地球的层圈结构与穿越层圈构造

从1906年发现地核到20世纪60年代,地球物理学、地质学和矿物物理学的研究揭示了地球具有物理化学性质截然不同的层圈结构,并根据全球地震波速度和密度的变化建立了初始参考地球模型。1967年提出的板块构造理论假定刚性的岩石圈板块在塑性的软流圈之上发生运动,在洋中脊不断形成的洋壳逐渐在海沟俯冲,由于板块是刚性的,变形将主要集中在板块边界。板块构造理论成功地解释了大洋岩石圈的形成和消亡、火山和地震活动带的分布以及全球构造格局,给地球科学带来了一场革命。但是,经典的板块构造理论尚未解决板块运动的起源和驱动力、大陆岩石圈的弥散性变形、大陆深俯冲等问题,因此大陆动力学成为对板块构造理论的重要补充。近年来的研究表明:在板块汇聚边界,大洋岩石圈可以俯冲至地幔过渡带、下地幔,乃至核幔边界;而大陆岩石圈可以俯冲至150~300 km深度,然后相对低密度的陆壳物质快速折返形成含柯石英和微粒金刚石的超高压变质带。地幔柱活动是是俯冲板块再循环的产物,不仅可以形成大火成岩省和洋岛玄武岩,还可以把俯冲到地幔过渡带的物质带回浅部,导致蛇绿岩中保留金刚石和深地幔矿物。因此,俯冲带和地幔柱不仅提供了穿越层圈的物质和能量交换的通道,也驱动了对地球宜居性至关重要的水循环和碳循环,是研究地球物质组成和动力学演化的重要窗口。

纳米地球化学刍析:起源、研究进展和发展方向

纳米地球化学是纳米科技与地球化学相结合的产物,旨在研究自然界普遍存在的纳米物质的成因、特殊性质以及对地球化学过程的影响。本文简要阐述了纳米地球化学的起源、相关研究进展,并为该学科未来的发展提出了设想和建议。

青藏高原地表位涡密度强迫对2008年1月中国南方降水过程的影响Ⅰ:资料分析

位涡外部源汇是驱动大气环流的原动力。文中详细介绍了地表位涡制造和位涡密度强迫的联系,讨论了不同坐标系中位涡密度方程的特点及其在应用中应当注意的问题。还以2008年初南方低温雨雪冰冻灾害为例,探讨了青藏高原地表位涡密度强迫及东传对下游地区对流性天气发生的影响,拟由此揭示青藏高原位涡密度强迫激发中国东部激烈天气发生的一种新机制。伴随着青藏高原地表正位涡密度的东传,下游地区对流层中高层出现纬向正绝对涡度平流,气旋性环流增强,从而促使低空南风发展,为南方地区提供充沛的水汽条件。另外,南风的增强有利于低空经向负绝对涡度平流的加强,从而使南方地区高、低空形成绝对涡度平流随高度增大的大尺度环流背景,有利于上升运动的发展。上升运动的加强又促进低空南风气流的增强,使高、低空绝对涡度平流随高度增大的环流背景进一步增强,最终导致降水的产生。

中国湖泊沉积物纹层年代学研究进展

晚第四纪尤其是全新世是地球气候系统演化的一个关键地质时期,是探究全球及区域重大气候环境事件,揭示其内在演化规律,预测未来气候变化的关键时段.国内外发表的文献中,主要的年代学方法有:AMS14C年代学、石笋U系测年和纹层年代学等.其中纹层年代学被认为是比较精确的定年方法.近年来,国内外学者在中国的一些湖泊中发现了年纹层沉积,例如龙岗火山区的小龙湾、四海龙湾及二龙湾玛珥湖,柴达木盆地的苏干湖,青藏高原东部的新路海以及可可西里地区的库赛湖.本文概述我国近年来湖泊纹层年代学研究进展,总结中国湖泊年纹层类型、特征及纹层年代学研究方法、误差估计等方面的进展,并提出未来年纹层研究应注意的问题,以期促进中国湖泊沉积物年纹层研究的进一步发展.

冀东曹庄群钙长石-钙榴石岩的年代学研究及其地质意义

位于华北克拉通的冀东曹庄群是中国最古老的变质火山-沉积岩系,由于后期多次强烈的岩浆-构造事件影响,使得曹庄群的原始产状和原岩特征被强烈改造,导致对曹庄群的认识不清。精细刻画后期地质事件、评估其对原岩改造程度,是解决争议的基础。前人报导曹庄群发育有钙长石-钙榴石岩。本工作继续对该岩性开展地质学、岩相学、地球化学和U-Pb年代学研究,查明斜长石中的钙长石端元比例≥90%、石榴子石属铁铝榴石(14~31)-钙铝榴石(23~47)-钙铁榴石(23~61)固溶体、绿帘石将石榴子石和斜长石两种矿物分隔而开。钙铝-钙铁榴石为均质、全消光、无成分环带、无异常光性特征,亏损轻稀土(LREEs)、富集中稀土(MREEs)、略亏损重稀土(HREEs)、具Eu的负异常,地球化学特征显示钙铝-钙铁榴石是在稳定、封闭,由一期/阶段热液流体,在W/R(水/岩)比值较低的情况下,通过扩散交代作用缓慢结晶而成,并非前人所认为的区域变质作用成因。利用钙质榴石的地球化学特征,进一步反演交代流体的物化性质为弱氧化、中性-弱碱性、富Ca^(2+)、富Cl^(-)、温度在250~500℃。通过钙铝-钙铁榴石原位LA-ICP-MS U-Pb年代学工作,得到不一致曲线的上交点年龄为2529±35Ma(MSWD=1.4,n=35),作为其形成年龄,并与共生热液锆石的SIMS U-Pb年龄在误差范围内一致,推测该期流体交代作用发生于~2530Ma,与研究区内新太古代末(~2.5Ga)经历的区域性麻粒岩相-角闪岩相变质作用时代相近。综合前人工作,初步推断此次交代作用对曹庄群部分岩石Sm-Nd体系的改造程度大于近同时发生的区域变质作用。

学习相位一致特征的无参考图像质量评价

为了有效地评价不同失真类型的图像质量,该文提出一种利用广义回归神经网络(GRNN)学习图像相位一致特征的无参考评价方法。该方法首先使用相位一致模型产生相位一致图像、相位一致协方差最大、最小图像,然后利用灰度-梯度共生矩阵模型计算该3幅图像的梯度熵、原始图像的梯度均值和梯度熵,再加上该3幅图像的均值,共8个特征输入GRNN模型训练学习,预测得到图像质量评价得分。实验结果表明新方法与主观得分有较好的一致性,同时具有可靠的推广性。

淮南煤田煤系泥页岩组成特征及吸附性能

通过泥页岩有机质和矿物的定性定量分析,研究淮南煤田煤系地层泥页岩组成特征及吸附性能.结果如下.1）研究区泥页岩TOC含量为0.13%~8.58%,平均含量为1.98%;有机质类型以Ⅲ型为主,少量Ⅱb型;Ro值为0.61%~1.48%,平均值0.93%;矿物主要为粘土矿物和石英,粘土矿物以高岭石和伊/蒙混层矿物为主.2）TOC含量增加,吸附量增大;Ro值增加,单位TOC的最大吸附量增加;粘土矿物吸附性与其类型有关系.3）脆性和脆-韧性变形的泥页岩等温吸附特征不同.

纳米地质学:地学领域革命性挑战

纳米科技是研究0.1~100nm粒级范围内物质特性的科学,纳米颗粒处于纳米尺度,具有表面与界面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应等特殊的物化性质。纳米科技涉及地球科学的诸多领域,并在矿物学、岩石学、地球化学、构造地质学、能源地质学和矿床学等领域取得了重要进展。本文在总结、归纳前人的研究并结合作者最新研究结果的基础上,进一步提出了纳米地质学的概念：以纳米科学与地球科学为依托,以纳米技术与地学研究方法为手段,以固体地球物质为研究对象,对各种地质体中已知或有待探知的纳米颗粒和纳米孔隙进行深入研究,从而揭示地质过程中纳米效应与地质现象的关系及其规律的科学;系统地分析了纳米科技与地质学结合产生的各分支学科：纳米矿物学、纳米岩石学、纳米地球化学、纳米构造地质学、纳米能源地质学、纳米矿床学、纳米地震地质学和纳米环境地质学等;全面阐述了纳米地质学及纳米成藏成矿领域重大和前沿科学问题,并探讨了其发展趋势,由此指出,纳米地质学的兴起和发展将必然带来地学领域革命性的挑战。

上扬子区古生界页岩的微观孔隙结构特征及其勘探启示

页岩的微观孔隙是评价页岩气资源潜力以及是否具有开采价值的重要指标。对上扬子区遵义、通江、广元等地下寒武统牛蹄塘组、下志留统龙马溪组和上二叠统大隆组的页岩进行采样，运用扫描电镜、氮气吸附和压汞实验对这些页岩的孔隙结构特征及其影响因素进行了研究。结果表明，大隆组页岩具有很低的比表面积和孔隙度，其中孔径小于100mm的孔对孔隙度的贡献率在10％左右，主要孔隙类型为草莓体黄铁矿晶间孔：龙马溪组和牛蹄塘组页岩则具有较高的比表面积和孔隙度，50％～80％以上的孔隙度来自小于100mm的贡献，主要孔隙类型是干酪根孔隙和溶蚀孔隙。认为页岩微观孔隙的发育与页岩的类型、溶蚀作用以及成熟度等因素有关。

北京房山张坊岩溶区节理发育特征及其对岩溶作用的影响

北京张坊岩溶区是北方岩溶的典型代表.通过野外地质调查、节理与岩溶特征观测、地表节理数据统计分析和应力解析,对节理发育特征、节理形成时期及节理对岩溶作用的影响进行研究,发现节理构造对本区岩溶发育具有重要影响:1)节理的延伸方向不仅影响溶洞的延伸方向,而且控制洞穴的平面形态;2)地表斜向节理利于溶蚀裂隙和溶蚀破碎带的发育,而地表层间节理则更利于中小型层间溶洞的发育;3)节理的疏密影响岩溶的发育程度;4)节理充填不易溶蚀物质时抑制了岩溶的发育,而节理充填软弱物质时则有利于岩溶的发育;5)早期形成的节理比晚期形成的节理更有利于岩溶洞穴的发育.

二龙湾玛珥湖年纹层湖泊沉积物元素的X射线荧光光谱分析

运用同步辐射X射线荧光光谱分析技术对二龙湾玛珥湖0-485 mm(AD1282-AD1988)区间年纹层沉积物进行了分析,获得了Ti、Mn、Br等6种高分辨率元素含量。并对元素进行了因子分析,提取出控制沉积物化学组成的三个主要因子:早期成岩因子F1、生物成因因子F2和流域侵蚀因子F3。进一步的研究还发现,F2和F3的因子得分分别可以作为气候冷暖和干湿变化的代用指标,从而为古气候古环境重建提供了一条有效的新途径。结合高分辨率纹层年代学结果,初步评价了过去700年来该区域气候及环境演化历史。小冰期在二龙湾地区结束于AD1890年,期间波动较大,但不是表现为持续冷气候,共经历了三次冷波动集中时期。进入AD1890年以来,该区整体上呈现温暖湿润气候,但具体表现为温度逐渐降低、降水量逐渐增加的趋势,直至AD1985年降水量回落,温度转而升高。这是20世纪气候变暖在该区域的反映。

底部滑脱层流变性和厚度变化对褶皱冲断带影响的数值模拟

滑脱层是影响褶皱冲断带的第一因素。为了探讨底部滑脱层流变性和厚度变化对褶皱冲断带的影响,本文通过二维有限差分软件FLAC开展了数值模拟研究。常见的泥岩滑脱层具摩擦性质,此类冲断带采用弹塑性模型;而盐岩滑脱层具蠕变性质,此类冲断带则采用黏弹塑性模型。结果表明,底部滑脱层流变性以及厚度对冲断带的变形影响很大。当滑脱层为泥岩时,发育典型的叠瓦状构造样式,变形序列为背驮式向前扩展的有序序列。而当滑脱层为盐岩时,发育背、向斜相间排列的侏罗山式构造样式,并以无序序列演化。底部滑脱层厚度的变化,对泥岩滑脱层的冲断带而言,主要改变其表面坡角,对构造样式和演化序列影响不大;但对盐岩滑脱层的冲断带影响很大,不管滑脱层最厚的地方分布在后陆还是前陆,变形都会最强烈,地表凸起最高。从后陆向前陆加厚的盐岩滑脱层结合由后陆向前陆略为减薄的上覆地层可产生罕见的后冲、后展式演化序列。这些变形的差异主要是由于盐岩比泥岩具有小得多的剪切强度所致。

实验室模拟研究大气二次有机气溶胶的形成

二次有机气溶胶(SOA)是大气中重要的气溶胶组分,主要由挥发性有机物(VOCs)经化学转化形成,对天气、气候、大气环境和人体健康有重要影响,但至今其确切的化学成分和形成机制还十分不清楚。研究SOA的方法主要采用实验室单个物种或多物种的化学过程的模拟研究,野外实际大气的SOA化学成分、源汇和多尺度分析的观测研究,以及大气中SOA形成的数值模拟的回报和预报研究。实验室研究是对SOA形成过程中获取基础数据和推究SOA生成机制的最主要手段。在过去的几十年中,特别是近五年,SOA的研究取得了较大的进展,其中包括SOA前体物、SOA形成机制及影响因子的进一步理解。本文就这些方面展开了概要性的综述,重点强调了我国研究人员所做的研究工作。在采用实验室烟雾箱系统模拟研究SOA方面,首先简述了烟雾系统的发展以及表征,讨论了跟烟雾箱箱体相关的壁效应问题,重点综述了萜烯类、芳香烃类、小分子类等化学物种转化形成SOA的研究进展。在采用流动管和其他反应器类模拟研究SOA方面,重点讨论了挥发性有机物在颗粒物表面或在液相中所形成的SOA的主要化学成分及其可能的作用。

基于实验数据的岩石变形过程中温度场演化的数值模拟

根据相关岩石力学实验数据,对岩石变形过程中温度场演化进行有限元数值模拟,探讨线弹性变形条件下,均匀岩石模型和含雁列构造岩石模型在加载情况下的弹性热效应.模拟结果与实验结果和经典热力学理论相当吻合,为进一步研究热红外异常与地震活动性之间的关联提供了理论依据.

森林土壤融化期异养呼吸和微生物碳变化特征

采用室内土柱培养的方法,研究在不同湿度(55%和80%WFPS,土壤充水孔隙度)和不同氮素供给(NH_4Cl和KNO_3,4.5 g N/m^2)条件下,外源碳添加(葡萄糖,6.4 g C/m^2)对温带成熟阔叶红松混交林和次生白桦林土壤融化过程微生物呼吸和微生物碳的激发效应。结果表明:在整个融化培养期间,次生白桦林土壤对照CO_2累积排放量显著高于阔叶红松混交林土壤。随着土壤湿度的增加,次生白桦林土壤对照CO_2累积排放量和微生物代谢熵(q_(CO_2))显著降低,而阔叶红松混交林土壤两者显著地增加(P<0.05)。两种林分土壤由葡萄糖(Glu)引起的CO_2累积排放量(9.61—13.49 g C/m^2)显著大于实验施加的葡萄糖含碳量(6.4g C/m^2),同时由Glu引起的土壤微生物碳增量为3.65—27.18 g C/m^2,而施加Glu对土壤DOC含量影响较小。因此,这种由施加Glu引起的额外碳释放可能来源于土壤固有有机碳分解。融化培养结束时,阔叶红松混交林土壤未施氮处理由Glu引起的CO_2累积排放量在两种湿度条件下均显著大于次生白桦林土壤(P<0.001);随着湿度的增加,两种林分土壤Glu引起的CO_2累积排放量显著增大(P<0.001)。单施KNO_3显著地增加两种湿度的次生白桦林土壤Glu引起的CO_2累积排放量(P<0.01)。单施KNO_3显著地增加了两种湿度次生白桦林土壤Glu引起的微生物碳(P<0.001),单施NH_4Cl显著地增加低湿度阔叶红松混交林土壤Glu引起的微生物碳(P<0.001)。结合前期报道的未冻结实验结果,发现冻结过程显著地影响外源Glu对温带森林土壤微生物呼吸和微生物碳的刺激效应(P<0.05),并且无论冻结与否,温带森林土壤微生物呼吸和微生物碳对外源Glu的响应均与植被类型、土壤湿度、外源氮供给及其形态存在显著的相关性。

大陆岩石圈的热-流变底边界——以Kaapvaal、Fennoscandia和Slave克拉通为例

板块构造理论的一个基本假设是相对刚性的岩石圈板块漂浮在相对软弱的软流圈之上作欧拉运动.岩石圈与软流圈间存在边界面称为岩石圈-软流圈边界（LAB）.提出一种半解析方法来确定大陆LAB：定义其为有效黏度取极小值所在的深度.该方法得到的LAB,综合考虑了大陆岩石圈地幔介质的热学和流变学性质,故称其为热-流变底部边界.对3个著名克拉通（Kaapvaal,Fennoscandia和Slave）的研究表明：3个克拉通的热-流变底部边界在~250km,与大地电磁测深等其他地球物理方法得到的结果一致.因为热-流变底部边界是从力学的角度来定义的,且提供了岩石圈板块浮于软流圈上运动的极大可能性,因而与板块构造理论的定义更为接近.在该边界及附近,主导的流变机制是湿橄榄石的扩散蠕变,有效黏度极小,差应力小,应变率相对较大.

矿物反应与变形关系研究——以糜棱岩高温高压实验为例

矿物反应和变形局部化在中下地壳普遍存在,两者相互影响和促进。实验研究表明,矿物反应与变形关系非常复杂。本文在糜棱岩高温高压流变实验的基础上,分析了实验变形样品中的矿物反应分布特征以及矿物反应引起的化学成分变化,讨论了矿物反应与变形的相互影响。微观结构分析表明,实验变形后的糜棱岩样品在温度800~890℃时,角闪石和黑云母出现脱水反应,生成微晶角闪石和黑云母,并伴有局部熔融。受应变局部化控制,脱水反应产物主要出现在黑云母、角闪石条带边缘。微晶和熔体的成分分析表明,不仅脱水反应形成的微晶与熔体的SiO 2含量非常低,而且黑云母周围的反应产物和熔体主要来自于黑云母的脱水,角闪石边缘的反应产物和熔体主要来自于角闪石脱水,石英、钾长石和斜长石没有参与反应与熔融。本研究中的脱水反应产物中,没有发现辉石和石榴石,这种脱水反应与文献中报道的无局部化的均匀样品在静高压和高熔融比例条件的脱水反应产物和熔体的成分有很大差别。黑云母和角闪石的局部化分布和脱水程度低,可能是造成脱水反应产物有差别的巨大原因。在本实验结果中,脱水反应对变形的影响主要体现为,脱水反应产生了细粒混合矿物相,使得在局部化的剪切带内变形机制从位错蠕变转变为扩散蠕变,导致样品出现应变弱化。另外脱水反应还引起了局部脆性破裂。变形引起晶体塑性变形,增加了位错密度和矿物细粒化,促进了晶体内部成核和黑云母与角闪石的脱水分解;差应力作用增加了局部的正应力和平均应力,增加了黑云母和角闪石能够稳定存在的压力范围,这可能是反应产物以微晶黑云母和角闪石为主,而没有转化为辉石的原因。

高温高压条件下角闪岩脆-塑性转化实验研究

在高温高压条件下开展了天然角闪岩样品的变形实验研究,并且利用偏光显微镜和扫描电镜对实验样品进行微观结构观察,研究了在不同的温压和应变速率条件下角闪石的变形机制。实验结果表明,随着温度升高,样品的应力-应变曲线由强化逐渐转化为屈服,并且出现弱化,样品强度显著降低,随着围压增加,样品强度增大,随着应变速率降低,样品强度降低,压缩方向与样品面理斜交的实验样品强度显著降低。实验变形样品在500℃时,角闪石表现为晶内破裂和碎裂变形,其变形以脆性为主导;在600℃时,样品中发育由角闪石残斑和碎裂基质构成的碎裂组构,部分角闪石晶体出现了波状消光,角闪石以碎裂变形为主,局部具有塑性变形的特征;在700℃时,样品以晶体扭折变形为主,局部出现脱水和细粒微晶,并且含有微破裂,显示了样品以晶体扭折变形为主,含有微破裂,样品变形处于脆-塑性转换域;在800℃时,样品中基本没有发现明显的脆性变形,样品以动态重结晶作用为主,角闪石出现脱水。因此,在实验温压范围内,在500℃→600℃→700℃→800℃条件下,角闪石变形机制表现为脆性破裂→碎裂流动→晶体扭折→动态重结晶和脱水作用,显示了角闪石经历了脆性—脆-塑转化—塑性变形的变形机制。

利用气象台站浅层地温资料计算地温梯度的讨论

对利用浅地表长时间气象地温序列分析提取稳态地温梯度信息的方法中可能存在的问题进行讨论,提出改进手段.因为与大地热流密度相联系的地温梯度一般在0.01-0.03℃/m左右,而过去气象地温观测一般仅读数到0.1℃,本文认为这样的读数精度很难满足大地热流密度测量的要求,但通过对长时间累积的观测资料进行统计分析等合理的数据处理方法有可能实现突破.本文也讨论了气候变暖趋势对浅表地温梯度的影响.百年尺度地表长期单调增温确实会引起浅表地温梯度的减小,使其偏离构造大地热流密度的地温梯度,但是在百年尺度增温1℃的情况下,计算出的地温梯度误差仍在可接受的范围内,且可以利用气象资料对地温梯度进行校正.利用新一代高精度数字气象地温资料进行大地热流反演是可行的方法,但需要从现在起进行长时间的资料积累.

先存组构对各向异性岩石流变强度的影响

地壳深部岩石普遍存在变形组构,花岗质岩石中的变形组构不仅影响岩石强度,而且对后期变形具有显著控制作用。近年来,先存组构对各向异性岩石的流变强度影响成为高温高压实验研究的热点之一。文中对前人给出的各向异性岩石(包括云母片岩-片麻岩、石英-钙长石均匀混合体与层状组构样品)半脆性-塑性流变实验数据进行了重新整理与分析,结合作者开展的不同组构条件下花岗片麻岩与糜棱岩流变实验结果,讨论了先存组构对各向异性岩石流变强度的影响。实验数据表明:1)各向异性岩石的面理与最大主应力方向的角度是影响强度的主要因素。在半脆性破裂域,样品压缩方向垂直于面理(PER)和平行于面理(PAR)的强度基本相同,在压缩方向与面理呈30°夹角时,岩石破裂强度最小;在塑性流变域,垂直于面理方向的强度显著高于平行于面理方向的强度,当面理与最大主应力方向的角度为45°时,岩石强度最小。2)后期变形对原有组构的继承与改造程度,决定了各向异性岩石强度高低。3)样品中矿物的含量、分布与粒度对各向异性岩石强度有显著影响。理论模型预测结果与云母片岩实验结果比较吻合,但其他类型各向异性岩石的流变比理论模型结果要复杂得多。因此,进一步开展具有先存组构的各向异性岩石的流变实验,并将实验变形与实际地质条件下更为复杂的岩石变形进行对比分析,是认识各向异性岩石流变和变形机制最有效的方法。