地球系统科学视域下能源-气候-可持续性关联机制与转型路径

《Geoscience Frontiers》：Geoscience of the energy–climate–sustainability nexus: Earth system processes, resources, and pathways to a sustainable future

　　

向可持续能源系统的转型从根本上依赖于地球系统过程（Earth system processes），使得地球科学（geoscience）成为应对能源安全、气候变化和可持续发展相互关联挑战的核心。本综述综合了当前关于地质、地球化学、水文和生物地球物理过程如何调控能源资源的形成、分布和可持续利用，同时影响气候动态和环境响应的知识。研究人员对近期同行评议文献进行了系统综述，整合了化石燃料系统、可再生能源资源、关键矿产供应链以及包括碳捕集、利用与封存（carbon capture, utilization and storage, CCUS）、地热能和地下储氢（underground hydrogen storage, UHS）在内的地下技术证据。分析表明，可持续能源转型需要整合理解岩石圈（lithosphere）、大气圈（atmosphere）、水圈（hydrosphere）和生物圈（biosphere）之间的相互作用，而非将这些系统独立对待。研究进一步证明，关键矿产日益增长的需求以及地下技术的扩展已成为关键的地球科学挑战，将强烈影响未来的脱碳路径。新兴方法，包括数字地球科学（digital geoscience）、人工智能（artificial intelligence, AI）、自然解决方案（nature-based solutions, NbS）和整合地球系统建模（integrated Earth system modeling, IESM），被认为是提高资源评估、环境监测和决策能力的强大工具。总体而言，本综述强调，实现长期可持续性不仅需要使能源系统脱碳，还需要加强负责任资源治理、推进循环经济实践，并将地球系统过程整合到能源规划和气候政策中。该研究提供了一个跨学科地球科学框架，支持更具韧性和可持续性的能源转型。

在人类世（Anthropocene），能源系统、气候动态与可持续发展之间的相互依存关系已成为定义性挑战。历史上，化石燃料支撑了全球工业化，但其大规模开发深刻改变了自然碳循环，增加了大气温室气体浓度。与此同时，低碳转型又引入了可再生能源部署、关键矿产开采、地质碳封存、地热开发及地下储氢等新地球科学挑战。现有综述多聚焦单一环节，较少从统一地球系统视角整合地质过程、气候反馈与新兴数字技术。因此，理解地球系统过程如何同时调控能源资源可利用性、气候调节与环境响应，构成了一项紧迫的知识空白。

为回应上述问题，Asif Raihan在《Geoscience Frontiers》发表了这篇综述，提出了一个整合地球系统框架。研究综合了地球系统科学、地质学、气候科学及环境可持续性领域的最新进展，将化石燃料系统、可再生能源、关键矿产、碳循环、地下能源技术、数字地球科学、自然解决方案（nature-based solutions, NbS）及整合地球系统建模（integrated Earth system modeling, IESM）等课题统一于一个以过程为基础的框架内。研究强调，可持续能源转型需要整合理解岩石圈（lithosphere）、大气圈（atmosphere）、水圈（hydrosphere）和生物圈（biosphere）的相互作用。其意义在于为韧性可持续的能源转型提供了跨学科地球科学基础，支持未来研究、资源治理与循证政策制定。

研究人员采用系统性整合文献综述方法，遵循系统综述的透明性与可重复性原则。文献检索覆盖Scopus、Web of Science、ScienceDirect和Google Scholar四个数据库，检索时间为2026年1月至3月，主要纳入2015至2025年间发表的同行评议论文。通过布尔逻辑运算符组合关键词进行检索，经去重、标题摘要筛选及全文评估，最终从约1250篇文献中纳入185项研究进行详细综合。研究采用质性主题综合方法，结合演绎与归纳编码策略，从预设的地球系统过程、化石燃料、可再生能源、气候相互作用、关键矿产、地下技术、环境影响、可持续性、治理及新兴技术等类别出发，逐步归纳出数字地球科学、人工智能、整合地球系统建模、循环经济及自然解决方案等主题。分析过程以统一的地球系统视角解读各文献，通过多轮迭代编码与跨领域比较确保主题一致性，并持续监控各主题领域的文献分布以保持均衡表征。

3.1 化石燃料的形成与分布
研究人员通过地球系统过程分析指出，化石燃料（煤炭、石油、天然气）是生物生产力、沉积过程、盆地演化、热成熟与构造活动长期耦合的产物。主要常规油气产区多分布于被动大陆边缘、前陆盆地与裂谷盆地；非常规资源（页岩气、致密油）则赋存于低渗透地层，依赖水平井与水力压裂技术扩展。研究认为，化石燃料分布的不均匀性受控于盆地演化与构造过程的差异，地质异质性仍是全球能源安全的主要控制因素。

3.2 从地球科学视角看可再生能源
研究人员综述了太阳能、风能、水能与地热的地球科学控制因素。太阳能可利用性受太阳辐射、云量、地形与地表特征控制；风能受大尺度大气环流与海岸形态影响，海上风电平均容量因子高于陆上。水电贡献全球约15%电力，但受降水模式变化与地质灾害风险影响。地热系统直接依赖地球内部热量，增强型地热系统（enhanced geothermal systems, EGS）通过人工提高储层渗透率扩展了地热开发范围。

3.3 能源技术所需的关键矿产
研究人员强调，锂、钴、镍、铜、石墨与稀土元素（rare earth elements, REEs）是脱碳的关键使能矿物，其分布受岩浆分异、热液活动、风化与构造演化控制。地理分布高度不均，带来显著地缘政治风险。研究指出，需将地质资源评估与生命周期评估（life-cycle assessment, LCA）及循环经济原则结合，通过回收与材料替代降低对原生开采的依赖，但铜和稀土等因独特物化性质难以完全替代。

4.1 碳循环与人为扰动
研究人员分析了全球碳循环的自然平衡与人为扰动。工业革命以来，化石燃料燃烧、水泥生产、森林砍伐与土地利用变化将地质储存的碳在数十年而非数百万年的时间尺度上转入活跃碳循环，大气CO₂浓度由工业革命前约280 ppm升至近年超过420 ppm。研究认为，地球科学通过识别CCUS储层、评估盖层完整性与表征深部流体迁移，在气候减缓中发挥核心作用。

4.2 气候反馈机制
研究人员梳理了放大（正反馈）与调节（负反馈）气候变化的反馈机制。冰-反照率反馈、水汽反馈为已确立的强正反馈；硅酸盐风化是10⁴–10⁶年尺度的主要长期负反馈。永冻层碳释放、甲烷水合物（methane hydrates）失稳、云反馈与植被反馈则存在较大不确定性。潜在 tipping elements 一旦越过临界阈值可能加速气候变化。

4.3 能源系统对气候的影响
研究人员指出，能源系统通过温室气体排放与土地覆盖改变等直接和间接路径影响气候。化石燃料开采与燃烧是最主要的直接排放源，天然气开采伴生的甲烷泄漏因具有较高的短期增温潜势而显著增强近期气候强迫。间接影响包括土地利用变化、水库甲烷排放与生物能源扩张等。

5.1 碳捕集、利用与封存（CCUS）
研究人员阐述了CCUS作为地质科学主导的减缓技术的重要性。CO₂经压缩后通过管道运输至深度通常超过800 m的地质构造进行封存，合适储层包括枯竭油气藏、深部咸水层、不可采煤层与玄武岩构造。长期封存依赖构造、残留、溶解与矿物等多种捕集机制。尽管深部咸水层理论容量最大，但储层非均质性、断层再活化与盖层完整性仍是长期安全的主要挑战。

5.2 地热能系统
研究人员区分了常规水热系统与EGS。常规系统利用构造活跃区天然高温储层与循环地下水，技术成熟度高；EGS通过水力刺激等人工提高热干岩储层渗透率，显著扩展了全球地热技术潜力，但面临更高勘探成本与诱发地震风险。全球地热装机容量超过16 GW，容量因子通常超过70%–90%，可作为高比例可再生能源电网的稳定基荷电源。

5.3 氢与地下能源储存
研究人员认为地下储氢（underground hydrogen storage, UHS）是平衡可再生能源季节性波动的关键。盐穴、枯竭油气藏与深部咸水层是主要储库类型，其中盐穴因低渗透率与高密封性最为成熟。氢气因分子量低、扩散性强，更易通过裂缝与井筒迁移，且与储层矿物及微生物发生地球化学相互作用，可能降低储存效率。与电池储能系统（battery energy storage systems, BESS）相比，地下储氢适用于数周至数月的长周期季节储能，往返效率为30%–50%，低于电池的80%–95%，但规模与成本优势显著。

6.1 能源开采的环境影响
研究人员分析了各类能源开采对岩石圈、水圈、大气圈与生物圈的影响。土地扰动、地下水污染、酸性矿山排水、尾矿与产出水的地球化学风险是主要问题。可再生能源转型虽可减少温室气体排放，但关键矿产开采带来的土地扰动、淡水消耗与生态压力要求以全系统视角评估上游资源开采。

6.2 可持续性与资源治理
研究人员指出，资源治理不仅涉及监管，更取决于对地质资源分布、地下不确定性、环境承载力与长期资源可利用性的科学理解。欧盟关键原材料法案（Critical Raw Materials Act, CRMA）、冰岛地热治理与挪威Northern Lights项目表明，成功的治理需要地球科学证据、监管制度与利益相关方参与的紧密结合。循环经济策略应作为可持续勘探与负责任采矿的补充而非替代。

7.1 数字地球科学与人工智能
研究人员认为数字地球科学与人工智能（artificial intelligence, AI）正 transforming 地球科学信息的获取、解释与整合。机器学习已广泛应用于地震解释、测井分析、矿产预测与储层表征；卫星遥感与传感器网络结合AI，可近实时检测土地利用变化与温室气体排放。数字孪生（digital twins）通过持续更新地质模型与实时监测数据耦合，支持CCUS、地热、储氢与地下水管理的自适应决策。但高质量训练数据不足与模型“黑箱”特性仍是挑战。

7.2 自然解决方案（NbS）
研究人员综述了重新造林/造林、土壤碳固存、湿地恢复、蓝碳生态系统与增强岩石风化等自然解决方案。这些方案通过增强自然碳循环过程提供减缓效益，其有效性受地质基质、矿物组成、沉积动态与地下水条件控制。增强岩石风化通过加速硅酸盐风化永久去除大气CO₂。NbS应作为工程减缓技术的补充，其长期持久性存在监测、报告与核查（monitoring, reporting, and verification, MRV）不确定性。

7.3 整合地球系统建模（IESM）
研究人员介绍了IESM作为耦合岩石圈、大气圈、水圈、生物圈、冰冻圈与人地系统的强大工具。模型整合大气环流、海洋环流、陆地表层、生物地球化学循环、地下地质模型与社会经济模块，可同步模拟地质碳封存、地热、地下水、矿物资源可用性与社会经济发展。人工智能与高性能计算进一步提升了IESM的数据同化、参数优化与不确定性量化能力。但地下过程表征不全、云反馈、生态系统响应与社会经济不确定性仍是主要挑战。

7.4 技术成熟度与未来优先方向
研究人员比较了新兴技术的相对成熟度。数字地球科学、人工智能与IESM成熟度最高，已广泛应用于决策支持；自然解决方案与地下储氢处于中等成熟度；增强岩石风化成熟度较低，尚处示范阶段。能整合多地球系统组件的使能技术将产生最大长期影响，未来研究应优先跨学科整合。

8. 通向可持续未来的路径
研究人员提出，可持续未来要求从化石燃料主导系统转向多元化低碳能源组合，整合可再生能源、地热、可持续关键矿产供应链与地下能源技术。需从碳密集型利用转向整合碳管理，耦合工程碳移除与自然碳汇。资源可持续性要求将地质调查、负责任开采、回收与循环经济结合。技术创新须依托数字地球科学、AI、地球观测与IESM。治理创新需透明监管框架、国际合作与利益相关方参与。最终，可持续能源转型本质上是地球系统挑战，需将地球科学置于能源-气候-Sustainability关联的核心。

在讨论与结论部分，研究人员强调，实现可持续能源转型并非单纯的技术或经济挑战，而是根本性的地球系统挑战。该综述的核心贡献在于建立了整合地球系统框架，将传统上独立研究的课题统一于地质过程、气候动态、技术创新与社会经济系统的动态反馈之中。研究指出，地球科学在未来能源系统中扮演双重角色：既是识别与可持续管理地质资源的科学基础，也是开发与实施气候减缓策略的关键使能学科。技术革新本身不足以确保长期可持续性，必须将地质理解与数字地球科学、循环经济原则、负责任资源治理及跨学科政策制定相结合。未来研究应优先改进地球系统模型中的地下过程表征，发展整合AI、遥感与实时监测的数字平台，深化关键矿产可持续勘探、回收与替代研究，加强地质碳封存、地下储氢、地热与自然解决方案的长期可靠性评估，并推动地球科学、工程学、经济学与社会科学的跨学科合作。政策制定者应更系统地将地球科学证据纳入能源规划、减缓战略、环境监管与资源治理。最终，该研究为构建安全、低碳且环境可持续的能源系统提供了全面的科学基础，以支持应对二十一世纪挑战。