地球与行星内源磁场建模研究进展

太阳系绝大多数行星都拥有随星体自转而共转的内源磁场.随着人类不断地进行深空探测,人们已经对所有已知具有内源磁场的太阳系星体建立起了其对应的行星磁场模型.行星磁场建模是深入研究行星内部动力学过程、探究行星演化历史、理解行星磁场与太阳风相互作用、认识行星磁场对高能带电粒子的屏蔽效应等多种研究方向的重要基础.同时,行星磁场建模也是一项多学科交叉的研究工作,其涉及到行星磁场建模理论、内外源磁场场源分离、参数反演方法与方程优化等多方面的研究.本文综述了地球与太阳系其他行星,包括月球以及木卫三两颗卫星在磁场建模方向的研究进展,描述了行星内源磁场的特征,整理了太阳系行星最准确的全球磁场模型.本文首先从行星磁场的数学建模方法开始,梳理了自高斯时代以来磁场建模技术的发展历史,介绍了行星磁场建模研究的热点方法.文章最后展望了未来行星磁场建模研究的发展趋势,以及我国未来的深空探测计划对行星磁场建模研究的可能贡献.

聚焦离子束显微镜技术及其在地球和行星科学研究中的应用

聚焦离子束-扫描电子显微镜作为重要的微纳米尺度精细加工、微小样品制备和微区原位显微分析设备,与其他高精尖显微分析仪器(如透射电镜、离子探针、原子探针和同步辐射等)配合使用,可为纳米地球科学发展提供重要技术支撑。本文在简要介绍聚焦离子束-扫描电镜技术的原理、功能和技术发展的基础上,重点展示该技术在加工制备透射电镜超薄片样品和原子探针针尖样品中的应用,以及在代表性地学样品(如矿化微生物和页岩等)样品三维重构成像分析上的应用。最后,分析了该技术的未来发展趋势,并对它在地球和行星科学研究中的注意事项进行了初步探讨。

2022年第十届青藏高原东部构造与地球物理研讨会(10-WTGTP)在线上召开

引言“第十届青藏高原东部构造与地球物理研讨会”(10-WTGTP)暨“2022年中国地球物理学会与中国大陆动力学专业委员会年会”、 “2022年中国地球物理学会固体地球物理委员会年会”与“中国地震学会地壳应力与地震专业委员会年会”于2022年11月22日成功举行。 此次会议采取腾讯视频方式, 同时使用蔻享学术进行实况直播。

2023年第十一届青藏高原东部构造与地球物理研讨会(11-WTGTP)在安庆召开

第十一届青藏高原东部构造与地球物理研讨会(11-WTGTP,Workshop on Tectonics and Geophysics in the east part of Tibetan Plateau)暨中国地球物理学会中国大陆动力学专业委员会2023年学术年会和中国地球物理学会固体地球物理委员会2023年学术年会,于2023年8月22日-24日在安徽省安庆市成功举办。

利用区域地震资料监测朝鲜地下核试验的研究进展

根据朝鲜6次地下核试验在中国东北及邻近地区产生的宽频带区域地震资料,中国科学院地质与地球物理研究所地震学学科组发展了一套用于监测地下核试验的地震学方法,主要包括震级测量和当量估计、高精度震中定位以及爆炸与天然地震事件识别等.在全球范围内,存在多个用于震级-当量转换的经验公式,确定何种公式适合于朝鲜半岛地区至关重要.通过搜集一组用于地震测深的化学爆炸的当量和埋深,并以这些已知爆炸源作为量规事件,能够标定朝鲜地下核试验场的震级-当量关系,从而实现对朝鲜地下核爆进行当量估计.在精确定位方面,发展了利用多事件之间波形互相关方法精确测定它们之间的走时差从而完成高精度相对震中定位.通过进一步利用Pn和Pg等多震相数据还实现了对核爆深度的相对定位.在爆炸震源识别方面,利用统计处理方法分析研究了不同类型事件所产生地震波的特征,包括6次地下核试验、4次天然地震和3次化学爆炸,以及一些矿区塌陷等.结果发现P和S类型波的振幅比,例如Pn/Lg、Pg/Lg和Pn/Sn等,在2 Hz以上能够较好区分各类震源.其中爆炸震源产生的振幅比显著高于天然地震的值.特别是,通过计算谱振幅比的台网平均值能够显著提高识别的可靠性.利用中国东北和附近地区地震台网所提供的数据可以准确地将朝鲜地下核试验从周边天然地震事件中识别出来.该方法同时得到化学爆炸的P/S谱振幅比值介于核爆炸和天然地震的群组之间.

近地小行星太空风化光谱效应的模拟实验研究

本文选取3种类型的陨石分别进行脉冲激光辐照实验,模拟距离太阳1个天文单位(1 AU)处,10亿年(1 Ga)期间微陨石轰击的太空风化作用对E型、S型、C群等近地小行星光谱特征的改造。结果显示,激光辐照后,顽辉石无球粒陨石光谱的可见光波段反射率降低且近红外斜率增加,与E型小行星光谱改造特征一致;普通球粒陨石的可见光-近红外波段反射率均降低、吸收深度变浅且近红外斜率增加,与S型小行星光谱改造特征一致;CV3型碳质球粒陨石和CO3型碳质球粒陨石在激光辐照后可见光波段反射率降低,但近红外波段反射率升高,吸收深度变浅且近红外斜率增加,与贫挥发分的C群小行星光谱改造特征一致;CM2碳质陨石在激光辐照后,可见光波段反射率增加,但近红外波段反射率及近红外斜率降低,与富挥发分的C群小行星光谱改造特征一致。研究结果可为近地小行星探测任务备选目标的确定、光谱遥感数据以及表面物质演化过程的反演提供一定的参考。

中国陨石学与天体化学研究进展(2011—2020)

过去十年,中国陨石学与天体化学研究迎来了一个迅速发展时期。嫦娥工程与月球采样返回,以及天问一号火星探测等一系列深空探测工程的成功实施,极大地推动了我国陨石学和天体化学的发展;南极格罗夫山陨石库的建设,为学科发展提供了充足样品;高精度同位素分析平台的建设,保障了陨石及地外返回样品的分析研究需要;此外,国内还涌现了一批优秀行星科学与天体化学青年人才。与此同时,通过对各类陨石的研究,在太阳星云起源与演化、火星与月球等类地行星形成与宜居性研究、小行星岩浆作用和含水蚀变及后期撞击历史等方面也取得了重要成果。

荷叶塘陨石:一个L3型普通球粒陨石的岩石学和地球化学特征

荷叶塘为一块我国降落的原始3型普通球粒陨石,因此具有重要研究意义。本文对荷叶塘陨石光薄片及粉末样品的岩石学、矿物学和全岩组成地球化学特征进行研究,为这块陨石的深入研究提供重要基础数据。研究表明荷叶塘陨石具L3型陨石岩石学特征,具典型的球粒陨石结构,球粒清晰,球粒结构类型多,基质重结晶程度低,组成模式为:球粒80vol%,金属和硫化物含量为5vol%,基质15vol%。矿物化学成分表明,该陨石球粒以Ⅰ型(贫铁型)球粒为主,橄榄石Fa0.41-34.1(PMD=51),低钙辉石Fs1.82-27.2(PMD=88),Wo0.18-3.13(PMD=103),铁纹石中Co含量平均0.62%(PMD=20),矿物成份不均一程度高,橄榄石矿物结晶颗粒内部化学成分变化大,呈正环带分布,与岩浆型结晶顺序一致,球粒与基质及间隙物成分明显不同,表现为不同物质来源。化学成分全岩分析结果显示,荷叶塘陨石亲石、亲铁元素含量均为L型陨石特征。依据以上岩石矿物学和化学组成特征,依照陨石亚分类参数,将其类型划分为L3.4型普通球粒陨石。冲击变质程度S2,风化程度W1。研究结果表明荷叶塘陨石为一块受后期水、热蚀变和风化影响较少的原始类型陨石。组成矿物成分极不均一,在矿物晶体内部,球粒内部及球粒与基质间均有明显变化。

基于陆态网络GNSS数据的2013年和2015年磁暴期间中国地区电离层特性研究

2013年3月和2015年3月爆发了2次相似的地磁暴,引起了全球不同地区电离层的变化。本文利用中国大陆构造环境监测网络260余个基准站在中国地区的GNSS电离层TEC观测数据,结合电离层测高仪和电离层甚高频相干散射雷达观测,对2次磁暴期间中国地区的电离层变化特性进行了对比分析。结果显示,2013年3月磁暴期间,中国不同地区电离层变化较弱或不明显,而2015年3月磁暴期间中国地区电离层变化整体表现为大范围的强负相暴,中国地区不同程度的电离层响应主要受到不同的磁暴强度和磁暴期间不同的能量输入影响。2次磁暴期间电离层F层不均匀体的发生受到不同程度的影响,可能由不同种类的暴时电场导致。陆态网络数据空间覆盖范围广、时间分辨率高,在研究中国地区磁暴期间的电离层变化特性方面具有优势。

岩石磁学方法在海洋样品研究中的多解性讨论

岩石磁学是研究自然以及人工合成磁性矿物性质变化的应用型学科.海底岩石和海洋沉积物等海洋样品中含有不同成因及来源的磁性矿物.这些磁性矿物蕴含了全球气候变化、微生物矿化、地球动力学演化等关键地质信息.岩石磁学可以快速解析这些海洋样品中磁性矿物种类、含量、磁畴等特征的变化,为提取相关地质演化信息提供丰富的指标记录.然而,由于磁性矿物循环和海洋内部过程的固有复杂性,岩石磁学参数解译在海洋样品研究中存在多解性,在一定程度上制约了相关地质信息的深入解读.解决这一问题的关键在于对样品中载磁矿物的准确识别和量化.为此,本文首先简述了海洋样品中主要的磁性矿物类型,随后系统论述了应用岩石磁学方法评估海洋样品磁性矿物种类、含量以及磁畴状态等方面的多解性和注意事项.本文同时对岩石磁学的局限性、新兴技术和未来研究思路进行了展望.

高温高压下上地幔岩石电导率实验研究

为了建立具有普遍适用性的上地幔电性结构,本文利用Kawai-1000t压机和Solartron IS-1260阻抗/增益-相位分析仪,在4.0~14.0 GPa、873~1673 K的条件下,采用交流阻抗谱法(频率范围10-1~106Hz)测量了不含水的地幔岩电导率.实验结果显示,岩石的电导率随温度升高而大幅度的增大;在较大的温度范围内岩石的导电机制发生了变化,中低温时为小极化子导电,此时激活焓为0.94 eV(±0.13)eV,激活体积为0.11(±0.92)cm 3·mol^-1,高温时为和镁空穴相关的离子导电,此时激活焓为1.6~3.17 eV,激活体积为6.75(±7.43)cm 3·mol^-1;本次测量的电导率比低压下岩石的电导率要高,比矿物的电导率也要高.用本次的实验结果回归计算得到Fennoscandian地区的上地幔的一维电导率剖面,发现200 km以上本次实验计算的结果和大地电磁测深的电导率剖面吻合的比较好,在200 km以下本次实验得到的要比野外测量的电导率稍稍高一点,可能是因为实验过程中没有完全避免水的影响.本次的实验结果比用有效均匀介质方法计算得到的pyrolite矿物模型的电导率要高出两个数量级,这样的结果显示只用一种矿物的电导率或是几种矿物理论计算的结果有一定的不合理性.

地球内部熔/流体的分子模拟:进展与展望

目前对超临界地质流体的形成条件、成分、结构和物理化学性质的认识还不是特别清晰,分子模拟作为一种方兴未艾的理论研究手段,正在被广泛应用于地球科学领域。本文简述了目前采用分子模拟研究硅酸盐熔体、含水硅酸盐熔体、富水流体以及超临界地质流体所取得的主要成果,侧重讨论分子模拟方法在其中的应用,为超临界地质流体的计算模拟研究提供帮助,并展望了超临界地质流体分子模拟可能遇到的挑战和发展趋势。已有研究结果表明,不同分子模拟方法各有优缺点,相对于精度较低的经典分子动力学方法而言,采用一般泛函的第一性原理方法加上色散校正之后,可以满足目前对超临界地质流体研究的精度需要。另外,机器学习和第一性原理方法结合,以及建立相关热力学模型将是推进与超临界地质流体相关研究的有效途径。

国家需求在行星科学一级学科建设中的导向作用

进入21世纪以来,深空探测成为一项重要国家战略,5次月球探测工程任务和首次火星探测工程任务均取得了成功.小行星采样返回、火星采样返回、木星探测、太阳系边际穿越、月球科研站等新的战略规划昭示了中华民族伟大复兴的雄心.毫无疑问,我国已成为一个快速崛起的深空探测大国.在此背景下,行星科学学科建设的滞后成为制约我国深空探测事业发展的一个显著瓶颈.行星科学具有鲜明的基础研究属性,又与深空探测相辅相成.因此,行星科学一级学科的建设方向应该是以国家战略需求为导向的基础研究,建设目标应当是“中国特色、中国风格、中国气派”的学科.

小行星探测历史及启示

自1989年美国Galileo探测器在探测木星的途中顺访了小行星951 Gaspra和243 Ida起,小行星探测已经逐渐成为各主要航天国家深空探测的重点目标之一.过去30年,小行星探测任务从飞掠探测到专访探测再到采样返回,探测类型愈加丰富,并逐步从单纯的科学探测发展到小行星防御与资源利用.中国预计在2025年发射天问二号,同时计划开展首次小行星防御任务.在此背景之下,本文详细分析了迄今为止小行星探测任务的历程、科学目标、科学载荷配置以及主要研究成果,并重点研究了日本Hayabusa和Hayabusa 2任务及美国OSIRISREx任务的样品储存管理、分配经验和返回样品实验室初步分析流程,以期对中国未来小行星探测任务的设计和实施提供参考.设计低成本、多频次采样返回任务;统筹任务规划,注重加强任务之间的配合;加强科学团队建设是更好地规划中国未来小行星探测任务的要点.

地磁场与气候相关性研究五十年

地磁场与气候相关性研究五十年,人们并没有完全理解地磁场变化如何调控气候,反而更深刻地意识到这个问题远比之前想象的要复杂.本文从不同的时空尺度梳理了过去五十年间对于地磁场与气候关联性的研究.研究表明,从万年尺度的地磁倒转、千年尺度的地磁漂移、到百年尺度的考古地磁急变,甚至年代际的地磁活动变化,各种尺度的地磁场变化与气候之间都存在显著的关联.然而,相关性并不代表因果性,地磁场影响气候变化的潜在机制仍然存在争论.宇宙射线生成云机制是目前最有潜力的地磁场调控气候的过程,它在不同的时间尺度上有效地发挥作用,但其确切的物理机制和相对重要性仍然是悬而未决的问题.本文提议,应当从日地多圈层耦合的角度去理解地磁场与气候的关联性,并重点关注区域气候系统对区域磁场变化的响应.从古到今、从点到面,最终形成关联地磁场与气候变化的全球图像.如今,可精细刻画南大西洋异常区(SAA)磁场变化的澳科一号的成功发射,百年尺度的西太平洋磁异常区(WPA)的首次发现以及古地磁/考古地磁和古气候数据重构的快速发展为地磁场与气候研究提供了新的历史机遇,地磁场变化对气候的影响研究将被推向新的高潮.

木星磁场研究:回顾与展望

不同行星的内部结构与内部动力学过程不同,因此有的行星有内禀磁场,有的则尚未发现内禀磁场.行星的内禀磁场或大气与太阳风相互作用会形成磁层或感应磁层.不同特征的磁场、大气、卫星会使行星周围形成不一样的空间环境,进而对行星的演化过程产生不同的影响.探测行星磁场对了解行星的内部结构与内部动力学过程、空间环境和演化过程都有重要意义,因此行星磁场往往是行星探测关注的主要物理量之一.在对木星磁场的探测中,人们发现木星有着太阳系行星中最大的磁矩和磁层,木星表面磁场图像显示出明显的南北差异性和磁异常区(大蓝斑)等非偶极化特征,木星与地球大相径庭的内部结构也使木星发电机的结构和机制显得复杂和难以确认.本文对木星磁场的研究历史进行了回顾,并且以Juno时代对木星磁场的研究为主介绍了现在对木星磁场的认知,同时对未来的木星磁场研究和探测进行了展望,建议在未来的木星探测中携带进入木星大气的探针,并在探针上装载探测磁场的载荷,从而实现首次对木星磁场的进入大气的实地探测.

南大西洋地磁异常区的长期变化研究进展

南大西洋地磁异常区(South Atlantic Anomaly,SAA)是如今地球磁场最显著的结构特征之一,区域内存在磁场强度弱、辐射高、高能粒子通量增加等特点,并且该区域在近百年来持续进行向西漂移和面积扩张.SAA的长期变化影响了近地空间环境,反映了地球深部动力学特征,是研究地球磁场发电机的重要窗口.近年来地磁场表现出偶极子能量不断减弱、非偶极子能量正在增加的趋势,SAA表现出比历史时期更迅速的变化速度,各向异性有所增加,并出现了次级异常中心,这些新的变化说明SAA的演化可能进入了新的时期,引发人们对SAA长期演化规律以及未来演化趋势的关注和探讨.本文将结合古地磁与现代地磁模型研究结果,对SAA在过去、现在、未来的演化特征的研究结果进行总结,并对SAA的成因进行综述分析.

透射电子显微镜技术新进展及其在地球和行星科学研究中的应用

近年来,各种微束分析技术的快速发展及其在地球和行星科学领域的广泛应用,极大地推动了纳米地球科学和行星科学的学科发展和科学研究.透射电子显微镜(简称透射电镜)因具有空间分辨率高和综合分析能力强等优点,在地球与行星物质的微纳尺度到原子水平的形貌、晶体结构、矿物相鉴定、化学成分、原子成像和微磁结构等研究中发挥着巨大作用.在简要回顾透射电镜的发展历程、物理结构和工作原理的基础上,结合本实验室过去几年的工作内容,重点介绍了透射电镜的基本功能、样品制备方法及其在地球和行星科学研究中的应用范例.通过与其他微束分析技术的简单对比,还初步分析了透射电镜在地球与行星科学研究领域的应用现状和未来趋势.

离子探针U-Pb体系研究识别阿波罗11号月壤及新发现

本文报道对中国科学院地质与地球物理研究所博物馆珍藏的一件阿波罗月壤样品(E21)进行的玄武岩岩屑定年工作。受限于岩屑大小,不能采用前人对阿波罗样品中大岩屑构建常规Pb-Pb等时线来定年的方法,我们采取了以单个含锆矿物(斜锆石、钙钛锆石和静海石)颗粒来限定玄武岩岩屑年龄的技术方案。首先通过μ-XRF的X射线的穿透性来遴选出具有含锆矿物的岩屑,再制作树脂样品靶后精细抛光,在扫描电镜下利用Zr元素的x-射线面分布图来定位暴露到表面的含锆矿物,再以离子探针3μm小束斑加Pb信号多接收的分析技术来获得Pb同位素组成以计算年龄。共识别出4个年龄组分的岩屑,分别为3570±14Ma、3700±8Ma、3850±5Ma和3900±12Ma。其中前三个年龄与前人报道的阿波罗11号月壤中玄武岩年龄分布一致,是判定该样品为阿波罗11号月壤样品的重要证据。~3900Ma岩屑为新发现组分,据长石成分An=93,辉石Mg^(#)~79判别为苏长岩。此外,根据主矿物Pb同位素分析,绝大多数玄武岩岩屑落在~3570Ma的Pb-Pb等时线上,指示该期次玄武岩为阿波罗11号采样区域最主要火山活动事件,这对于撞击坑统计定年曲线上的年龄选择给出了依据。

岁星四纪——回望木星大气探测50年

木星是太阳系中最大的行星,也是自转速度最快的行星.作为一颗气态巨行星,木星没有海陆分布、复杂地形等因素的影响,是研究大气动力学的天然试验场.木星的大气成分、大气环流、内部结构特征等都具有重要的科学意义.1973年12月4日,先驱者10号飞掠木星,实现了人类第一次木星大气近距离探测.如今木星探测已经积累了50余年的经验,发射了10次木星任务:7次飞掠任务、伽利略号与朱诺号两次环绕任务、正在飞行途中的木星冰卫星探测任务.本文简要回顾了这10次探测任务及其取得的科学成果,重点关注木星的大气成分、波动和急流、大红斑、极地涡旋等方面取得的进展,并指出一些尚未解决的科学难题.我国计划于2030年左右发射天问四号,对木星系进行探测.回顾过去的木星探测任务,对于天问四号如何合理设计科学载荷、制定科学目标等具有一定的借鉴意义.