1．2～0．6 MaBP青藏高原的隆升与东亚地表各圈层的相互作用

结合近年来黄土、河流阶地、冰冻圈、沙漠、植被等地表各个圈层在1．2—0．6．MaBP青藏高原构造隆升期间环境变化的最新研究成果,综合论述了在此期间青藏高原的隆升对地表其他各个圈层的影响．研究表明:1．2-0．6 MaBP期间,青藏高原的隆升对东亚地表环境产生了重大影响,中国内陆主要沙漠(主要是西部沙区的沙漠)在这一时期形成并极端扩张;黄土在祁连山、昆仑山、天山等高山山前和西秦岭等地开始大范围地堆积;以昆仑山和念青唐古拉山为代表的西部高山开始了冰冻圈的发育,各地植被变化都不同程度地反映了环境的逐步干旱化．结合这些研究,提出了1．2-0．6 MaBP期间东亚地表圈层间相互作用的简单模式,并探讨了青藏高原隆升与地表圈层变化之间的内在耦合．

地球圈层相互作用中的深海过程和深海记录(I):研究进展与成果

由五大系统11个实验室组成的项目组,2000—2005年开展了以“地球圈层相互作用”为主题的深海基础研究。项目以“热带碳循环”作为核心问题,依靠国际大洋钻探和国内“大洋专项”两大支柱,对西太平洋暖池和南海等海区进行深海过程和深海记录的研究,已圆满完成计划任务。一方面在南海大洋钻探的基础上,围绕热带海洋在地球系统中的作用向纵深发展,在“热带碳循环”研究中取得了原创性的成果;另一方面依托国内大洋专项和国内外合作航次,在深海研究和圈层相互作用上朝横向发展,取得了一系列国际性成果,在我国形成了与国际接轨的深海研究力量。对该项目的设计和进展做了简单而又全面的阐述,对于古环境研究中取得的突破性进展将另有续篇介绍。

地球的多圈层相互作用

地球科学的发展已逐渐进入对地球进行多圈层相互作用研究的新阶段。如大气中温室气体浓度剧变的天然原因何在 ;海水缺氧、厄尔尼诺和成烃极盛期由什么引起 ;什么因素导致生物的俱生与俱灭等人类社会和地学发展所需解决的一些难题 ,只有开展地球多圈层相互作用研究才能深入解决。在白垩纪中期发生了一系列相互关联的地学现象 ,可以作为研究地球多圈层相互作用和地球系统科学的切入口。

秦岭:地球多圈层相互作用的热点

在总结造山带多圈层相互作用的基础上,选择4个有关秦岭多圈层相互作用例子:秦岭与新生代隆升与气候效应;秦岭与生物天然营养库;秦岭与碳中和的基地;秦岭与早期人类和中华文明的摇篮,进行讨论,从不同侧面展现多圈层作用的特征,并探讨其效应。研究发现,无论是造山过程或者造山作用结束形成地理意义上的山脉,秦岭始终都是大陆多圈层相互作用的竞技场和热点,而且造山作用结束后,多圈层作用正是在前期造山过程提供的物质和形成的构造基础上展开的。研究认为,围绕秦岭展开构造环境生命相关联的宜居地球成因研究前景广阔。

青藏高原多圈层相互作用观测工程及其应用

青藏高原作为地球的第三极,是"水—冰—气—生"多圈层体现最全,且相互作用最强烈的地区。高原强大的动力和热力作用显著地影响着东亚气候格局、亚洲季风进程和北半球大气环流。全球气候变化不仅影响到青藏高原本身的水圈与冰冻圈过程,改变青藏高原内部的生态系统与环境,影响该地区社会经济发展与人民生存条件,而且通过大气环流与水循环过程直接影响到东亚及周边国家的用水安全和自然灾害防护。正确认识青藏高原复杂地表多圈层相互作用规律的一条有效途径是在各种不同的下垫面上建立多圈层相互作用综合观测站(点)。在中国科学院和国家相关部门的支持下,过去的7年中,中国科学院青藏高原研究所与其他相关单位一道正在整个青藏高原面上逐步建立"青藏高原观测研究平台"以研究该地区复杂地表的多圈层相互作用规律。首先具体介绍中国科学院青藏高原研究所在高原上已经建立的5个综合观测研究站,然后介绍利用各个站点观测资料分析得到的多圈层相互作用(主要是地气相互作用)的研究结果,最后提出了青藏高原多圈层相互作用观测试验研究所面临的难题和可能的解决办法。

动态岩浆系统与圈层相互作用

岩浆岩的成因研究在新时期需面向系统地球科学做些转变。单一的封闭体系下岩浆岩成因研究无法协调当前最新的高精度定年结果,也无法满足新形势下对地球系统科学和圈层相互作用深度研究的需求。岩浆系统的动态演变过程是当前岩浆岩研究的薄弱环节,也是恢复和构建岩浆系统、探索地壳结构与组成、进一步深入了解地球圈层相互作用机制等的重要内容。将岩石类型的定性描述纳入整个岩浆系统的研究中,将原位微区的时间-成分-温压分析与岩相学、全岩成分分析和实验模拟进行有机相结合,是未来研究圈层相互作用下的动态岩浆系统过程、不同批次熔体复杂相互作用、熔体成分演化,以及岩浆系统环境效应的有效途径。

地球系统演化对中国海相超深层油气形成与富集的控制作用

以四川盆地和塔里木盆地古生界为例,详细论述了地球系统演化和多圈层相互作用对中国海相超深层油气形成与富集的控制作用。通过探讨超大陆散聚和区域构造运动控制下的盆地“源-储-盖”叠置发育和匹配程度,以及温压系统和断裂输导体系控制的油气生成和富集机制,发现华南和塔里木陆块同步漂移过程中,两次经过低纬度哈德里环流带的热带辐合区(ITCZ),均形成了优质烃源岩;提出深部构造活动和地表气候演变共同控制了四川盆地和塔里木盆地超深层烃源岩、储层和盖层的类型和发育层位,形成了埃迪卡拉系—寒武系、寒武系—奥陶系、寒武系—二叠系和二叠系—三叠系的多个油气系统。源-储-盖匹配程度、烃源岩母质类型、盆地深部热体制和跨构造期埋深-隆升过程,联合控制油气从生成到富集的全过程,形成了台缘带近源充注成藏、高能滩远源断裂连通成藏、走滑破裂带立体成藏3种油气富集模式,最终促使四川盆地超深层多层系天然气富集和塔里木盆地超深层油气共富集。

地球圈层之间相互作用对白垩纪大洋缺氧与富氧过程的制约

白垩纪诸多地质事件中,以黑色页岩为特征的大洋缺氧事件和以红层为特征的大洋富氧环境尤其引人关注。本文探讨了白垩纪大洋从缺氧到富氧转化的过程与机制,认为上述沉积事件是地球圈层之间相互作用的结果。白垩纪岩石圈剧烈的岩浆活动,是缺氧、富氧事件发生的源动力,水圈、大气圈、生物圈的共同作用是沉积事件发生的结果。具体过程为:白垩纪大规模的火山喷发,改变了海陆面积的对比,并引起地球内部大量热能释放和大气中CO_2气体浓度的升高,最终导致大气温度的升高。海水温度的升高和CO_2浓度的增加导致海洋环境中溶解O_2的降低,缺氧事件随之而产生。同时,海底岩浆喷发在海底产生大量的富含铁元素的基性和超基性岩石,通过海底风化和热液活动,铁元素从岩石圈进入水圈。海水中的铁元素是海洋浮游植物宝贵的营养盐类,其含量的增加可激发浮游植物的大规模繁盛,而这一生命过程可以吸收海水中大量的CO_2,并且产生等量的O_2。随着海水中O_2浓度的不断升高,以富含Fe3+的红色沉积物为特征的海洋富氧环境出现。藏南和深海钻探、大洋钻探典型剖面的数据证实大洋缺氧和富氧发生的韵律性,即缺氧事件之后往往伴随富氧环境的出现。研究认为,白垩纪大洋缺氧和富氧事件是同一原因导致的不同结果,地球圈层相互作用是其根本制约因素。由岩浆活动引起的缺氧事件和同样由其造成的富氧环境,其机制存在明显的差异,前者以物理、化学过程为主,后者除此之外还演绎了更为复杂的生物-海洋地球化学过程。

圈层相互作用案例分析——桂林“山水”成因的教学过程设计

一、情景导入古往今来“桂林山水甲天下”不知唤起了多少人对桂林山水的神往，那么桂林山水到底是怎样的神奇和美妙呢？下面就请同学们随老师一起来游览一下桂林山水（播放一段有关桂林山水的视频资料）。“这里是人间天堂，我下次还会再来!”那么大自然的鬼斧神工究竟是如何造化出如此神奇的山山水水呢？（从而把学生带人优美的意境中，引入课题，出示目标）。

简论人类圈(Anthroposphere)在地球系统中的作用

工业革命后,人类活动影响地球环境达到了空前的程度。近年提出的人类世(anthropocene)概念就是为表征地球系统演变进入了这一特殊的新纪元。然而,人类活动并非单向地影响自然,它在改变自然环境的同时,环境变化也影响着人类行为,迫使人类去适应自然变化,改变生存方式。为更深入地表征人类活动与地球环境相互作用的这种特征,作者讨论了在地球系统模式里引入"人类圈(anthroposphere)"的必要性以及由此带来的新的科学挑战,并提出了构建包含人类圈的地球系统模式的一些思路。

试论地貌圈概念、属性及其与其它地表圈层关系

地貌圈作为地表圈层中的一个与人类生存、发展直接发生关系的圈层。它具有三维形态、物质结构及其运动与演化的四大属性,并在全球充分连续的基本圈层。主要以亚洲与邻区海陆地貌为例,通过地貌圈大中地貌以内动力为主而微地貌以外动力为主的成因概念及其形态、物质、运动与演化四大属性的基本事实,论证地貌圈存在的客观性及其在全球的连续性。论文在探讨地貌圈运动特征时,首次用岩石圈构造分层的现代概念,解析了现代板块边缘及其毗邻广大地区GPS所测试的地壳运动速度,普遍慢于以热点为参考架而确定的板块运动速度。最后,论文以地貌圈与其它地表圈层互相关系的简表,及其与内外环境圈的物质流与能量流等示意图,来呼吁加强地貌圈的基础与应用研究,这对推动地球科学及其与人类生存和可持续发展具有重要意义。

任意圈层径向非均质土中桩的纵向振动特性

研究三维轴对称条件下径向非均质土中桩的纵向振动.首先将桩周土体沿径向分为任意圈层来考虑土体的径向非均质性,每个圈层土体均质;然后结合边界条件和相邻圈层土体之间接触面上位移和应力连续条件,对任意圈层土体动力平衡方程由外而内逐层求解,进而利用桩-土完全耦合条件求解桩动力平衡方程,得到桩顶的频域响应解析解和时域响应半解析解;最后通过对土体主要控制参数的研究,得出了土体径向非均匀性对桩-土动力响应的影响.

大陆碰撞成矿作用:深部动力学机制与成矿

大陆碰撞成矿研究是当今地球科学的重大前沿,但是碰撞带深部动力学机制与成矿之间的联系还不够紧密。目前主要的几种碰撞动力学机制包括大陆俯冲及俯冲相关的陆壳撕裂与回撤、大洋板片断离、上覆岩石圈去根,如对流减薄、拆沉等;而碰撞成矿系统还可以进一步概括总结为岩浆热液成矿系统、变质流体成矿系统和盆地流体成矿系统三类。在此基础上,通过地幔上涌、地壳缩短和地表隆升等各种壳幔响应,将深部动力学与成矿作用进行了成因关联。研究揭示,成矿是地球圈层相互作用导致金属元素循环富集的过程。研究指出,从地球系统科学的角度来研究大陆碰撞成矿作用,有望将矿床学研究提高到新层次,还有望实现“碰撞加工厂”的找矿理想。

东南亚多岛海构造体系圈层相互作用与油气富集机理

50Ma以来全球持续降温,但东南亚多岛海构造体系域依然保持了较高的气候温度,形成并保存极其丰富的新生界油气资源.本研究从地球系统视角出发,通过分析东南亚新生代构造活动、气候环境演变和油气富集特点,获得以下新认识:(1)大洋板块俯冲和上覆大陆岩石圈伸展导致东南亚发生广泛火山喷发、形成裂谷盆地和浅海陆架,造成深部构造活动与浅部山、盆、海之间复杂的相互作用;(2)微陆块在赤道低纬度区的聚合与长期滞留促使信风偏转为季风,改变了洋流通道和流量,深刻影响了东南亚乃至全球的降雨和温度变化;(3)东南亚多岛海构造体系和高温多雨气候环境促进了热带雨林、红树林、浮游藻类等繁盛,为油气资源形成提供了丰富的有机质;(4)裂谷盆地演化与海侵-海退事件的耦合导致多类型油气系统源-储-盖有效叠置,有机质快速深埋和高大地热流促进油气大量生成和规模聚集;(5)多板块俯冲汇聚所造成的圈层相互作用是导致东南亚新生界油气资源异常富集的主导因素,这一认识对发展地球系统控制下的油气富集理论具有重要意义.未来研究重点应关注澳大利亚与巽他陆块碰撞和高温多雨气候环境的油气资源效应,大力发展海上富含CO_(2)油气田的经济开发与CO_(2)封存技术,以期在东南亚的盆地深层、海域深水和非常规油气三大领域继续取得重大油气勘探发现.

多圈层作用驱动北海盆地油气形成与富集

北海盆地是欧洲最重要的油气产区,也是众多经典油气地质理论的发源地.本文从地球多圈层相互作用的视角,论述了深部动力驱动的陆块碰撞造山、地幔柱隆升和板内变形联合控制的北海盆地“裂谷-前陆-裂谷”演化过程;发现北海盆地自石炭纪以来持续北向漂移,在经过低纬度哈德里环流带和中纬度费雷尔环流带时,分别形成了上石炭统威斯特伐利亚阶煤和含煤页岩、上侏罗统钦莫利组海相页岩两套主要烃源岩.提出深部过程、构造和海侵-气候演变共同控制了北海盆地不同地区烃源岩的性质、储层和盖层的类型及层位,在盆地南部主要形成了海陆过渡相煤系烃源岩-沙漠湖相风成砂岩储层-蒸发岩盖层的石炭系-下三叠统富气系统,在盆地北部则主要形成了海相地堑型烃源岩-三角洲相砂岩和海相灰岩储层-海相致密泥灰岩及泥页岩盖层的上三叠统-古近系富油系统;盆地后期构造埋深和隆升进一步控制了油气的生成和富集过程,最终形成了盆地北部富油和南部富气的差异分布格局.未来亟待从地球多圈层作用的视角,重新认识大型成熟探区(如北海等超级油气盆地)和低勘探程度区(如鄂霍茨克海域、北极地区)的油气形成富集机制,为全球油气资源增储提供新的理论支撑.石油工业人工智能的发展应关注北海盆地积累的海量勘探与地质数据,通过数字地质创新,实现油气和伴生资源(如氦、氢等)的“碳中和”式综合利用,为全球油气勘探开发提供新范例.

沉积盆地波动过程分析:研究现状与展望

沉积盆地的波状运动是板块内部地壳运动的主要表现形式,沉积盆地的形成演化是地球系统中各种波动过程相互叠加的结果。盆地波动过程分析从沉积速率时间序列中分解出有周期规律的波动曲线,获得盆地演化历史的新认识,主要包括控制盆地演化的波动周期与成藏旋回、盆地地壳升降运动与油气生成及热演化的关系、不整合面的时空分布与剥蚀量恢复、多尺度波动叠加控制下的地层格架时空分布与生储盖层配置关系、隆拗变迁规律与油气藏保存的关系等。盆地波动过程分析技术将成盆、成烃和成藏的研究思路与地壳的波动过程有机融合,可以定量描述油气成藏动态演化过程,对油气勘探实践具有指导作用。沉积盆地波动过程研究未来应着重开展超长天文周期与地球深部动力学旋回驱动的盆地波动机制研究,加强地质证据与数值模拟技术融合,完善盆地波动过程分析方法,推进盆地波动理论成果转化以全面理解圈层相互作用与资源环境效应。充分发挥盆地波动分析技术对油气藏分布规律的预测功能,为油气资源远景评价与勘探提供科学依据。

地球物质的人为转移与地球物理环境

通过分析航天活动向外层空间迁移物质形成的地球转动惯量改变,重叠1998年以来,从高纬度向赤道方向上,巨大物质发生再分布构成的地球转动惯量改变,和它们致使地球自转速率的变慢,重合地球自转运动的规律性变慢,以叠加的效果影响地球物理环境;以及与地壳差速旋转的巨大地核,及覆盖地表的水,包裹地球的大气层,在地壳转速变化时,完成其相互间角动量交换存在的时间滞后性,将会在一些瞬时段突出物质转移对地球物理环境的作用影响.讨论航天发射从地球迁移到外层空间的物质,正将形成一定规模的物质群而改变地球系统的空间结构,且现时,太空武器化竞争已剑拔弩张,其一旦加剧了航天活动构成外层空间新物质体系圈层的发展,其过程对地球物理环境的影响,合并地球自身多重因素的作用,可能会增大突破维持稳定自然环境的某些临界条件的几率和增大突发事件发生频率.

洋底动力学--从洋脊增生系统到俯冲消减系统

目的建立洋底动力学。方法对相关国际前缘研究成果进行综合研究。结果洋底动力学旨在研究洋底固态圈层的结构构造、物质组成和时空演化规律,研究洋底固态圈层与其他相关圈层,如软流圈、水圈、大气圈和生物圈之间相互作用和耦合机理,以及由此产生的资源、灾害和环境效应。结论洋底动力学以传统地质学理论和板块构造理论为基础,在地球系统科学思想的指导下,以海洋科学、海洋地质、海洋地球化学与海洋地球物理、数值模拟等高新探测和处理技术为依托,侧重研究洋脊增生系统、深海盆地系统和俯冲消减系统的动力学过程,以及不同圈层界面和圈层之间的物质和能量交换、传输、转变、循环等相互作用的过程,为探索海底起源和演化、保障人类开发海底资源等各种海洋活动、维护海洋权益和保护海洋环境服务的学科。

南极地区与全球变化集成研究展望

全球变化是21世纪人类发展面临着的重大课题。近20年来的南极研究为全球变化科学的形成和发展做出了重要贡献,许多证据表明南极地区是全球变化的最敏感指示器之一。南极地区的全球变化集成研究是目前极地科学和全球变化科学研究的重要方向。21世纪,围绕全球变化,国际上对南极地区的研究正朝向具有时间和空间尺度,具有生物、海洋、大气、岩石的圈层作用、星球之间的相互影响以及人类干扰因素等集成的关键过程研究。可以预测,对南极地区的多界面、大尺度、多学科的综合集成研究,将极大地丰富和提高人们对全球气候和环境变化的了解和预测能力。中国也将在国际南极地区与全球变化集成研究中作出自己的努力。

浅谈固体地球科学与地球系统科学

地球科学在20世纪的诸多进展中,对后来科学发展具有深远影响的基本认识之一是地球演化的行为具有整体性,其不同的圈层确实通过多种途径相互作用,且人类活动已成为地球演化的重要营力之一。这些认识导致地球系统科学思想的产生和发展,并使不同圈层相互作用的过程和机理、人与环境的相互作用研究成为21世纪基础科学研究的前沿。地球系统科学强调地球不同圈层、不同单元相互作用的整体性和关联性,因而科学研究必须从"整体地球系统"的视野出发,但研究过程又必须从关键区域入手。我国是地球系统科学研究的关键地区之一,未来研究应立足地域优势和特色,攻克全球性重大科学问题,解决社会对地球科学的知识需求。