深地科学是研究地球内部组成、结构及运行机制的学科，是认识地球系统“引擎”的关键。《中国深地科学2035发展战略》系统梳理了我国深地科学的发展历程，揭示了深地研究的多尺度特色和强系统性，明确了深地科学在现代地球科学和地球系统科学中的核心地位，分析了该领域的两大发展趋势（一是新技术和新方法在创新发现中的作用越来越大；二是从不同学科相对孤立的探索研究向多学科交叉融合的转变）。在此基础上，《中国深地科学2035发展战略》提出了深地科学前沿的十大科学问题和一个能引领深地科学研究的技术支撑体系，建议围绕这些重点方向，进一步开展跨学科、跨圈层综合交叉研究，形成地质天然观测、实验模拟和计算模拟协同创新的工作模式，以推动我国固体地球科学研究，并使其在新的一轮全球科技竞争中赢得战略主动。

**章深地科学前沿领域的科学意义与战略价值
　　深地、深海和深空探测是我国的国家战略。与发展迅猛、影响巨大的深海和深空探测工程相比，深地探测及相关科学研究略显沉闷。这一方面与深地探测较深海和深空探测更难有些许关系；另一方面也与人们对深地科学领域的重大科学意义与战略价值认识不足有关。站在百年未遇的历史变革和科技革命的交汇点，充分梳理深地科学前沿领域的重大科学问题，阐明其在发展现代地球科学理论、服务社会和国家需求的战略价值显得格外重要。
　　探索未知是自然科学研究永恒的主题。探索人类居住星球的起源与演化是地球科学的使命，而活跃的地球内部是地球区别于太阳系其他类地星球的*要特征。地球内部作用不仅直接导致了诸如大型低剪切波速省（large low shear velocity provinces，LLSVP）、超低速带（ultra-low velocity zones，ULVZ）、地核发动机（geodynamo）等深部巨型构造的发育（Condie，2005；Holland and Turekian，2014；Schubert，2015），而且也是引发陆壳生长、板块构造（platetectonics）启动、大陆聚合裂解、大氧化、大洋缺氧、雪球地球（Snowball Earth）、大火成岩省（large igneous province，LIP）、生命大爆发、生物大灭绝（mass extinction）等一系列重大事件的*要驱动力（Langmuir and Broecker，2012；朱日祥等，2021）。可以说，地球深部是地球系统整体运行的引擎。只有深刻了解地球引擎的性质和运行机制，才能有效地揭示地球系统中不同圈层相互作用的本质，促进地球系统科学的发展。
　　1.深地过程控制了地球宜居性演化
　　地球是太阳系中目前唯一确认有生命活动的星球，具有高度演化的适合人类生存的宜居性环境。这是地球内部圈层（地壳、地幔、地核）和地表圈层（水圈、大气圈、生物圈）长期相互作用的结果。其中，地球深部过程对地表的塑造尤为重要，地球的去气作用主导了水圈和大气圈（甚至早期生命）的诞生与演化，地球内部产生的地磁场保护了地表生命免受太阳风伤害，由地球深部过程控制的地壳风化作用是有效的地质恒温器。深地过程是地球之所以成为宜居性星球的关键所在。
　　2.深地过程驱动了整个地球系统的运行
　　与其他星球相比，同时拥有活跃的内部动力系统和外部板块运动是地球*有的特征。在地幔对流的驱动下，自上而下的板块俯冲把地表物质输运到地球深部，而地球内部物质又被地幔柱自下而上传输到浅部地球和地表。两者是联系地球内部圈层和地表圈层的桥梁，也是地球圈层联动和互馈的重要纽带。在这个框架下，地球内部圈层间以及地球内部与地表圈层间，可以不断发生物质与能量的交换、反应和循环，像人体一样构成了一个完整的动态系统。因此，深地是这个系统运行中必不可少且*为关键的一环。
　　3.深地过程与人类社会发展息息相关
　　地球深部是尚未被人类开发利用的巨大资源宝库，也是关系到经济社会可持续发展乃至国家安全的战略性领域。地球内部长期以来的物质运动和能量转换，造就了地表丰富的矿产资源，同时也是造成火山、地震、海啸等重大自然灾害发生的根源。自诞生以来，人类的发展史就是对矿产资源的不断发现、开发整合和合理利用，以此完善人类社会分工、提高资源利用率、推动社会发展、促进文明进步和合理规避灾害。深地过程控制着成矿元素与挥发分的运移和循环，影响着地表的环境变化、自然灾害和生物进化，制约着矿产资源的分布和化石能源的积聚，并*终维持着地球生态系统功能和社会
　　**章.深地科学前沿领域的科学意义与战略价值经济系统发展。
　　4.深地科学是世界科技竞争的必争之地
　　目前，人类对深地的认知程度还非常有限，远远没有达到对深空和深海的认知水平。地球内部超过99%的部分，都处于超过10000个标准大气压和500℃的极端温压条件下，且充满岩石难以进入，隐藏着地球*大的奥秘。深地研究因此是地球科学基础研究和理论体系突破的关键所在。也正因如此，深地科学正成为地球科学新的学科制高点，是世界各国竞相布局、争取率先突破的着力点。
　　近20年来，世界主要大国均对深地研究给予了高度重视。美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）发布的“地球科学远景”（GeoVision）咨询报告，系统阐述了2010～2020年地球科学10个前沿问题，将早期地球（early Earth）和地球内部动力学及与地表圈层的关联列为重点关注方向；在随后发布的“时域地球”（Earth in Time）规划报告中，统计归纳出2020～2030年地球科学12个科学优先问题，其中10个与地球内部火山作用、地震活动、板块构造、元素循环及其与地表圈层的相互作用有关。在此基础上，NSF先后启动了“地球透镜”（EarthScope）“地学棱镜”、（GeoPrism）和“地球系统动力学前沿”（FESD）等大型深地计划，旨在培育有望取得重大突破的领域，提高人类对地球及其子系统自修复能力的认识。为了进一步揭示深部地球过程和物质循环，德国牵头欧盟多国启动了“地壳到地核”重大深地研究计划，美国斯隆基金会（Sloan Foundation）启动了“深碳观测”全球重大深地研究计划，英国自然环境研究理事会（Natural Environment Research Council，NERC）启动了“深部挥发分”（DeepVolatiles）重大深地研究计划。这些研究计划的实施，使得美国、德国、英国等国家在深地科学多个学科方向处于**位置。
　　习近平总书记在全国科技创新大会上提出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。国务院2016年印发的《“十三五”国家科技创新规划》面向2030年“深度”布局，要构筑国家先发优势，围绕“深空、深海、深地”发展保障国家安全和战略利益的技术体系；国家自然科学基金委员会（National Natural Science Foundation of China，NSFC）地球科学部将“三深一系统”（即深地、深空、深海、地球系统科学）作为“十四五”发展规划，将地球深部动力学、地球-生命协同演化和宜居地球的探索列为资助重点；中国科学院启动了战略性先导科技专项（B类）“地球内部运行机制与表层响应”，对深部内部和表层系统的联系开展大跨度、多学科交叉融合研究；“国家科技创新2030——地球深部探测重大项目”也已到*后的论证阶段。由此可见，深地过程及相关的地球内外圈层联动研究，是推动我国固体地球科学研究实现从“跟跑”向“并跑”，*终到“**”的根本性转变的重要机遇（Liuand Mao，2021）。
　　实施“深地”国家战略，需要科学创新与技术攻坚并举。本书提出深地科学前沿研究中需要关注的十大科学问题，以及在研究这些重大问题时需要建立的技术体系，以期推动我国固体地球科学研究向世界**水平进军，并在新一轮全球科技竞争中赢得战略主动。
　　本章参考文献
　　朱日祥，侯增谦，郭正堂，等.2021.宜居地球的过去、现在与未来——地球科学发展战略概要.科学通报，66(35):4485-4490.
　　Condie K C. 2005. Earth as an Evolving Planetary System. Amsterdam: Elsevier Academic Press. Holland H D， Turekian K K. 2014. Treatise on Geochemistry. Oxford: Elsevier.
　　Langmuir C H， Broecker W. 2012. How to Build a Habitable Planet: The Story of Earth from the Big Bang to Humankind. Princeton: Princeton University Press.
　　Liu J L， Mao H K. 2021. Yi-Gang Xu: The Earth.s deep interior holds the key to habitability.
　　National Science Review， 8(4): nwab018. Schubert G. 2015. Treatise on Geophysics. 2nd Edition. Oxford: Elsevier.
　　第二章前沿领域的现状及其形成
　　**节.深地前沿领域的形成回顾
　　地球是一个由地壳、地幔和地核组成的巨大系统，是一个内部活跃的动态行星。深部地球是驱动地球系统运行的发动机，地球的起源、演化和诸多动力学过程都受深部地球控制，地表所观测到的环境变化、生命灭绝、自然灾害、矿产资源、地形地貌、地球化学特征和地球物理学异常等现象与过程也往往显著受到深部地球作用的影响（董树文和陈宣华，2018；Mao and Mao，2020）。因此，深地科学是地球系统科学研究的核心，也是破解地球奥秘的“钥匙”。
　　人类从科学角度上对深部地球的探索可追溯到20世纪初期。欧洲一些地球物理学家通过地震波探测分析，在1906～1914年先后发现了地核、壳幔边界和核幔边界（core-mantle boundary，CMB），之后在1936年发现了内核，至此地球内部的壳、幔、核多圈层结构基本完全确立（Schubert，2015）。进入20世纪中期后，微量元素地球化学和同位素示踪技术的广泛应用和快速发展，以及地球物理学研究中波速、电导、重力、噪声等各种探测技术的不断涌现和完善，为深地科学研究的发展提供了重要的技术支撑。尤其是研究手段的丰富、探测和示踪技术的精准化带动了地球科学理论的革命；板块构造理论和地幔柱学说在20世纪70年代前后相继诞生，更是革命性地将板块俯冲、地幔对流等深部过程与板块漂移、变质变形、沉降抬升等地表过程联系起来。深部地球与地表圈层之间也由自上而下的俯冲作用和自下而上的地幔柱作用相联系起来。
　　21世纪的深地科学进入了新的发展阶段，呈现出两个明显的发展趋势。一是新技术、新方法在创新发现中的作用越来越大。地球深部看不见、摸不着，需要借助四种方法加以研究，即基于深源样品和陨石样品的岩石学和地球化学研究、基于地震学等的地球物理探测、通过实验模拟高温高压下地球深部的状态和反应，以及利用计算机辅助的数值计算和动力学模拟。例如，目前实验模拟的温压范围已对地壳到地核条件进行了全覆盖，据此发现深下地幔新矿物（包括后钙钛矿等）以及核幔条件下的新化学反应；新的地震学探测方法也揭示出核幔边界的精细结构等，前所未有地展示出丰富多彩的地球深部世界。二是从不同学科相对孤立探索研究转而强调多学科交叉融合，以及地球内部不同圈层间和地球内部与外部不同圈层间的密切联系。例如，深部地球物理探测（deep geophysical probing）所揭示的位于核幔边界的LLSVP为研究大火成岩省、金伯利岩的成因搭建了深部构造框架（Burke et al.，2008），也为揭示地幔端元组分在地球深部的空间分布规律打开了一扇新的窗口（Jackson et al.，2018）。
　　深地研究吸引了世界大国的广泛关注，也是各国地球科学前沿研究的必争之地。地球内部如何运行，被《科学（Science）》列为重大前沿科学问题之一。美国、德国、英国等老牌科研强国纷纷启动了多项重大研究计划，对深地过程和作用开展研究，深地前沿领域就是在这种情况下应运而生的。可以说，世界各国当下对深地研究的重视程度将直接决定未来大国的地球科学研究格局以及科研博弈走向。在我国，“深地”已经被列入国家发展战略，是实施“向地球深部进军”和面向2030年科技创新规划“深度”布局的关键支撑点；国家自然科学基金委员会、自然资源部、中

目录
总序/i
前言/vii
摘要/xi
Abstract/xxiii
**章 深地科学前沿领域的科学意义与战略价值/1
本章参考文献/4
第二章 前沿领域的现状及其形成/5
**节 深地前沿领域的形成回顾/5
第二节 我国深地领域研究现状/7
第三节 我国在深地领域的国际地位/8
本章参考文献/10
第三章 深地科学前沿Ⅰ——早期地球/11
**节 早期地球的热状态和演化路径/12
一、月球形成大碰撞与后期加积/12
二、核幔分异与地磁场维持/18
三、原始大气成分/24
四、前板块构造/27
五、早期地球重大地质事件的定年/32
六、地幔原始不均一性/35
七、展望和未来研究方向/40
第二节 板块构造的启动时间与启动机制/41
一、早期地球的构造体制类型及其转换/42
二、板块构造的起源/45
三、研究展望/57
本章参考文献/58
第四章 深地科学前沿Ⅱ——地球深部结构、物质循环与深地引擎/82
**节 地球内部界面的复杂特征及其动力学效应/83
一、地球内部主要界面的复杂特征及成因/85
二、地球流变性圈层结构与动力学效应/100
三、研究展望/102
第二节 地球深部挥发分/104
一、地球深部挥发分的赋存形式和储量/105
二、地球深部挥发分循环和演化/107
三、挥发分对地球深部和地表环境的影响/111
四、总结与展望/113
第三节 地幔氧化还原状态及演化/115
一、早期地球地幔氧逸度的转变/115
二、壳幔相互作用对地球地幔氧化还原状态的影响/119
三、地幔氧逸度及大氧化事件发生的耦合机制/121
四、研究展望/124
第四节 地球深部化学储库及其成因/125
一、地球深部化学储库的形成机制和形成时间/127
二、俯冲物质的循环机制和通量及其对地幔的改造/128
三、深部地幔-浅部地幔的相互作用/137
四、深部储库的空间分布/138
五、展望与未来发展方向/139
第五节 深地新化学反应与深部引擎/140
一、板块俯冲过程中的挥发分循环/142
二、深下地幔的新物理化学/144
三、从核幔边界到地表的回流/149
四、展望/153
本章参考文献/154
第五章 深地科学前沿Ⅲ——深地过程与宜居地球/177
**节 大规模火山作用对地球宜居性的影响/179
一、火山活动在地球宜居性演化中的作用/179
二、火山活动的气候和环境效应/182
三、展望和未来研究方向/192
第二节 地球热稳定器与气候系统的稳定机制/193
一、盖亚假说/195
二、大陆风化假说/196
三、大陆风化热稳定器/202
四、研究展望/208
第三节 重大地质事件与地球宜居性/209
一、雪球地球事件与地球宜居性/210
二、大氧化事件与地球宜居性/212
三、极热事件和大洋缺氧事件与地球宜居性/218
四、超大陆聚散与地球宜居性/220
五、展望和未来研究方向/224
本章参考文献/225
第六章 深地科学研究中的新技术和新方法/233
**节 深部地球物理探测技术/234
一、深部探测的主要发展趋势/234
二、重点关注的方向/239
第二节 高温高压实验模拟技术/241
一、高温高压实验的主要发展趋势/241
二、高温高压实验关键技术/244
三、高温高压关键测量技术——同步辐射技术/247
第三节 计算地球科学/248
一、计算地球动力学/249
二、**性原理计算/250
第四节 地球化学示踪体系/253
一、地球化学理论/253
二、地球化学分析技术/254
三、地球化学观测/255
第五节 高精度地质年代学/256
一、高精度ID-TIMS定年技术/256
二、高精度旋回地层学方法/258
三、扩散年代学/259
四、高精度数字化时间轴/259
第六节 地球系统模型/260
一、地球系统模型研究现状及面临的挑战/261
二、未来地球系统模型研究需重点关注的方向/262
本章参考文献/265
第七章 围绕本领域发展的相关政策建议/276
一、资助策略建议/276
二、配套措施建议/279
关键词索引/280