。这一现象用“大陆漂移”，“壳、幔弦动”的观点就迎刃而解了。壳、幔弦动是地壳和地幔在液体外核的整体运动。这种运动使地球的两极以渐开线轨迹向对方弦动，导致地理纬度变化，线速度变化，由0米／秒――465米／秒是何等巨大变化。弦动到两极的版块拥挤、折叠、塌陷，弦动到赤道的版块开裂曲、线平移（大陆漂移）。

21世纪初期地球科学研究的主要趋向：

展望新世纪，地球科学将会得到更加突飞猛进的发展，行星地球演化和变化的基本过程和规律将会在更广泛的空间尺度和时间尺度上被揭示和阐明。地球科学研究的主要趋向、热点与重点问题是：

1.突破传统观念，关注全球变化与地球各圈层相互作用及其变化的研究，以及人类活动引发的重大环境变化研究

地球系统观、地球系统科学是地球科学研究的主导方向。全球变化研究充分体现了跨学科、跨部门、国际化、全球化和日益重视在高层次上综合集成的大科学研究特点。地球各圈层相互作用的研究包括了气圈、水圈、冰冻圈、生物圈、岩石圈、地壳、地幔、地核相互作用的物理过程、化学过程、生物过程以及人地关系、人类与环境相互影响、相互作用的研究。

2.突出地球演化的动力过程研究，地球内部深层过程与岩石圈动力学、气候系统动力学与气候预测、生态系统动力学与生态环境的保护和建设

1974年美国著名的第四纪地质学家FRFlint教授将19世纪的达尔文进化论与20世纪60年代出现的海底扩张一板块构造学说以及预测将会出现“气候变迁理论”统称为关于地球动力学三个方面的科学，即“生物圈动力学理论”、“岩石圈动力学理论”和“大气圈动力学理论”。生物圈动力学理论是通过生物与其化石祖先的延续关系，重建古气候、古环境，提示其进化史；岩石圈动力学理论乃是地质时代中岩石圈演变、洋陆更迭的历史进程，是通过板块的形成、运动和消亡来认识的。这两项基本理论都是通过进行的过程去认识问题、总结规律的，把地球视为一个具有长期演化历史的、活动的、发展和变化的地球内部各种因子之间以及地球与外部各种因子之间相互作用的行星，这是发展地球科学基本理论的必由之路。对于探索“大陆动力学理论”也必然要采用这样的科学观点。

3.突出地球信息科学，关注数字地球。

在地球系统科学与全球变化研究的方法论中，是以观测监测采集数据分析评价和解释判断概念化并建立数值模型进行验证、改善模型并提供预报这样的循环方式进行的，这也就是提供数据评价整理数据建立模型验证模型、提供分析结果的数据信息流动、处理、加工过程，每一环节都与数据信息系统密不可分。当前，地球科学数据的规范化整理与信息资源的共建共享已经成为潮流。数据信息系统与地球信息科学的发展也带来地球科学研究观念的改变。例如，数据信息作为科研基础的时代转向数据信息作为科学驱动力的时代；以遥感、地理信息系统和全球卫星定位技术作为重要的高科技已经进入科学普及时代；地球科学研究方法论的改进使地球科学研究进入综合模型时代。

4.突出地球管理科学，关注减灾，探索地震诞生机制，加强环境保护治理。

地球科学及其各分支学科的目标，是在人类增加对地球认识的基础上，维持其足够的资源供给及其持续利用，减轻自然灾害造成的损失，主要加强地震诞生机制和地震预报的研究。保护改善环境，促进生态系统良性循环，从整体上为经济和社会的发展、增强科学能力做出重大贡献。因此，控制人类活动的规模、程度，从人－地关系的角度审视环境的变化，实现可持续发展。

5.突出地球科学跨学科研究进展与创新，关注经济社会发展对地球科学的影响与需求、地球科学在自然科学内部与其他学科的交叉融合以及高新技术在地球科学中的应用展望新世纪，“壳、幔弦动论”的提出，必将对地球科学的发展产生革命性的影响。

王金甲　陈光