甲烷团簇同位素研究进展及其在表层地球系统碳循环研究中的应用

团簇同位素是当今地球化学研究的前沿领域。有关团簇同位素技术原理、指示意义、模型校正等方面研究已取得初步成果,而在表层地球系统研究领域以及地理、环境和生态等领域的综合应用研究工作亟待加强。在表层地球系统中,碳循环过程涉及广泛且影响深远,而甲烷(CH_(4))作为碳循环中关键环节的重要物质组成,揭示其来源及地球化学过程具有重大意义。甲烷团簇同位素技术的引入将为开展相关研究提供有效工具,该技术在揭示时间-空间不同尺度碳循环研究等领域具有广阔的应用前景。本文综述了团簇同位素的理论基础、测试分析现状及国内外主要研究成果。重点讨论了CH_(4)团簇同位素研究现状、理论模型和同位素不平衡的影响因素,并论述了团簇同位素在天然气、大气和水体CH_(4)成因和转化的应用典型案例。最后提出对开展不同实验室间测试结果对比、测定自然丰度下环境样品、探索准平衡过程的展望,以期对未来应用甲烷及其他物质,如二氧化碳的团簇同位素开展表层地球系统碳循环研究起到一定的借鉴作用。

人类世生物地球化学循环及其科学

地球已进入新的地质时代——“人类世”,人类已成为全球变化的主要驱动力。人类活动导致的地球生态系统的生物地球化学过程及关键生源要素的生物地球化学循环的改变直接或间接地影响着地球生态系统的关键功能,给人类福祉和可持续发展带来诸多威胁。本文基于地球系统科学研究的新进展,综述了人类世全球变化特征、生物地球化学循环在地球系统各圈层演化中的作用及其变化规律。特别关注了自然资源开发利用、生产和消费模式改变等人类活动对生物地球化学循环的影响,以及由此产生的气候、生态和环境效应。研究表明,应对人类世全球变化需要系统理解人类活动作为主要驱动力的多要素和多尺度生物地球化学循环过程及其生态和环境效应,基于地球系统科学的理论与方法开展针对人类世社会-生态系统的自然科学和社会科学的交叉融合研究。在文末提出了人类世生物地球化学研究的优先领域和方向,并强调解决受人类活动和气候变化高度影响下人类世生物地球化学循环的各种复杂科学问题的迫切性和重要性。

柴北缘超高压地体折返过程中地壳深熔的岩石学研究

宏观、微观岩石学、地球化学和年代学研究表明,柴北缘锡铁山和绿梁山单元富含斜长石的浅色体和富含钾长石的浅色体是超高压地体折返过程中榴辉岩和片麻岩部分熔融的产物。阴极发光图像显示富含斜长石的浅色体中锆石具有明显的核-边双层结构,锆石核部无明显分带特征,并呈现出重稀土平坦和无Eu异常的稀土配分模式,~450Ma的年龄结果与区域上榴辉岩峰期变质时代一致;发光较弱的锆石边部具不明显的环带结构和较低的Th/U比值,~426Ma年龄结果代表了熔体的结晶时代。富含钾长石的浅色体中的锆石U-Pb定年结果记录的~910Ma、~450Ma和~426Ma三组年龄分别代表了片麻岩原岩结晶时代、高压-超高压变质作用时代和熔体结晶时代。富含斜长石的浅色体具有高SiO2、Al2O3、CaO、Na2O、Sr和LREE,而低MgO、FeOT、K2O、Y、Yb和HREE的英云闪长岩-奥长花岗岩的地球化学特征;而富含钾长石的浅色体具有高的SiO2、Al2O3和K2O+Na2O,而较低的CaO、MgO、REE的花岗岩地球化学特征。黝帘石和少量的多硅白云母的脱水分解是触发超高压榴辉岩发生部分熔融形成富含斜长石的浅色体的主要机制;而多硅白云母的脱水分解则是触发超高压片麻岩部分熔融形成富含钾长石浅色体的主要机制。这些浅色体显著的促进了柴北缘超高压地体的快速折返,并对大陆俯冲隧道中的元素迁移和壳-幔作用具有重要的影响。

珊瑚礁生态系统中的汞循环研究进展

珊瑚礁生态系统具有丰富的生物多样性、极高的初级生产力、快速的物质循环等特点,被称为“海洋中的热带雨林”,在维系全球生态环境方面发挥重要作用。由于绝大部分珊瑚礁位于近海,有害金属元素如汞能够通过各种渠道进入珊瑚礁生长水域,在珊瑚礁生物中富集并经过食物链放大,对珊瑚礁生态系统造成潜在危害。本文简单介绍了珊瑚礁系统的基本概念、组成和生态功能,并汇总了目前报道的珊瑚礁生态系统中海水、沉积物、食物网、珊瑚中的汞的含量与形态。总体上,珊瑚礁生态系统中的汞研究极其有限,目前对该重要系统中的汞循环并不清楚。未来可结合稳定汞同位素方法对珊瑚礁生态系统汞的来源、迁移与转化进行示踪,认清珊瑚礁的汞汇通量,发展珊瑚骨骼对生长水域汞污染的监测技术和理论。

海洋大气气溶胶中生物标志物研究进展

海洋气溶胶是海洋大气的重要组成部分,直接或间接影响地球系统的能量收支及气候变化。生物标志物如脂类、糖类、木质素类以及蛋白类化合物等,可用来识别海洋气溶胶的来源和提供重要的生物地球化学信息。然而,海洋气溶胶中单个有机物种的浓度很低,其检测和表征具有一定的挑战性。本文综述了海洋气溶胶中生物标志物的最新研究进展,包括检测方法、分子组成、来源和影响因素等。高分辨率色谱和质谱联用法广泛应用于海洋气溶胶中生物标志物测量,其他一些新兴的方法也被开发应用。海洋气溶胶中的脂类和糖类化合物的浓度呈现近岸高、远洋低的变化趋势,其浓度和组成随气象条件和排放源种类和强度变化呈现显著的季节特征,表明受到陆地长距离传输的影响。然而,更多研究强调了蛋白质和氨基酸的海洋生物来源,海洋排放的氨基酸在亚微米颗粒物上大量富集;蛋白质在长距离传输过程中由于光化学反应而降解。木质素也已被证明在远洋气溶胶中占比较高。此外,本文也指出了加强生物标志物在陆-海-气界面循环研究的必要性。

基于频域电磁法反演喀斯特表层土-岩结构研究

喀斯特地区浅表层土壤分布极不均匀,探测土-岩界面和土壤分布对区域水文以及生态环境研究具有重要意义。文章基于麦克斯韦方程组构建了频域电磁法(FDEM)探测的电导率(EC)一维反演模型,实现了喀斯特浅表剖面EC可视化表述。根据设定的理想地层EC数据以及南方喀斯特峰丛洼地两个剖面和出露的三个实测剖面的FDEM实测视电导率,结合高密度电法、剖面实测土-岩界面,检验了反演模型可靠性。结果表明:FDEM法反演结果能较好的描述理想地层EC变化,以及土壤与灰岩、白云岩界面EC分布,进而可辨识土壤厚度分布,但基于反演的EC值判别尺度较小的溶沟(槽)以及泥岩区土-岩界面误差较大。

真菌促进硅酸盐矿物风化的速率、机制以及地质、地球化学效应

真菌分布广泛,从地球表层到深达1.4 km的陆壳都可以找到它们的存在。根据它们的生态习性和营养方式,真菌可分为腐生、共生和寄生真菌。菌丝是真菌的基本结构单位。真菌的菌丝通过其顶端延长的生长方式和强大的代谢能力,在硅酸盐矿物的风化过程中发挥独特的作用,尤其是对含有营养元素的硅酸盐矿物。这一过程调控着成壤、成矿,以及元素的生物地球化学循环等重要地质与地球化学过程。但是,真菌在硅酸盐自然风化过程中发挥的作用一直没有受到足够的重视。本文首先梳理了真菌的生长方式,旨在阐明其促进硅酸盐矿物风化的速率、机制以及对硅酸盐矿物自然风化的贡献。通过文献回顾并结合全球变化的背景,本文提出了未来相关工作重点攻关方向;(1)进一步限定真菌在自然环境中对硅酸盐矿物风化的贡献;(2)阐明真菌促进的硅酸盐矿物风化与地质、地球化学过程的偶联;(3)应用功能真菌提高陆地增强硅酸盐风化(enhanced silicate weathering)的碳去除效率。这些研究将深化对真菌在地表关键过程中扮演角色的认识,为地球系统模型(GEOCARB、COPSE和SCION)提供重要信息,提高不同圈层相互作用预测的准确性,并为增强硅酸盐风化实现高效固碳提供新途径和科学依据。

表层岩溶带土岩结构对降雨-径流响应特征的影响

碳酸盐岩在溶蚀作用下形成的表层岩溶带,其上层土壤特性和厚度以及下覆裂隙大小和分布控制降雨入渗、蒸散发和地下径流过程。而不同土岩结构对水文过程的影响尚不明晰。文章构建3种典型土岩结构(薄层石灰土-石灰岩块型、薄层石灰土-白云岩碎石型、厚层土壤-石灰岩碎石型)土柱试验装置并进行观测,通过对比分析,揭示不同土岩结构的产流能力和径流响应特征的差异。结果表明:土岩结构对水平衡有显著影响。厚层土壤(85 cm)极大增加了蒸发量,其产流能力较小,表现为形成地下径流所需的降雨阈值大和形成的径流总量小。相比之下,薄层土壤(20 cm)具有较大的产流能力。当薄层土壤下覆为白云岩碎石时,相比于下覆为石灰岩岩块,碎石表面滞留水分能力较强,导致蒸发损失增加和径流量减少。此外,土岩结构还显著影响降雨-径流响应特征:对于厚层土壤,其对径流的调蓄能力强,洪峰流量显著减小,初始径流和洪峰流量的响应时间延长,但这种延长的幅度随着降雨事件的雨量和强度的增加而减小;对于薄层土壤,其对径流的调蓄能力较弱,其中对于下覆石灰岩岩块结构,裂隙率低、导水性强,在小降雨下容易入渗并形成较大的洪峰;而下覆白云岩碎石结构储水能力较大,在大降雨下,有利于入渗水积蓄,从而形成较大的洪峰。

西秦岭天水地区志留纪利桥花岗岩的岩石成因——来自地球化学和锆石U-Pb年代学与Hf同位素的约束

花岗岩在探讨大陆地壳生长与演化、造山带的形成及地球动力学演化等方面具有重要的意义。西秦岭天水地区利桥花岗岩主要由斜长石、石英、钾长石和黑云母等矿物组成,锆石U-Pb年代学表明岩体结晶年龄为439±3 Ma。利桥花岗岩具有高硅、富碱的特征,其铝饱和指数A/CNK值介于1.01~1.16之间,属于弱过铝质高钾钙碱性-钙碱性花岗岩。利桥花岗岩富集K、Ba等大离子亲石元素和La、Ce等轻稀土元素,亏损Nb、Ta和Ti等高场强元素,显示具有俯冲带岛弧岩浆岩的地球化学特征。利桥花岗岩具有较低的Mg#值(25~41),且La/Yb-La、La/Sm-La图解显示该花岗岩在形成明显与部分熔融作用相关,此外岩体中的镁铁质微粒包体和正的锆石εHf(t)值,表明这些花岗岩在形成过程中有幔源物质的贡献。结合区域地质背景,我们认为利桥花岗岩是弧-陆碰撞前俯冲洋壳中先存的基性岩或新生地壳发生部分熔融所致,当然也不排除其为大陆边缘弧增厚下地壳部分熔融的产物。

海河平原典型区表层土壤有机碳库变化及影响因素——以天津市津南区为例

为探究海河平原典型区表层土壤有机碳库的变化及其主要影响因素,本研究基于1980年和2016年两期土壤调查数据,采用地统计学方法分析了天津市津南区土壤有机碳密度(SOCD)及土壤有机碳库的变化,运用线性回归和随机森林模型分析了土壤有机碳(SOC)主要影响因素。结果显示:津南区表层土壤有机碳库2016年储量为1.14×10^(6)t,比1980年增加了6.61×10^(4)t;SOCD与成土母质关系密切,不同时期SOCD都表现出冲积物>冲积-海积物>湖沼积物这一规律;两期SOCD高值区分布基本一致,主要分布在津南区西北部及中部咸水沽镇附近,1980—2016年SOCD变化有“北减南增”的趋势;有机碳变化(∆SOC)受土壤理化性质及土地利用变更(LUC)共同影响,其中土壤全氮含量变化(∆TN)、碳氮比(C/N)变化、氮磷比(N/P)变化与∆SOC呈极显著正相关(P<0.01),土壤有机碳初始值(ISOC)、CaO含量、pH变化(∆pH)与∆SOC呈显著负相关(P<0.05)。研究表明,土壤有机碳库在农用地向城镇用地转换时表现为“碳源”,而农用地性质不变时表现为“碳汇”,∆TN、C/N变化、N/P变化和LUC在SOC动态变化中起重要作用。

非化学专业涉化研究生实验安全教育模式探索与实践

相比于化学专业,非化学专业的涉化研究生往往存在化学基础薄弱,安全意识不强,涉化操作技能不足和相关突发事件应急处置能力不足等问题。因此,探索并实施针对该类学生的系统性实验安全教育模式对于保障实验工作的安全开展具有重要意义。该文结合天津大学地球系统科学学院实际,积极探索创新,构建并实施一套包括入学培训、阶段培训和巡查监督的实验安全教育模式。利用过程性评价和结果性评价对实验安全教育模式实际运行效果进行评估。结果表明,该模式可有效提高非化学专业涉化研究生安全意识、安全知识储备和紧急避险能力,保障学院实验室安全、高效地运行。

海洋汞同位素的研究范式及最新进展

汞(Hg)是一种具有生物毒性且能够全球传输的重金属元素,在海洋环境中易转化为神经毒素甲基汞并沿食物网进行富集和放大,危害生态系统和人类健康。准确约束海洋汞的来源、迁移与转化是理解海洋汞循环的关键,对更新现有海洋汞循环模型和制定相关环境政策具有重要价值。近十多年发展起来的汞稳定同位素技术为研究环境中的汞循环以及生态环境效应开辟了新视野。汞同位素独特的“三维”分馏模式,特别是非质量分馏(MIF),为研究海洋汞循环带来了科学范式的改变,取得了一系列重要发现。本文从海洋汞的来源以及甲基汞的生成、迁移与转化两大方面的应用系统阐述了近十多年来汞同位素体系在示踪海洋汞循环方面的主要进展,重点剖析了汞同位素在远洋大气汞沉降途径以及甲基汞循环方面的应用等近期研究热点。未来需结合更精细的汞同位素测试手段以及汞同位素分馏控制实验进一步明确海洋汞同位素分馏的主要控制因素,拓展汞同位素的应用空间。

土柱实验在土壤重金属污染研究中的应用进展与展望

近年来土壤重金属污染状况不容乐观,重金属在土壤中的吸附、迁移和转化等行为显著影响着土壤重金属污染的生态环境效应,成为学者研究热点。土柱实验能够较好地模拟污染物进入土壤中的迁移转化过程,在土壤重金属污染机制、土壤和地下水环境风险评估以及土壤重金属污染的修复等方面均已得到广泛应用。但由于研究中淋滤环境、土壤性质及重金属性质等实验条件的不同,土柱实验并没有一套通用流程,需要研究者自主设计土柱结构,并制定合理的实验方案。本文回顾了近年来土柱实验在重金属污染研究方面的应用进展,总结了在设计土柱实验时供水、渗流及接收等各环节需要注意的问题,并对土柱实验在土壤重金属污染研究方面的应用前景进行了展望,为复杂条件土壤重金属污染研究提供新的研究思路和方法。

中国南方河道型水库CO_2释放研究

人工水库的温室气体释放是全球变化研究的重要热点问题。目前针对不同类型水库的相关研究仍然缺乏足够的案例。为认识河道型水库水气界面CO_2释放特征,于2014—2015年在江西省万安水库开展了季节性观测。采用HydroC^(TM)/CO_2在线系统测定万安水库不同区域水体中pCO_2,同时测定了相关水质及气象参数。结果表明,受水体滞留时间较短的影响,万安水库水体没有明显的季节性热分层和化学分层现象。但相比于空间异质性,该水库水质参数的季节性差异更为明显;水气界面的CO_2交换通量春季均值为46.00mmol·m^(-2)·d^(-1),夏季均值为44.58mmol·m^(-2)·d^(-1),秋季均值为57.63mmol·m^(-2)·d^(-1),冬季整体最低,均值为17.09mmol·m^(-2)·d^(-1)。综合相关研究,提出了水库CO_2释放的滞留时间模式。

蒙脱石黏土矿物环境材料构建的研究进展

蒙脱石是一种黏土矿物,具有纳微米级粒径、大比表面积、特殊的纳米层间域、层间离子可交换性等物化性质,且分布广泛、储量丰富、价格低廉,可作为一种良好的环境材料用于对污水中各类污染物的吸附去除。蒙脱石对重金属、放射性核素,以及磷酸根等离子有较好的吸附能力。由于其表面极强的亲水性,蒙脱石矿物对弱极性和非极性有机污染物的吸附性能较差,限制了其应用范围。大量研究者选取适当的表面活性剂、硅烷偶联剂,通过插层、嫁接及柱撑等表面改性和结构改型处理,不仅大大提高其对无机离子的吸附能力,还可将蒙脱石亲水性表面变为疏水亲油表面,改变其表面张力与接触角,极大提升其对有机污染物的吸附性能。目前,对蒙脱石黏土矿物表面反应性的研究(包括黏土矿物的表面改性、层间域改造)已引起广泛关注,研究者通过不断寻求新技术、新方法,以扩展蒙脱石环境材料应用的广度和深度。利用离子交换、插层、柱撑、层间聚合等各种处理方法,把其他离子或化合物引入蒙脱石层间域,对其进行结构与表面性质的调控,使其表-界面物理化学性质发生相应的变化,制得具有不同功能性质的新型材料,可作为污染物的吸附剂、催化剂、混凝剂等广泛应用于环境污染修复领域。本文综述了近年来一些主要的蒙脱石矿物环境材料的构建方法及进展,探讨其微观结构对吸附性能的影响,阐述黏土矿物结构与吸附性能之间的构效关系,为开发新型高效环保的黏土矿物环境材料提供借鉴。

课程思政在地理专业实践教学中的探索与运用——以天津大学地理科学为例

加强课程思政建设是高校落实立德树人根本任务的重要举措。在地理科学专业实践教学中强化“课程思政”,不仅能够有效解决地理科学专业“培养什么人和为谁培养人”的问题,而且能够让学生在实践中增长智慧,在艰苦奋斗中锤炼意志品质。文章通过优化完善课程思政体系整体设计,深入挖掘地理专业实践教学中的思政元素资源,并结合天津大学地理科学专业进行实际案例分析,力求探索提高地理专业实践教学课程思政建设成效的有效途径。

连续加载应力下真实裂缝流场和渗透率演化规律数值研究

采用数值随机生成的裂缝研究有效应力作用下裂缝导流能力变化忽视了真实裂缝开度非均质性的影响。研究采用巴西劈裂法对不同种类岩石造缝获取真实裂缝样品,使用三维光学扫描仪提取真实裂缝形貌特征及裂缝开度信息,建立接触力学模型和单相渗流模型,开展了有效应力连续加载下的裂缝流场和渗透率演化行为数值研究,并分析了传统的经验公式对真实裂缝案例的适应性。结果表明:①巴西劈裂的25 mm×50 mm真实裂缝在原始开度、表面粗糙度等微观结构上具有非均质性强特征,与直接通过数值生成的达到平均化尺度的裂缝存在明显不同;②由于非均质性的影响,不同岩石裂缝在有效应力加载过程中的裂缝开度、接触面积和空间相关长度在x方向和y方向上的演化行为有显著区别,且对渗透率变化的控制机理不同;③采用传统的经验公式拟合裂缝应力敏感渗透率演化时,拟合程度随着裂缝样品的非均质性增加而出现偏差增大。研究认为,传统经验公式在研究达到平均化尺度的裂缝时具有较好的应用基础,但针对非均质性强或整体未能满足平均化裂缝的应用受限。

古地震学:活动断裂强震复发规律的研究

古地震学是活动构造学、地震地质学和构造地貌学相结合的一个分支学科,它以野外工作为基础,以史前地震的发生位置、时间及震级为研究目标,其核心是古地震事件变形的地层和地貌证据。古地震学通过运用沉积地层学、地貌学和构造地质学等研究中常用的方法和手段来识别第四纪沉积中保存的史前强震的证据并对其进行准确年代测定,弥补了历史地震和仪器记录短而大地震原地复发间隔长的局限,获得活动断裂上多次强震的时空重复特征,为评估未来地震发生概率提供基础数据。本文对古地震学的历史、研究前沿和发展趋势进行综述。首先介绍了古地震学的定义、世界和中国古地震研究的发展历史和古地震研究中的基本研究方法,重点对古地震研究的最新进展和前沿领域,如古地震探槽方法的更新、古地震事件识别证据的分级和不确定性量化评估、古地震数据对地震复发间隔和同震位移的重复规律等理论认识的贡献以及基于震害效应的古地震研究等方面的重要研究成果进行了回顾,最后对古地震研究的未来发展趋势进行了展望,认为未来古地震研究中应加强地震事件识别证据的不确定性量化方法应用,在新的测年方法上开展探索,尝试和完善虚拟现实场景下的古地震研究。在中国,尤其像华北这样历史地震文献资料较为丰富的地区,历史地震震害记录与古地震探槽开挖的结合可以拓展震例研究的丰富程度,拓宽研究思路和方法,促进对难点地区活动断裂的古地震和区域地震危险性评价工作。

中国地质源温室气体释放近十年研究概述

地质源温室气体是指固体地球通过各种地质作用向大气圈释放的温室气体,是固体地球与大气之间物质交换(地气交换)的重要形式,主要包括火山喷发和地热活动、断裂带构造运动、油气渗漏、天然气水合物分解、煤自燃、碳酸盐岩风化等多种地质作用过程所释放的二氧化碳、甲烷等气体。实际上,地气交换是重要的地质作用,是地球各圈层物质循环和能量交换的基本载体和重要动力学机制。全球气候变化和温室效应是人类面临的巨大挑战,地质源温室气体的类型与来源、释放机理与过程、释放通量与大气温室效应等的调查和研究已成为当今地球系统科学的研究热点和发展方向之一,对于应对全球变化和温室效应具有重要的科学意义。中国科学家积极参与和适时开展地质源温室气体调查研究,对中国大陆部分火山和地热区、地震断裂带、含油气区和泥火山等释放的温室气体进行了初步观测与调查,在地质源温室气体的地球化学组成、释放通量等方面取得了一些成果,这些工作为进一步的深入研究奠定了良好基础。

加速器质谱14C分析石墨制备技术研究进展

加速器质谱(AMS)是进行14C同位素分析的主要技术手段,而高精度低本底加速器质谱14C分析主要受样品制备技术限制,因此探讨如何提高石墨制备的稳定性和控制碳污染降低本底将有助于产出高质量14C分析数据,突破14C测年上限(约5.0万年),进一步拓宽14C年代学和同位素示踪的应用范畴。本文详细阐述了催化还原法(H2/Fe法、Zn/Fe法和Zn-TiH2/Fe法)制备石墨样品的真空装置和主要工作原理,指出了微量样品石墨制备过程中同位素分馏、石墨产率、束流强度以及精密度与样品量之间存在严重的依赖关系及其抑制方法。着重探讨了石墨制备技术实验条件(还原剂、催化剂、温度等)的优化选择及其与石墨产率、同位素分馏、束流性能之间的内在联系,总结分析了碳污染来源并探寻合适的碳污染控制技术。目前的研究表明最佳实验条件为:H2/Fe法宜采用还原剂H2/CO2(体积比2~2.5),催化剂为源自氢还原单质铁粉(-325目球粒,Fe/C=2~5),温度500~550℃;Zn/Fe法宜采用还原剂Zn/C(质量比50~80),催化剂为源自氢还原单质铁粉(-325目球粒,Fe/C=2~5),Zn反应管温度400~450℃,Fe反应管温度500~550℃。碳污染来源于制备过程中的各个方面,除采用高温除碳的方式外还可采用适当的数学模型加以校正,但还需要更多详细的实验工作来加强现有认识,以期更好地消除碳污染对测试结果的影响。对测年目标组分不稳定的样品(如地下水中的溶解无机碳)应避免样品直接暴露于大气,以减少野外采样过程中现代大气CO2对测量结果的影响。