地球宜居性的深部驱动机制

除与太阳之间的距离和行星的大小有关外,地球之所以宜居的一个重要因素是其拥有动力十足的地球内部.与地球宜居性是地球表生作用结果的传统认识不同,本文认为地球深部驱动着对宜居环境至关重要的外部层圈,并提出地球内外层圈间的联动机制是地球系统科学研究的突破口.在调研和评述的基础上,本文建议未来研究需要关注早期地球、地磁场、深地挥发分循环、超级火山、深地新化学反应和地质空调器等方向,围绕地球宜居性的深部驱动机制这一主题,开展地球固体层圈与流体层圈的整合研究,助力我国地球科学研究从单一学科研究向多学科交叉融合研究的转变,推动我国固体地球科学从跟踪前沿向开拓前沿的跨越式发展.

当代地球科学和大地构造学研究发展的几点思考

面对行星地球自然演变和人类社会发展的重大需求,综合研判当代地球科学研究面临的严峻挑战与机遇,及其发展现状与动向势态,据此重点探讨并提出当代大地构造学研究发展新的战略方向、目标和前瞻基本基础科学问题,期望交流讨论,推动学科发展。

地球表层系统对深部圈层时空演变的影响

地球系统科学研究的一个关键点是地球深部与表层系统的联动.深部过程通过火山作用对表层系统产生的重要影响已经取得了许多重要进展,认识比较薄弱的方面是表层系统如何影响深部的结构、过程和演化.板块俯冲将大量沉积物带入地幔过渡带乃至核幔边界的D″层,可以导致地幔的不均一性.特别是,板块俯冲带入的水通过影响地幔物理性质而增强地幔的熔融和对流能力,进而又在一定程度上影响了地球深部的岩浆活动、变质作用,以及包括板块俯冲在内的构造运动.华北克拉通破坏及其相伴的岩石圈变化被认为是水通过板块俯冲而影响深部过程的一个体现.表层系统不仅影响了深部的结构和过程,而且还极大地影响了深部的地质演化.在前寒武纪,古元古代和新元古代两次雪球地球之后形成了巨量的洋底沉积物,这些沉积物进入俯冲带后提高了板块俯冲的润滑性及其速率,进而对该时期活跃的全球构造运动及超大陆形成产生一些影响.在显生宙,4.3亿年以来陆地植物的大发展和2亿年以来海洋三大浮游生物的大发展都通过改变沉积物成分而影响深部圈层物质的演化,分别导致碎屑锆石和金伯利岩在一些同位素组成上出现重大转变.这些极少量但非常重要的新认识对人们研究行星地球的运行机制及其地质演化至关重要.表层物质进入地幔关键带如何进行循环和演化,水等表层物质是否改变了深部圈层的演化方向及规模,这些都是亟待解决的重大科学难题.而要突破这些难题,需要建立有效的定性和定量化的示踪技术方法体系.

镁同位素示踪表生地质过程的原理及应用

镁(Mg)是流体活动性元素及生物必需元素,广泛参与地球表层圈层所涉及的物理、化学和生物过程。最近二十年发展起来的镁稳定同位素技术为研究表生地质过程中Mg的迁移转化过程,以及相应的生态环境效应提供了新的视野。利用镁同位素在全球物质迁移与循环过程中的同位素分馏效应来示踪表生地球化学过程,对于理解生物地球化学循环、全球碳循环和气候变化等具有重要的科学意义。本文系统介绍了镁同位素分析测试技术、表生地质过程镁同位素分馏机理、镁同位素示踪表生地质过程的研究进展及其存在的问题,并对其潜在的发展方向进行了展望,以期对镁同位素体系的未来研究提供借鉴。

金属稳定同位素示踪地球增氧事件

早期贫氧地球如何演化至现今富氧地球是理解地球宜居性形成与演化的关键,但重建地质历史时期地球大气与海洋氧含量仍是地球科学领域的重大挑战.金属稳定同位素的高精度测试分析为示踪地球大气与海洋氧化历史提供了新的研究手段.以Mo、U、Tl、Cr四种氧化还原敏感金属稳定同位素体系为例,详细介绍了氧化还原敏感金属稳定同位素地球化学行为及分馏机理.在此基础上,系统回顾了金属稳定同位素在研究产氧光合作用的起源、大氧化事件(Great Oxidation Event,GOE)、中元古代大气和海洋氧化还原状态、新元古代氧化事件(NOE)等重大科学问题中的研究进展.金属稳定同位素在重建地球表层圈层氧化过程具有广阔的应用前景,对认识地球宜居性的演化历史以及探索其未来发展趋势具有深远意义.

沉积岩汞同位素的古环境指示意义

环境与生命的协同演化是地球科学的核心问题之一,而古环境的精确重建对于认识生命演化规律、机制以及预测地球宜居性的未来发展方向具有至关重要的意义.近年来,沉积岩中的汞及其同位素组成在重建地球古环境演化方面展现出巨大的潜力,获得了广泛的关注和应用,已发展成一个新的研究方向.其主要原因是汞及其同位素组成在记录古代火山活动和海洋氧化还原状态方面具有不可替代的优势,能为研究上述过程与重大环境和生命演化事件的关系提供新的证据.本文系统分析了古代沉积岩的汞同位素数据及其意义,总结了大型火山活动和海洋氧化还原状态改变引起汞同位素变化的特征与机制,深入探讨了火山类型及释放汞的方式、大气和海洋汞循环过程、沉积环境、岩性、成岩作用、汞赋存形态等因素对沉积岩汞同位素组成的影响,并对该领域当前存在的问题和发展前景作出了评述和展望.总体而言,这一研究领域仍处于起步阶段,对古环境演化事件中汞同位素组成的变化规律和分馏机理还缺乏系统和定量的认识,亟须深入研究.未来需要揭示古环境汞循环过程中的同位素分馏机理,进一步明确汞同位素指示古环境演化的原理和影响因素,拓展其在环境和生命协同演化领域的应用.

显生宙古海洋环境和气候波动与特提斯演化

气候和环境是影响生物演化和人类生存发展最为关键的自然因素,恢复古海洋环境条件和古气候演变历史并揭示其内在驱动机制是研究地质历史时期地球宜居性的重要内容.本文系统整理了重建古温度、古海洋氧化还原条件和酸碱度的地质记录指标和定量模拟结果,建立了长时间尺度下古气候-古环境的演变规律:古生代早期大气氧含量低、古海洋广泛缺氧;泥盆纪的温室气候和石炭纪-二叠纪冰期是古生代中期最为主要的古气候特征,古海洋氧化程度和碱度都较高;在冰期消解之后,古生代晚期较高pCO_(2)为主导的温室气候基本上贯穿了整个中生代,期间发生了多次极端高温和缺氧硫化事件;一直到新生代中晚期,温室气候向冰期气候转变,各种环境和气候条件逐渐演变到现代水平.综合现有数据和规律后发现,特提斯的主要演化阶段与古气候及古环境变化密切相关:(1)原特提斯演化阶段全球古高程较低,大气氧含量处于较低水平,该时期的构造活动导致明显的海侵-海退旋回,但对古气候及古环境影响可能较弱;(2)古特提斯演化阶段伴随着潘基亚超大陆(也被译为盘古大陆)的形成,该时期造山活动剧烈,全球大陆面积和海拔增加,导致风化作用加强、生产力升高,进而驱动大气pCO_(2)下降、氧气含量上升,促进了晚古生代冰期的形成,海洋开始富氧;(3)新特提斯阶段伴随着潘基亚超大陆裂解,大陆海拔下降,风化作用减弱,导致中生代较高的大气pCO_(2)水平和温室气候,海洋缺氧事件频发;(4)在新特提斯洋闭合与阿尔卑斯-喜马拉雅山脉形成时,全球大陆平均海拔上升,风化固碳作用增强,大气pCO_(2)下降,东亚季风和北大西洋深水层驱动模式建立,促使晚新生代冰期启动.现有的长时间尺度古气候与古海洋环境演变模式显示,造山运动通过改变海陆格局和大陆高度影响风化作用强弱来影响大气pCO_(2),可能是显生宙长时间尺度下,大地构造控制古气候和古海洋环境条件变化的主要机制.特提斯区域是构造运动、火山活动、重大环境和生物事件的交汇场,其演化贯穿整个显生宙,因而特提斯演化的气候和环境效应与生物响应研究是未来地球科学发展的一个重要方向,可以为揭示地球宜居性的演变过程提供重要信息.