迎接科技挑战 叩响地球之门

英国海滩实景玻璃门

英国滑坡事故应急

●英国地质调查局未来10年科学计划提出了去碳化与资源管理、适应环境变化、多重灾害与风险等三大科技挑战。

●通过监测与预测、地质环境压力研究、资源环境恢复力研究和环境治理等工作，为人类社会基础设施和生物系统突发变化的脆弱性提供创新解决方案。

●开展多重灾害系统研究、灾害数据采集和可视化、灾害风险分析和风险的传播等工作，帮助提高自然灾害发生时的生存率和恢复力。

●继续开展海底观测站、火山观测站和地质灾害全球信息基础设施等其他研究基础设施的建设。

2018年10月，英国地质调查局更新并细化了2014年发布的《通往地球之门——英国地质调查局未来10年科学计划》。多年来，英国地质调查局在应用地球科学领域，在感知、认识和预测地球活动方面，为全球提供先进的研究解决方案，并在过去4年里取得了如下进展：位于柴郡和格拉斯哥的英国地球能源观测站的两个试验台使用高性能传感器系统和数据智能，实现从3D地质图和模型产品向实时地球科学数据信息转变，同时还为发展中国家处于各种复杂环境中的社区提供科学的全球化支持。

未来10年，英国地质调查局将迎接三大科技挑战：去碳化与资源管理，将为减排和能源生产、利用、分配的合理化，探讨地球科学解决方案；适应环境变化，将在自然环境和建成环境中，探寻可帮助我们适应环境变化的地球科学；多重灾害与风险，将调查地质灾害（干旱、洪水、山体滑坡、地震和火山爆发）如何影响人类的生命及财产安全，并提供能够确保恢复力和可持续性的解决方案。英国地质调查局预计未来10年将获得超过6亿英镑的资金用于开展各项研究活动，使最新科学战略能够提供专业、公正、创新的科学解决方案，在政府、公众、行业中发挥更重要的作用。

1 去碳化与资源管理

在英国及其他地方，实现电力生产、供热、交通运输和工业等领域去碳化是一项重大挑战，涉及关注地下和地球科学，如碳捕获、利用与封存，地下储能，地热能，低碳关键原材料和放射性废物处理。英国地质调查局将研究不同去碳化技术的可行性，同时对矿产与能源管理的需求进行审查。本项挑战确定了5个主题和17个子主题：

地质处置——放射性废物。高强度放射性废物（高放废物）的长期安全管理对核工业发达国家来说是一项日益严峻的挑战，并且随着核能在未来能源结构中发挥重要作用以应对能源去碳化，这一挑战将持续存在。对高放废物进行长期管理最主要的方法是深部地质处置，英国地质调查局正与合作伙伴着手解决关键的科学问题，包括应力状态、埋存历史，以及断层和裂缝的产生和行为带来的影响。其中，选址问题和地质环境息息相关，需要确定和评估可能对储库体及其周围地质、地表环境的长期完整性带来影响的地球科学因素，对论证选址安全性至关重要；需要了解近场（地质特征、水文地质动态）和远场（板块构造、气候）过程，以综合理解地下演变过程，以便对高放射性废物的长期安全性进行科学合理的评估。

地质处置——碳捕获与封存。碳捕获与封存技术被广泛认为是英国实现去碳化目标的关键技术。主要挑战包括降低碳捕获与封存经济模型的不确定性，降低整个供应链的风险，以及调查公众对碳捕获与封存的态度。这项工作中最根本的是要选择和表征那些能够预计实现永久密闭的地质场所，英国地质调查局将继续领导二氧化碳储库的选址和表征方面的工作，以识别英国可供封存开发者使用的场址资源。预计二氧化碳封存的部署速度将在未来20年内迅速增加，同期，随着油气田停产，预计石油和天然气基础设施将可用于二氧化碳封存。在不久的将来，了解未来封存需求（时间、地点、数量）和基础设施再利用的机会，可能是重中之重。

能量储存。包括储热、盐穴储能、地层储能、抽水储能。其中，在地层储能方面，将热量、气体或水注入多孔地层用于储热或储气，以减缓可再生能源生产的短暂波动带来的影响，并提高其供应的安全性。地质资源研究将与热量、水文地质、机械、化学和微生物研究同时进行，利用格拉斯哥和柴郡的英国地球能源观测站及其他地方的设施，评估一系列注入剂、压力、循环率的密闭性能、优化效果和发生泄漏的可能性。关于抽水储能，将开展适当的地质、岩土工程和地震学研究，以了解不同规模抽水储能的资源潜力。

清洁能源—供热—制冷。包括浅层地热、深层地热、海上选址三大内容。其中，在浅层地热方面，英国在利用浅层地下能源方面具有相当大的潜力，如开采低位热能、制冷和跨季节蓄热、开发区域供热网络、减少国内天然气消耗、缓解燃料短缺等方面。英国地质调查局通过利用格拉斯哥的英国地球能源观测站和其他设施，将开展对地质和水文地质系统以及热能性质的研究，以准确描述相关资源，并验证系统的潜在性能以支撑管控。而在深层地热方面，英国也具有开发此类资源的潜力，英国地质调查局将通过资源调查以及对烃源岩的裂缝、地球化学、水文地质、热性能的详细理解，将对直接从岩浆中提取热量以提高转化为电能的效率进行研究，来降低该行业的风险。

低碳世界的地球资源。一方面，英国地质调查着重研究烃类层系中的常规和非常规能源，将继续提供陆上和海上烃类层系的地质填图，并继续优化资源利用的热量、水文地质、机械、化学和微生物研究。同时，将继续开展降低未来勘探成本的大数据分析。如果政府允许开展此项活动，则柴郡的英国地球能源观测站还将进行一系列与页岩气水力压裂相关的实验和基线地下研究。另一方面，将研究低碳经济所需的关键金属，如一些金属原材料（钴、重稀土元素和铂族金属）等对低碳能源转型（电力和运输方面）发挥重要作用的主要金属的来源、迁移进行研究。同时，将利用现有的海洋钻探基础设施重点研究在岩浆热液矿床中的关键金属及其与全球构造的联系，进而实现对未来开发深海监测站点（“潜水艇”）的目标。此外，还将开展原材料库存及流动方面的课题研究，包括初级和二次资源的分布地点、产量与产地、精炼与消耗地点，以及初级（开采）资源与二次（可循环）资源如何交互，将继续全面监测全球矿产生产、贸易流量、矿产统计数据以及相关的分析和情景开发，包括循环经济、原材料供应安全和关键问题，除了国内，重点关注英国和欧洲。

2 适应环境变化

适应是对环境变化的响应，致力于降低人类社会基础设施和生物系统对突发变化的脆弱性。例如：即使温室气体排放量在相对较短的时间内稳定下来，全球变暖及其影响仍将持续很多年，必须加以适应。在发展中国家，适应气候变化尤其重要，因为它们可能首当其冲受到全球变暖的影响。在本项挑战中确定了四个主题和15个子主题，包括地质环境压力、表征资源恢复力、监测和预测、环境治理等方面：

其中，在地质环境压力方面，英国地质调查局将启动一些研究，探究水、陆地和海洋资源以及相关生态系统之间的多种压力是如何通过地上、地下环境系统，从而交互和级联的。这将促使包括水文地质学、土壤科学和滑坡建模在内的传统科学领域结合到一起，也将促进应用新的地表和地下监测技术、传感器技术和建模方法，研究未来如何可持续地管理这些压力组合。同时，作为可持续发展的一部分，将开发一种全系统化的方法途径来利用和管理地下空间。通过与世界各地增长型城市（包括英国、印度、越南）开展合作，该方法将有助于释放城市地下空间的经济潜力并最大化地为城市地下空间提供服务，不仅关系风险管理，也关乎增长所需的资源。此外，海洋对英国至关重要，蓝色经济既为资源勘查、经济活动提供了新的机遇，也为环境可持续性与海洋生物资源研究提供了机遇。英国地质调查局将制定一项名为“潜水艇”的新提案，将应用先进的勘探和环境自主机器人技术，以提高英国在最大限度利用海底地质环境方面的能力。

在表征资源恢复力方面，英国地质调查局将开展调查、数据收集、建模和解译，以评估变化和减缓不良情况。在整合所有海洋部门数据的基础上提供工具，为不同的应用型问题提供解决办法，为有效传播海洋空间数据提供协助，以支持海洋空间规划的制定并协助制定政策。同时，将在水质和水量、废物管理、交通和能源基础设施开发等方面对地下条件进行评估，从而为英国国内外铁路、公路、管道、隧道基础设施以及农村地区恢复力的发展提供支持。

在监测和预测方面，英国地质调查局将开发综合环境监测和传感系统，这些系统经过优化，可以测量与环境变化相关压力的参数和性质，以及测量这些压力如何随着时间的推移影响不同的环境区划。开发的系统将能够容纳下不同类型的环境数据（物理、化学、生物、行为）并包含对这些数据各种形式的表征（定量、定性、可变频率、精度和准确性）。同时，开发必要的工具来表征环境特征，以及测量变化和对干预措施的响应。

在环境治理方面，英国地质调查局将开发面向政策制定者和执行者的信息传播方法，为环境变化的减缓、适应、环境恢复力方面有效决策的制定提供支持。这是英国地质调查局科学研究的服务“前线”，涉及新的社会科学进展、新的伙伴关系，以及与公众、政府和机构的互动，为政策的制定和实施、经济的增长、民生福祉的增进提供支持。

3 多重灾害与风险

自然灾害（干旱、洪水、滑坡、地震和火山爆发）对经济增长、建成环境、生活和生计具有重大影响。世界范围内正在收集有关自然地质灾害的数据，并且在整合这些数据之后，可以进行更好地预测，而与社会科学家合作将使灾害信息转化为决策者和公众需要的风险信息。《英国地质调查局未来10年科学计划》在这方面确定4个挑战主题和10个子主题。

在多重灾害系统方面，由于许多灾害过程，如地下水灾害、地磁感应电流或火山灰都集中在流体物理现象上，为此，英国地质调查局将推进英国和国际上对“单一”灾害过程（例如岩崩或地震）的监测、分析和特征描述方面的技术发展，同时对多重灾害表征和级联效应之间的交互作用进行多个科学家群体的整合研究，以更好地提供灾害现状报告或灾害预测，提供灾害或多重灾害的发生概率、分布和规模方面的定制信息。

在风险分析方面，英国地质调查局启动研究灾害或多重灾害对暴露人群、社区及其资产的影响、脆弱性等，该分析用于研究在灾害事件中什么事物是可能损坏或丢失的，侧重研究处于风险中社区的社会属性和经济属性，以及他们的房屋或基础设施等实物资产。

在风险的传播方面，英国地质调查局将启动研究，增进对处于风险中的社区或社会（或其代表）的了解，从而实现行动或行为模式的改变。这些研究的一个重点是与受灾害影响的社区合作，特别是开展国际合作。这项工作的开展可能需要物理和社会科学家越来越多地联手。

在多重灾害数据科学研究方面，英国地质调查局将在灾害或多重灾害事件及其过程和影响的相关观测或监测数据采集和管理方面进行创新，将通过欧洲板块观测系统和极限地球项目数据管理平台进行商业安排。其中，可视化将包括在面临复杂的多重灾害的发展中国家应用智能手机和众包技术。英国地质调查局强调对基础设施研究的重要性，强调大型研究基础设施有助于提高调查、监测和实验的能力，吸引全球科学和专业人才，并有助于创新、实现商业化、扩大就业和促进经济增长。通过建设和使用基础设施，将形成对基础科学的支撑，进而推进国家公益科学与研究线路的整合。这也意味着制图和建模将从静态3D到动态4D实现跃迁式变化，并将越来越多地发布实时数据。而所有以上挑战，尤其是全球性灾害和风险，需要统计、预测和预报、人工智能和创新数据存储各方面的计算机科学专家，需要更加关注社会科学并与社会科学家进行更加深入地融合交流。对此，英国地质调查局将探索招聘社会科学家的方式，以及拓展合作伙伴关系和新模式，例如外包和全民共享。

4 迎接地质调查科技挑战

“第四次工业革命”的特点是技术融合，包括对机器人技术、人工智能、纳米技术、量子计算、生物技术、物联网、5G移动数据、3D打印和全自动驾驶汽车的融合。为此。英国地质调查局将创建一个新的综合信息“操作系统”，以持续地为全球地球科学的云平台提供信息，彻底改变数据的提供、预测和预报模式——并支持上述三大科技挑战和其他世界级的地球科学挑战。同时，利用新的操作系统和知识将这些数据集结合起来，提供从城市到大陆边缘各种比例尺的地质系统尖端信息。英国不同地区的经济驱动力正在迅速发展，英国地质调查局将开发各种途径为特定地区的需求提供最适合的定制信息，同时确保国家的地球科学框架得到加强。在国际上，将在英国海外发展援助计划的范围内与伙伴国家展开合作。具体来讲，英国地质调查局将开展包括数据科学和数据基础设施、建模、区域地质调查、新一代英国国家地质模型、地球科学和社会等方面的战略研究工作。

其中，在数据科学和数据基础设施方面，通过新数据和采集技术，显著提高影像的拍摄和传输能力，以更好、更详细地表征环境和地质体，并提高时间分辨率。其中一些技术将是新颖的，需要新的遥测技术或转用其他领域及行业获取的技术，从更深的地下探测信息。

在区域地质调查方面，将在英国和国际上启动地区层面的项目，将与各地区特有的一系列工业和可持续发展挑战相关联。比如：东北走廊项目，该项目将支持矿产、基础设施（公路和铁路）、建成环境、可能的氢经济、碳捕获与封存和页岩气工业网络。这些定制项目将与英国的区域产业战略、地方增强基金以及工业利益相关者的需求密切相关。类似的以工业为重点的项目将在英国和其他国际区域开展。这类区域工作将在英国的国家层面进行协调，以确保数据集之间的一致性，保证连贯性和在国家尺度上理解一致。

在地质模型方面，将开发新一代英国国家地质模型，重点关注英国的浅层地下模型和基岩体元模型。这些模型将建立在现有数据的基础上，并结合正在进行项目的新数据，特别是聚焦区域的地质调查数据。例如：新的英国浅层地下模型旨在开发用于模拟浅层地下结构和性质的新方法。通过使用地貌形态测量和数据分析技术，将推动地球科学的发展，形成对当前浅层地下模型的支撑，以期为未来开发增强型模型，发布新产品。此外，一个结合浅层和深层、区域和国家的地质模型，将提供可供外部利益相关者用于改进决策的3D框架；而对地面和地下传感器网络的不断改进和开发部署，将能够使所提供的数据从3D走向4D。

（作者单位：中国地质调查局发展研究中心）