探索空间奥秘,开启科研之旅——2022年空间科学与技术专业实践教育后记

空间科学与技术专业实践教育对于本科生空间物理学习具有重要意义.近年来,中国科学技术大学地球和空间科学学院空间科学与技术专业基于国家大型空间环境地基综合监测系统——子午工程的链条观测优势,开展全方位、多角度的本科生暑期专业实践教育.在实践教育中,老师们生动详实地为同学们讲解实习的各项内容,带领同学们学习观测数据的处理与分析,并且参观子午工程台站;同学们使用多种观测设备,学习了光学、无线电和磁场等不同探测技术,了解了不同探测仪器的探测原理,掌握了科研软件的使用方法,并可视化分析空间天气事件期间近地空间环境的变化特征.最后,同学们还进行了实践教育总结汇报.通过参加空间科学与技术专业实践教育,同学们真正接触科研工作,成功地克服了初次尝试科研时的“忐忑不安”,不仅提升了自主学习、小组分工合作等实践能力和科学素养,而且开阔了眼界,为更深入地了解空间物理学打下基础.

国家自然科学基金大气科学学科二级申请代码下设研究方向与关键词解读:D0509大气观测、遥感和探测技术与方法

为顺应新一轮科技发展革命,国家自然科学基金委员会积极开展了以“优化学科布局”为主要任务之一的改革工作,学科申请代码的调整是该任务的重要组成部分和切入点。从2019年到2022年,国家自然科学基金委大气科学学科对二级申请代码进行了调整,将与大气探测相关的研究归并至“D0509大气观测、遥感和探测技术与方法”,并将其定义为“支撑技术”板块,以区别于“分支学科”和“发展领域”。本文对D0509二级代码的修订过程进行了介绍,并从大气观测、遥感和探测技术与方法的重要性、内涵与外延、发展趋势等视角,对相关的研究方向和关键词进行了解读。特别是从学科基础层面和具体应用层面两个维度,对D0509下设的六大研究方向,以及各方向的关键词进行分析,有助于申请人和评审专家根据自己的学术背景准确挑选关键词,以利于申请书的精准评审。本文可以为科研人员在基金申请过程中关键词的选择提供参考。

中国大陆科学钻探工程主孔(734～933m)榴辉岩和片麻岩元素及Sr-Nd同位素地球化学研究

对中国大陆科学钻探工程主孔两段榴辉岩与片麻岩互层的岩芯样品(Ⅰ:734.21-737.16m和Ⅱ:929.67-932.86m)分别进行了主要元素和微量元素以及Sr-Nd同位素分析。结果表明:(1)榴辉岩具有较大的成分变化范围(SiO2含量为46.8%-59.8%),表现出平坦或轻稀土(LREE)富集的分布模式和大离子亲石元素(LILE)富集或亏损以及Nb、Ta负异常特征。部分榴辉岩样品具有明显低的活动性元素(Rb、Ba和K)含量,指示了板块俯冲过程中的脱水变质效应;(2)两段岩芯中的片麻岩具有明显不同的主量和微量元素组成,其中第Ⅰ段具有相对较低的SiO2含量(61.3%～66.2%)和高的重稀土(HREE)含量,而第Ⅱ段具有明显偏高的SiO2含量(73.8%～74.1%)和低的HREE含量。但两段均表现出LREE富集和Eu负异常以及LILE富集和高场强元素(Nb、Ta、Ti)负异常特征;(3)榴辉岩和第Ⅰ段岩芯中的片麻岩具有相近的且偏高的εNd(750Ma)值(-3.6-+0.5),而第Ⅱ段岩芯中的片麻岩具有明显偏低的εNd(750Ma)值(-8.7)。部分片麻岩样品表现出较高的87Sr/86Sr比值(0.7070)和非常低的Rb/Sr比值(0.008),指示岩石Rb-Sr同位素体系受到了变质扰动。非活动性元素如Zr、Hf、Nb、Ta、Ti、Y、REE和Ti在脱水变质过程中没有受到明显扰动,因此可用于恢复榴辉岩和片麻岩的原岩性质及其形成的大地构造背景。根据分析样品的元素和Nd同位素特点,推测榴辉岩原岩具有板内玄武岩性质,第Ⅰ段岩芯中的片麻岩原岩为玄武质岩浆上升过程中同化地壳物质形成的中性岩,而第Ⅱ段岩芯中的片麻岩原岩为地壳物质重熔形成的酸性岩。因此,深钻榴辉岩和片麻岩原岩为新元古代华南陆块北缘裂谷构造带双峰式岩浆活动的产物,在岩浆侵位过程中经历了高温大气降水热液蚀变。

中国大陆科学钻探工程主孔734～933m岩芯矿物的氧同位素和羟基含量研究

中国大陆科学钻探工程(CCSD)主孔位于苏鲁超高压变质带南部的东海县毛北村。本文主要研究深度分别为734.21m～737.16m(Ⅰ)和929.67m～932.86m(Ⅱ)两段榴辉岩与片麻岩互层的主孔岩芯,利用激光氟化法和Fourier变换红外光谱技术分别进行矿物的氧同位素组成和结构羟基含量分析。氧同位素分析表明,两段岩芯的榴辉岩中石榴石的δ^(18)O分别为+1.0‰～+3.8‰和-4.1‰～-3.3‰,两段岩芯的片麻岩中石榴石的δ^(18)O均低达-4‰,表明片麻岩和榴辉岩的原岩均在经历超高压变质作用之前一同遭受过古大气降水的高温热液蚀变作用。在第Ⅰ段岩芯的榴辉岩和片麻岩接触界线附近发现氧同位素交换前锋,指示板块折返过程中靠近片麻岩的榴辉岩与主要来自片麻岩的退变质流体发生流体-岩石交换,且其退变质程度主要受流体的迁移距离控制。红外光谱分析研究表明,所有石榴石都含有以OH形式存在的结构水,其含量的变化范围很大,为50～776ppm;绿辉石中OH含量范围为321～636ppm;石英中含有以3596cm^(-1)为特征峰的结构水,但是含量很少。将剖面氧同位素和结构羟基含量的分析结果相结合,我们发现石榴石和绿辉石等矿物的氧同位素组成随着深度的变化与对应矿物的OH含量具有一定的相关性。这证明板块折返过程中的高压退变质作用及其伴生的局部流体活动可能是造成超高压变质矿物之间氧同位素不平衡的主要原因,并且氧同位素不平衡的程度主要受退变质作用发生时的局部水/岩比控制。因此,在深俯冲板块折返过程中,名义上无水矿物中结构水的出溶可以是退变质流体的重要来源。

大陆碰撞和超高压变质的化学地球动力学：来自中国大陆科学钻探的结果

利用中国大陆科学钻探工程连续取样的优势,对主孔200～4000m超高压变质岩进行了系统的地球化学研究,结果对大陆俯冲带变质的化学地球动力学提供了新的制约。目前取得的主要成果如下:(1)建立了200～4000m深度的超高压矿物氧同位素变化剖面,发现^(18)O亏损深度达3300m。结合大别-苏鲁造山带地表露头岩石达30000km^2的^(18)O亏损,表明扬子陆块北缘曾发生三维空间巨量物质(～100000km^3)的^(18)O亏损;(2)钻孔超高压变质岩的原岩形成于新元古代中期(～780Ma),属于双重双峰式岩浆活动的产物;原岩既有中元古代晚期新生地壳,也有古元古代中期古老地壳。这种双重双峰式岩浆活动出现在弧-陆碰撞带基础上发育的裂谷构造带,是对Rodinia超大陆开始裂解的响应;(3)高压榴辉岩相重结晶作用发生在216±3Ma,高压榴辉岩相重结晶作用持续的时间为1.9～9.3Myr或更短;(4)不同岩性接触带的矿物O同位素、H同位素、全水含量以及羟基含量的研究表明,退变质流体在同位素组成上是内部缓冲的,且退变质流体主要来自于名义上无水矿物中结构羟基和分子水的出溶。定量计算表明,这些出溶的结构羟基和分子水能为角闪岩相退变质作用提供足够的流体来源;(5)在不同岩性接触带,稳定同位素、水含量及岩相学上出现同步变化,表明不同岩性接触带可能是流体活动最剧烈的地方。对于远离榴辉岩-片麻岩接触带的榴辉岩,退变质流体主要来自榴辉岩内部名义上无水矿物中结构羟基和分子水的出溶。对于靠近接触带的榴辉岩,则可能主要受来自比榴辉岩更富水的片麻岩中矿物的脱水作用。根据相邻样品之间的距离、岩相学和δ^(18)O值,可以确定出不同岩性和相同岩性之间氧同位素不均一性的尺度为20到50cm,对应于大陆碰撞过程中流体活动的最大尺度;(6)对两个连续岩芯段的主量和微量元素剖面研究表明,在大陆俯冲带变质过程中,大离子亲石元素(LILE)和轻稀土(LREE)具有较高的活动性,而高场强元素(HFSE)和重稀土(HREE)是不活动的。这些元素的活动可能是由折返过程中大陆地壳的部分熔融导致的,因此指示了超临界流体的出现。折返过程中大陆地壳的这种部分熔融作用导致了不同板片组分之间的质量迁移,但是这种有效的迁移只发生在很小的尺度范围内,在岩相学接触带和裂隙带的局部开放系统中。

中国实验地球科学研究进展与展望(2011-2020)

过去十年,我国的实验地球科学快速发展,已成为国际高温高压实验领域的一支重要研究力量。代表性研究进展主要体现在地球深部重要挥发分的赋存与效应、成矿过程和机制、壳幔物质的物理化学性质和相互作用等方面。本文综述了实验地球科学2011-2020年间取得的主要研究进展和平台与技术建设情况,并展望了该领域未来的发展方向。

空间天气研究的主要科学问题

空间天气指太阳、行星际空间和地球空间(地球磁层、电离层和热层)的状态及其变化,它能够影响到天基和地基技术系统的运行和可靠性,危及人类的生存.空间天气计划包括观测和资料分析,研究和数值建模,预报和服务.本文评述了空间天气研究的主要科学问题.

中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置

中国首次火星探测任务将于2020年实施,科学目标和有效载荷配置是工程任务的重要顶层设计之一。简要回顾了国外已实施火星探测任务的主要科学目标,介绍了我国首次火星探测任务科学目标、有效载荷配置,分析了科学目标的创新性和特色。

国家自然科学基金大气科学学科二级申请代码下设研究方向与关键词解读:D0505大气物理学

根据新时代科学基金改革要求,2020年国家自然科学基金委员会调整了大气科学学科申请代码,D0505大气物理学是分支学科板块中的二级申请代码之一。本文介绍了D0505大气物理学二级申请代码的总体框架和下设的边界层大气物理学与大气湍流、云降水物理学、气溶胶物理及气溶胶—云相互作用、大气光学与大气辐射、大气电学与大气声学和中高层大气物理学等6个研究方向及其关键词,指出D0505与其他相关二级申请代码的异同,并统计分析了近5年(2017~2021年)科睿唯安Web of Science数据库上不同方向关键词对应的文献发表情况,探讨了不同研究方向的发展态势。通过系统梳理研究方向及关键词,有助于科研人员在项目申请过程中准确的选择申请代码、研究方向和关键词,提升智能辅助指派效率。

中国科大蒙城流星雷达观测中间层-低热层大气风场和潮汐研究

中国科学技术大学蒙城流星雷达(33.4°N,116.5°E)自2014年4月运行以来,已经持续观测超过了8 a。本文报道了该流星雷达8 a的水平风场和大气潮汐波动观测结果。另外,给出了该流星雷达观测和Navy Global Environmental Model-High Altitude(NAVGEM-HA)模拟的对比结果。观测结果表明在北半球较低中纬度地区,流星雷达观测的流星数量存在明显的周日变化,流星数量在当地时间的上午增多,在午后和夜晚降低。同时流星数量也存在明显的周年变化,在9和10月份出现大值,在2月份出现低值。此外,北半球较低中纬度地区中间层-低热层大气水平风场存在明显的周年变化,在84 km以上,纬向水平风场在夏季表现为东向风场,冬季表现为西向风场;而在84 km以下,冬季为东向风场,春季为西向风场。经向风场则表现出冬季为北向风场,夏季为南向风场。此外,大气风场存在明显的太阳热力潮汐波动,主要表现为周日潮汐,半日潮汐次之。其中纬向和经向周日潮汐均在春季3月份出现了最大值,振幅分别可达到40和30 m/s,而在秋季9月份出现较大值,振幅分别可达到30和25 m/s。周日潮汐振幅基本表现为在春秋分日附近出现增强,在冬夏至日附近出现减弱的特征。半日潮汐主要在90 km高度以上出现明显增强,而在季节变化特征上,在春季(4月)和秋季(9月)出现明显的增强。

中国大陆科学钻探100～2000m超高压变质岩普通Pb同位素地球化学初步研究——俯冲陆壳内脱耦的证据

本文首次对中国大陆科学钻探工程100～2000m榴辉岩中的绿辉石和片麻岩中的长石进行了普通Pb同位素研究。钻孔上部岩段(0-800m)样品放射成因Pb同位素含量比较高且变化幅度较小(206Pb／204Pb=16．81-17．29,207Pb／204Pb= 15．37-15．45,208Pb／204Pb=37．20-37．66),说明其原岩的U／Pb和Th／Pb或者初始Pb同位素比值比较高。钻孔中部岩段(800～1600m)发育有韧性剪切带,相应的Pb同位素比值开始降低且有起伏(206Pb／204Pb=16．26—16．72,207Pb／204Pb=15．27 -15．38,208Pb／204Pb=36．73-37．40)。钻孔下部岩段(800-1600m)样品放射成因Pb同位素含量低但变化幅度较小(206Pb／204Pb=16．05-16．46,207Pb／204Pb=15．22～15．29,208Pb／204Pb=36．68-37．48),说明其原岩的U／Pb和Th/Pb或者初始Pb同位素比值比较低。实测数据同模拟数据对比表明,钻孔上、下两岩段样品普通Pb同位素不同一方面是由于继承了原岩初始Pb同位素不同,另一方面是由它们的μ值不同所致。结合氧同位素研究,本文认为800m以上和1600m以下分属上地壳和中地壳,前者是从俯冲大陆岩石圈解耦的上地壳,在大陆岩石圈俯冲过程中,上部岩片同俯冲的大陆岩石圈发生挤离,率先沿着这一个挤离面逆冲折返至浅部。下岩片是随后从俯冲岩石圈解耦的中地壳岩片,并折返至浅部下伏在先期折返的上部岩片之下。考虑到中部岩段(800-1600m)既发育有韧性剪切带又具有异常低18O峰值(Xiao et al,2006),挤离面是在地壳内部晚元古代的断裂带及冷水活动通道基础上发育起来的。

沉浸式虚拟现实技术在地球科学中的应用

近年来,随着科学技术的发展,地球科学领域的各种测量和模拟数据呈爆炸式增长,对数据的可视化和实时分析也提出了新的挑战,传统的二维可视化方法已经不能充分满足地球科学的科研和教学需求.新一代沉浸式虚拟现实技术使观察者能够直观地观察和分析三维地球的科学数据,并与数据进行交互,实现沉浸式地实时分析或远程虚拟野外考察,这将帮助地球科学领域的研究人员更快更准确地理解三维地球科学数据.同时虚拟现实技术也能促进新的科学发现的产生,并能够帮助地球科学的成果在大众中的科普推广.目前已经有不少学者进行了相关的探索,并取得了一系列的重要成果.本文回顾了过去几十年沉浸式虚拟现实技术的基本原理和在地球科学领域的各种具体应用方式,讨论了该技术在地球科学领域的优势与前景,以及进一步拓展应用水平还需要解决的相关问题.

科学考察探险与大学生素质培养

科学考察探险与大学生素质培养刘德良程福臻在我国实施科教兴国和可持续发展两大战略以及加强全民素质教育的新形势下，为使当代大学生德、智、体、美全面和谐地发展，在进行科技素质教育的同时，如何加强人文素质教育，特别是培养创新思维的能力是一项重要的任务，为此探...

2008年M_(W)7.9汶川地震早期余震频度衰减速率空间分布特征分析

深入认识余震频度衰减及其影响因素对理解余震触发机理和震后应急救援具有重要意义.然而,由于强震后余震数量庞大,波形相互叠加导致了目录中余震缺失,进而影响了余震频度衰减速率的估计.本研究采用模板匹配技术对2008年M_(W)7.9汶川地震后约50天内连续数据进行扫描,检测余震数量约为模板地震数量的5倍,完备震级由M3.0降低到M2.3.根据余震沿映秀—北川断裂走向优势深度分布的变化,以映秀、汶川、茂县、北川、南坝为界,余震活动大致可分为6个区域.本研究利用最大似然法分别计算了各个区域的余震频度衰减速率,结果显示:以茂县、青川为界,余震频度衰减速率表现出映秀—北川断裂西南段较快、中间段居中、东北段较慢的特征.将余震频度衰减速率和余震空间分布、断裂类型、震后形变、同震形变等进行对比分析,本研究得到以下结论:1、余震频度衰减速率分区与断裂类型分区吻合.其中,映秀—北川断裂西南段余震频度较快衰减速率区域断裂以逆冲为主,中间段为经过各种震源机制类型交替出现的过渡带,映秀—北川断裂东北段余震频度较慢衰减速率区域断裂以右旋走滑为主;2、余震频度衰减速率西南段较快、东北段较慢的空间分布特征与震后形变特征相一致;3、余震频度衰减速率与同震形变相关性不强.结合本研究观测到的同震滑移量较大区域余震分布较少、部分区域余震数目和震后形变空间分布一致性等特征,我们推测汶川地震早期余震可能主要与震后余滑相关,余震频度衰减速率的空间分布差异主要与不同类型断裂震间滑移速率不同相关,震间滑移速率较快的区域余震频度衰减速率较快及震后形变较大.

中国硒资源利用中若干关键科学问题的探讨

中国是典型缺硒大国,一条马鞍形土壤缺硒带呈东北-西南走向分布,占主要农耕区土壤面积的33.34%,但同时也存在点状分布的富硒-高硒地区,占主要农耕区土壤面积的8.69%,成为湖北恩施、陕西安康、安徽石台、广西巴马、江西宜春等地方农业转型升级的新抓手,得到大力开发利用。伴随着硒资源的开发利用,一些科学问题被广泛提出,如:硒摄入有何健康效果?天然富硒区人群是否有实证研究数据?硒-镉共生导致天然富硒农产品富硒的同时是否存在镉含量超标问题?硒资源中的硒形态组成有何重要意义?硒超积累植物-壶瓶碎米荠的超积累硒的机制是什么?这些关键科学问题亟待解答。基于对天然硒资源近10年的研究成果,对以上科学问题进行了一些有益探讨,以期为未来高效安全科学地利用硒资源提供一些研究思路。

空间生命学科发展战略研究

空间生命学科是一门致力于研究在空间环境条件下生命起源、演化及其分布,生命现象及其规律的学科.该学科从理论和实验两个层面深入探讨生命起源和早期演化机制,同时也探索地外天体生命的宜居性、存在形式等基本科学问题.随着中国空间站、嫦娥工程和天问系列等大科学计划的实施,中国空间生命科学研究进入了一个高速发展阶段.本文对空间生命领域的发展态势进行了梳理,提炼出了中国未来空间生命学科的重点发展领域,并针对学科布局进行优化,旨在推动空间生命科学研究的高质量发展.

实验室研究等离子体鞘套测量方法和干预技术

航天飞行器再入大气层时,由于激波加热和热化学防护材料的烧蚀等原因,会在飞行器表面形成致密的等离子体鞘套,从而造成无线电通信信号中断。因此,减轻和消除黑障对飞行器测控安全至关重要。为了解决该难题,本文针对性地发展了适用于等离子体鞘套测量的探针设备和主动干预的技术,并利用实验室等离子体进行了验证。首先,提出了一种静电-微波复合探针,基于探针和飞行器表面曲面共形的优势,可以实时、有效地探测黑障高温流场中的电子密度;进一步,发展了亲电子物质释放实验主动干预方法,地面模拟实验表明该方法可以有效地降低流场等离子体中的电子密度。

基于TIMA全扫描技术分析白云鄂博矿床板岩特征

内蒙古白云鄂博矿床是世界最大的稀土矿之一,其矿床内部及周边出露有大量板岩并且板岩具多种颜色(黑色、黄绿色、深绿色等),板岩的研究程度相对较低。为了厘定板岩的矿物组成,本次研究应用玻片全扫描、TIMA(TESCAN Intergrated Mineral Analyzer)全扫描、电子探针、LA-ICP-MS(激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪)对其矿物组合特征和成分特征进行分析。玻片全扫描和TIMA全扫描比对表明板岩虽颜色各异,但主要由正长石组成,正长石体积比可达86.37%;在白云鄂博矿床范围内正长石有隐晶质、单晶集合体和单晶三种赋存形态。电子探针分析表明正长石中SiO_(2)为59.44%~64.76%、Al_(2)O_(3)为16.89%~19.73%、K_(2)O为13.96%~17.90%,K_(2)O/Na_(2)O为15.86~45.71;环带结构正长石K_(2)O的含量较其它正长石较低,K_(2)O/Na_(2)O为15.86~20.85。LA-ICP-MS分析表明正长石中Ba含量为700.08×10^(-6)~47 606.91×10^(-6),其它微量元素和稀土元素含量很少且差异不大。板岩整体颜色和正长石色带均具有随着Ba含量增多而颜色变深的现象,因此正长石的颜色深浅与Ba含量多少呈正相关关系。

复杂构造区高质量地震采集技术探索——以下扬子无为盆地为例

为获得下扬子地块无为盆地高质量的原始地震数据,依托无为盆地2019~2020年反射地震数据,开展高密度宽线采集技术、激发技术以及层析静校正技术的实验研究,总结出一套适合无为盆地页岩气地震勘探的采集施工参数,并将其应用于研究区新部署的地震勘探工作中,获得高信噪比的地震数据。通过对数据进行Kirchhoff叠前时间偏移处理,获得高分辨率、高精度的时间域反射剖面,剖面上目的层(二叠系)反射波能量强、同相轴连续,基本可查清该区地质构造格架,为下一步无为盆地页岩气的钻探部署提供可靠的地震成像数据。

无人机低空遥感技术在崩塌地质灾害动态监测中的应用

崩塌地质灾害的发生往往具有突发性、不确定性及强破坏性等特点,难以实现对其演变规律的推断与监测。因此,开展崩塌灾害体的连续性监测对防灾减灾具有重要意义。目前对地质灾害体的连续性监测存在很多技术难题,依靠人力现场记录勘查,存在人力物力消耗大、勘查难、盲区多等情况,往往达不到预期勘查测量效果,且卫星监测存在时效性差、精确度低等问题,无法实现对崩塌体微弱裂缝的识别以及对裂缝变化趋势的研判。因此,开展无人机低空遥感技术在崩塌地质灾害方面的应用研究,为崩塌地质灾害动态监测提供了新的技术方法。采用该技术对崩塌灾害体进行不同时段的光学影像数据采集,可实现对灾害体的连续性监测。运用三维建模技术对光学影像数据进行处理,实现崩塌地质灾害体的数字化和可视化。通过对地质灾害体三维模型影像变化特征的分析,特别是崩塌灾害体裂缝、堆积物等数量、体积的变化,实现对崩塌灾害体风化演变趋势的分析与判断,为崩塌地质灾害的监测提供技术支撑。