中国科学院地质研究所的成立与中央地质调查所的传承

1913年成立的中央地质调查所(成立时称农商部地质调查所)是中国建立的第一个国家级科研机构,代表了中国现代科学的起始,在中国现代科学发展史上具有举足轻重的地位。在它成立后的几十年间,中央地质调查所在区域地质调查、矿产资源勘查、大地构造学、地震学、土壤学、古生物与古人类学等众多领域,取得了一系列举世瞩目的学术成就,是民国时期我国最享有国际声誉的研究单位。1951年,中央地质调查所被正式改组为中国科学院地质研究所。根据当时新中国地质工作"一元化"的要求,原中央研究院地质研究所和原国民政府资源委员会矿产测勘处的部分地质研究人员也一同并入该研究所,使其成为当时我国最大的地质研究机构。1952年6月开始,刚成立不久的中国科学院地质研究所的科技人员开始分流。首先是研究所的古生物研究人员分流到新成立的中国科学院古生物研究所(即现在的中国科学院南京地质古生物研究所),它是在原中央研究院地质研究所基础上成立的。1952年9月,研究所土壤研究室扩充建设为中国科学院土壤研究所。1952年底左右,因新中国大规模经济建设的需求,大批科技人员分流到刚成立的地质部及所属的地质勘探队。从这一脉络可以看出,中国科学院地质研究所是中央地质调查所的传承和延续,而学术界大多认为中央地质调查所已于解放初期解体或撤销的观点与史实并不相符。

地球与行星内源磁场建模研究进展

太阳系绝大多数行星都拥有随星体自转而共转的内源磁场.随着人类不断地进行深空探测,人们已经对所有已知具有内源磁场的太阳系星体建立起了其对应的行星磁场模型.行星磁场建模是深入研究行星内部动力学过程、探究行星演化历史、理解行星磁场与太阳风相互作用、认识行星磁场对高能带电粒子的屏蔽效应等多种研究方向的重要基础.同时,行星磁场建模也是一项多学科交叉的研究工作,其涉及到行星磁场建模理论、内外源磁场场源分离、参数反演方法与方程优化等多方面的研究.本文综述了地球与太阳系其他行星,包括月球以及木卫三两颗卫星在磁场建模方向的研究进展,描述了行星内源磁场的特征,整理了太阳系行星最准确的全球磁场模型.本文首先从行星磁场的数学建模方法开始,梳理了自高斯时代以来磁场建模技术的发展历史,介绍了行星磁场建模研究的热点方法.文章最后展望了未来行星磁场建模研究的发展趋势,以及我国未来的深空探测计划对行星磁场建模研究的可能贡献.

黑色岩系型战略性关键矿产资源研究进展及主要科学问题

本文对近年来黑色岩系型战略性关键矿产的分布规律和超常富集机制等方面的研究进展进行了归纳总结,并对战略性关键矿产资源研究进行了展望。黑色岩系分为黑色页岩、煤系地层和富碳质磷块岩等沉积地层,其中黑色页岩中发生超常富集的关键金属有Se、Te、Re、Cd、Tl等稀散金属,以及PGE、Co等稀贵金属;煤系中可见Ga和Ge的超常富集(形成独立的Ga、Ge矿床),同时也可见稀土金属、稀贵金属的富集;磷块岩中常显著富集稀土,尤其是中重稀土。黑色岩系中的关键金属主要源自大陆风化、海水、热液以及生物摄取。在风化沉积作用中,硫化-还原水体环境形成的泵吸效应,有机质的还原作用,富有机质沉积体系中有机质、铁锰氧化物、磷灰石、黏土矿物等的络合和吸附是关键金属发生富集的主要机制。黑色岩系可为热液叠加过程提供成矿金属,调节热液体系的氧逸度和硫逸度,促进超大型战略性关键矿产的形成。此外,黑色岩系富集的金属在地球层圈物质循环中的聚散行为还可对其他相关成矿系统产生影响。黑色岩系中战略性关键金属的超常富集与大陆边缘、裂谷等环境下缺氧-硫化的沉积事件相关。大气氧含量的变化、超大陆的聚合和裂解、洋流环流模式的改变、冰期以及大规模火山活动导致的海洋缺氧事件等区域地质事件均可是控制黑色岩系型战略性关键金属形成及时空分布的主要因素。黑色岩系是表生风化沉积中的一种重要类型,今后应更加重视黑色岩系等表生风化沉积作用在战略性矿产资源形成中的重要性,建立和发展相关的成矿理论。

现代地球系统科学视野下的中国地幔地球化学

本文在现代地球系统科学视野下,简要回顾了20世纪国际地幔地球化学学科形成历史;综述了自20世纪70年代以来,中国地幔地球化学发端与发展的历程;强调了在国际岩石圈计划及大陆动力学等计划推进下,以中国大陆岩石圈组成与演化特征研究为重点,先后开展了东部新生代玄武岩及其幔源捕虏体研究、地幔源区地球化学特征及端元厘定、地幔地球化学填图所揭示的地幔源区块体特征以及大陆深俯冲导致的壳幔相互作用和华北克拉通破坏计划与相应研究所取得的进展;其中特别总结了新世纪以来在幔源岩类研究方面的巨大进展,以及在应用非传统稳定同位素、微区原位分析领域以及深地幔超高压矿物研究方面所取得的突破性成果。最后本文强调了现代地球系统科学应回归到它的本来含义,即涵盖深空、深海、深地,从外层空间直至地核的多圈层相互作用及其动力学机制的全方位全过程地球科学,其中,包含核幔相互作用的深部地幔过程,无疑起着主导作用,而地幔地球化学在现代地球系统科学中将依旧作为生力军而不可或缺;同时强调今后应重视拓展微观粒子尺度探索及地球化学基础理论研究的重要性。

陆地高分辨率水文—生物地球化学过程CNMM-DNDC三维模型的研发及应用进展

CNMM-DNDC模型是本文作者团队研发的陆地高分辨率水文—生物地球化学过程三维模型。本文系统介绍了建模背景和理念、核心过程和模型特点、模拟功能和观测验证、多尺度区域或流域初步应用以及未来发展展望。自2018年刊发首个版本以来,该模型经过了多方面科学过程改进和模拟功能扩展,在元素化学反应、物质相变和机械迁移等基本物理、化学、生物过程层面,完成了对陆地表层系统碳氮磷水循环全耦合的精细刻画。迄今开展的观测验证表明,CNMM-DNDC模型基本普适于不同生物气候带(从热带到寒区多年冻土地带)的流域或区域长时间序列“三高”(时间、空间和过程高分辨率)综合模拟,实现对陆地生态系统的碳、氮、磷、水三维运移、水土流失、水力驱动溶解态和颗粒态碳氮磷横向迁移、碳氮温室气体和污染气体排放、生态系统生产力、水分蒸散发和水分能量平衡等众多可持续发展目标表征变量的预测。该模型广泛推广应用于多尺度区域或流域的复杂过程虚拟科学试验研究和服务于面向生态环境建设与减污降碳的优化调控决策,可望为协同落实联合国多个可持续发展目标提供先进的数值模拟技术支撑。

基于居里面深度对中国东北部大地热流的研究

大地热流值是表征地球热状态的重要参数,也是进行深部地温预测和评价一个地区地热资源的最基本数据。受钻孔测温的影响,盆地外的无钻孔测温地区缺少实测的大地热流值。目前的热流分布图都是依据相邻盆地的实测值进行插值绘制的,无钻孔区热流值可信度较低。由于岩石居里点与温度密切相关,可以通过居里面深度来研究地表热流值。本文依据东北地区现有的居里面深度分布图,结合实测的岩石热导率、岩石生热率数据和相应的地壳分层状况,计算了东北地区的大地热流值,重新绘制了中国东北地区精细的大地热流分布图。东北地区整体大地热流处于42.5~95 mW/m~2之间,热流高值位于五大连池及敦化-密山断裂带海龙—牡丹江一带,松辽盆地内部、小兴安岭和长春-延吉缝合带也有局部的高热流值。热流高值与居里面隆起区域有较高的一致性,即居里面隆起处热流较高,而坳陷区热流较低。本次研究填补了中国东部地区热流实测值空白,为该区深部地温预测和地热资源评价提供了更加准确的参数。

地球陨石坑地球物理探测研究进展

地球物理探测在研究和发现撞击构造方面发挥着重要作用.本文综述了地球陨石坑的重、磁、电、震等常见地球物理特征.陨石坑最明显的地球物理特征是圆形或环形的负重力异常,其主要原因是岩石破裂和角砾化导致岩石密度降低;具有较低的磁异常,细节特征复杂,其主要原因是撞击熔融降低了陨石坑内部岩石的磁化率,陨石撞击后的改造则造成了复杂的细节特征;简单陨石坑具有较高的电导率,复杂陨石坑具有从中央隆起向周缘升高的电导率,其受控于岩石的破碎程度和上覆沉积层的含水量,破碎程度、含水量越高电导率越高;具有低的地震波速,主要原因是破碎的角砾岩和断裂具有相对原岩更低的波速.此外,地震反射波探测发现陨石坑撞击构造有明显凹形特征.国际上已开展了大量陨石坑的地球物理探测研究,而我国现有被发现且证实的陨石坑不仅数量稀少,其相关的地球物理探测研究更是不多见.通过对国内外陨石坑的常见地球物理特征开展综述和总结,不仅可为我国发现更多潜在的陨石坑提供科学参考和依据,同时也为公众认识和了解撞击构造提供可靠的科普素材,进而有效拓展地球陨石坑的科研和人文价值.

太阳与内日球立体探测卫星计划科学目标建议

面向认知太阳风暴和保障航天安全的国家战略需求,中国近年来提出太阳与内日球立体探测卫星计划,拟适时部署环黄道面的拉格朗日点L3-L4-L5定点卫星星座和脱离黄道面的太阳极轨对偶卫星。通过该卫星计划的初步科学论证分析,建议将其科学目标凝练为太阳磁场、太阳风暴、太阳风,将其应用目标定位于日地空间天气预报,建议配置成像类、粒子类、波场类的综合科学载荷。此外,利用日地空间的三维磁流体数值模拟和计算机图形学的艺术可视化,形象地表达环黄道面卫星“对日凝视”和太阳极轨卫星“鸟瞰全景”的探测概念。中国太阳与内日球立体探测卫星计划将揭示太阳磁场的起源规律及其爆发机理、日地耦合系统的空间天气变化机理,并能够为日地空间天气三维数值建模提供观测数据驱动的初边值条件,必将极大推动空间天气的立体监测、前沿研究、精准预报的一体化进程。

小行星探测历史及启示

自1989年美国Galileo探测器在探测木星的途中顺访了小行星951 Gaspra和243 Ida起,小行星探测已经逐渐成为各主要航天国家深空探测的重点目标之一.过去30年,小行星探测任务从飞掠探测到专访探测再到采样返回,探测类型愈加丰富,并逐步从单纯的科学探测发展到小行星防御与资源利用.中国预计在2025年发射天问二号,同时计划开展首次小行星防御任务.在此背景之下,本文详细分析了迄今为止小行星探测任务的历程、科学目标、科学载荷配置以及主要研究成果,并重点研究了日本Hayabusa和Hayabusa 2任务及美国OSIRISREx任务的样品储存管理、分配经验和返回样品实验室初步分析流程,以期对中国未来小行星探测任务的设计和实施提供参考.设计低成本、多频次采样返回任务;统筹任务规划,注重加强任务之间的配合;加强科学团队建设是更好地规划中国未来小行星探测任务的要点.

扫描电镜-拉曼光谱联机系统在地球科学中的应用

扫描电镜-拉曼光谱联机(RISE)技术是将两种仪器的优势相结合,可同时获得样品微区形貌、成分、结构等多重信息,具有样品制备简单、样品无损、测试速度快、分辨率高等优点,已成功应用于材料、生物、医药、文物等多个领域。为展示该系统的应用潜力,本文系统介绍了RISE技术及其功能,以及对地学中3个较为典型样品的分析结果。对绿帘石中元素分布特征、OH-行为的观察,解读其晶体结构;对柯石英、石英共存体系进行同质多象的厘定,为探究柯石英-石英相变过程提供依据;对高压/超高压变质带富硫化物高压脉体黄铁矿中包裹体进行分析,探讨俯冲带中S元素的赋存形式。此外,还讨论了RISE技术在地球科学领域中的作用及其发展趋势。

原子探针工作原理及其在地球科学中的应用

原子探针层析技术可提供亚纳米分辨本领下元素的三维成分和空间图像信息。与其他微束分析技术不同的是,原子探针分析是将样品做成曲率半径小于100 nm的针状,在样品尖端接入高压使其处于待电离状态,通过脉冲电压或脉冲激光来逐层蒸发原子,以飞行时间质谱仪测定蒸发离子的质荷比,从而确定元素种类,以位置敏感探头回溯离子在样品尖端的二维坐标,通过离子在纵向的逐层累积,确定离子的纵向坐标,进而通过计算机软件重构整个样品的三维结构信息,其横向分辨率为0.2 nm、深度分辨率为0.1 nm。本文通过回顾原子探针技术发展历史,简述其工作原理和地质应用,以期引起国内地质学界的关注和兴趣,在基础地球科学问题研究上取得新认识。

花岗岩中黑云母地球化学特征对铟矿化的启示:以栾川矿集区鱼库‒石宝沟岩体为例

传统观点认为,铟常在锡多金属矿床中富集。但近年来发现,一些与花岗岩有关的贫锡多金属矿床中,铟也能够富集到一定程度。不可否认的是,无论在贫锡还是富锡的矿床中,铟的富集均与花岗质岩浆活动密切相关。然而,目前对于岩浆演化过程中控制In超常富集的因素尚不清楚。在花岗岩中,黑云母是Sn和In的重要载体矿物,其化学成分也可以有效反映岩浆成因及成岩物理化学条件。栾川矿集区的赤土店矿床为贫锡富铟的岩浆热液铅锌银矿床,其矿化与燕山期鱼库-石宝沟花岗岩关系密切。本文以鱼库-石宝沟花岗岩作为贫锡花岗岩的代表,对岩体中的黑云母开展了详细的矿物地球化学研究,并与华南典型锡铟矿化花岗岩中的黑云母进行对比。结果表明,鱼库-石宝沟花岗岩中的黑云母为镁质黑云母,华南锡铟矿化花岗岩中的黑云母为铁质黑云母-铁叶云母。且鱼库-石宝沟花岗岩中的黑云母具有较低的Sn、In含量,指示该花岗质岩浆贫锡和铟,而华南锡铟矿化花岗岩岩浆源区本身就富锡和铟。与鱼库-石宝沟花岗岩相比,华南锡铟矿化花岗岩起源于变沉积岩的部分熔融,且具有高温、低氧逸度、高挥发分的特征,这些物理化学条件对铟矿化有重要控制作用。而贫锡铟的鱼库-石宝沟花岗岩并不具备这些有利于铟矿化的条件,与之相关的矿床中之所以出现铟的富集,可能与后期地质事件使矿体中的In元素发生活化和再富集有关。

河流溶解无机碳稳定碳同位素示踪技术及其在中国河流碳循环研究中的应用

河流溶解无机碳(DIC)是全球碳循环中的重要组成部分,稳定碳同位素(δ^(13)C_(DIC))已被广泛用于辨识流域内碳的来源和迁移转化过程。通过综合现有文献,系统梳理河流δ^(13)C_(DIC)的影响因素和变化机理,论证了该指标能够真实、敏感反映流域环境特征及各种地表过程,可用于重建流域碳循环体系中的生物地球化学过程。由于河流碳来源及迁移转化过程的复杂性,关于河流δ^(13)C_(DIC)的影响机理仍有较多细节尚未探明。通过收集和分析中国主要河流的δ^(13)C_(DIC)数据发现,在全国尺度上我国河流δ^(13)C_(DIC)呈现出“西高东低”的变化格局,基本反映了我国地质、气候及生态环境的空间分布特征。青藏高原地区河流δ^(13)C_(DIC)整体上比其他地区明显偏高,关于这一现象的形成机制还有待进一步研究。未来可将δ^(13)C与放射性碳同位素(Δ^(14)C)联用并加强水体DIC稳定碳同位素分馏方面的基础理论研究,以期进一步完善和提升河流DIC同位素示踪理论及其在揭示碳循环过程和机理方面的应用。

页岩油气开发诱发地震的研究现状及进展——以加拿大、美国和中国为例

页岩油气的开发助推了全球油气储量及产量增长,重塑了全球能源格局。伴随着页岩油气开发过程中的水力压裂和废水处理,页岩油气田附近的诱发地震频率急剧增加,其中大多数为微地震,但破坏性地震也时有发生。这种现象主要发生于美国中西部、加拿大西部和中国西南地区。页岩油气开发诱发地震成因复杂,目前普遍认为主要有三种诱发机制:静态库仑应力变化、孔隙弹性介质理论和流体压力扩散及无震滑移。在汇总全球主要页岩油气诱发破坏性地震分布及其诱发机制的基础上,以加拿大的不列颠哥伦比亚省霍恩河盆地和阿尔伯塔省的Fox Creek地区,美国的科罗拉多州南部、新墨西哥州北部的Raton盆地和俄克拉何马州,中国的重庆市荣昌地区和四川省长宁—兴宁地区为例,系统论述页岩油气开发典型诱发地震的基本情况和诱发机制,介绍诱发地震的前瞻性预测与管控措施,并对页岩油气开发诱发地震的研究现状及进展进行总结和展望。

气候变化影响中国东北地区降水侵蚀力的高分辨率区域模式预估

土壤侵蚀是生态环境和农业生产的重要影响因子。我国东三省土地面积79.33万平方公里,占我国国土面积的9.3%,是重要的商品粮基地,同时也是世界四大黑土区之一。在气候变化背景下,我国东北地区的土壤侵蚀情况及其未来风险,目前仍不清楚。影响土壤侵蚀力的重要因素之一是降水侵蚀力(R-factor),其与强降水有关。本研究利用CN05.1和APHRODITE观测降水资料揭示了我国东北地区降水侵蚀力的观测特征。在气候平均态上,东北地区东南部降水侵蚀力最强。降水侵蚀力存在明显的年循环,以夏季为主导,占全年总侵蚀的80%以上。在观测分析基础上,对RegCM4动力降尺度模式进行了评估和订正,并预估了未来不同共享社会经济路径(SSP1-2.6和SSP5-8.5)下中国东北地区降水侵蚀力的变化。随着未来增温,到21世纪末,两种排放情景下东北地区平均的降水侵蚀力分别增加9.90%和26.70%。高排放情景下将面临更严重的降水侵蚀风险,SSP5-8.5情景下降水侵蚀力的增强幅度约为SSP1-2.6情景下变化的2.7倍,同时77.69%的区域面积上降水侵蚀力将更强。因此,采取切实有效的减排措施,走可持续发展路径,对于减缓我国东北地区黑土地的土壤侵蚀风险,进而保障粮食安全,具有重要意义。

中国典型地形风能资源的湍流特征分析

选取4种风能开发利用的典型地形,对其大气边界层风场特别是湍流场的特征进行分析。通过分析不同下垫面无量纲方差与无量纲稳定度参数z/L的关系,表明均在风力机标准的湍流模型适用范围内。湍流动能随风速呈指数增长,不同稳定度下指数差异明显。湍流动能的垂直变化,除受稳定度影响外,还与下垫面有关。东海塘沿海局地平坦地形和锡林浩特平坦草原下垫面,湍流动能随高度变化较小;鄱阳湖湖陆交界复杂下垫面,近地面湍流动能明显增大,随着高度的增加,湍流动能迅速下降;河北尚义起伏的中山丘陵下垫面,地形使下层湍流动能随高度减小,上层湍流动能随高度增大。摩擦速度廓线与湍流动能廓线基本一致,但其最大值并不一定在地表附近。

春季土壤温度在中国东北盛夏降水年际分量预测中的关键作用

全球变暖背景下,中国东北夏季洪涝干旱灾害发生频繁,对人类和自然系统造成严重影响。但是,目前东北夏季降水预测水平较低,远不能满足防灾、减灾的需求。中国东北汛期降水主要集中在盛夏(7~8月),其年际变率与年代际变率相当。本文聚焦在分析春季土壤温度在中国东北盛夏降水年际分量预测中的作用。研究发现中国东北盛夏降水年际分量与欧洲中东部春季土壤温度年际分量存在显著负相关关系、与青藏高原东部和西亚东北部春季土壤温度年际分量存在显著正相关关系。春季关键区土壤温度异常对应下游地区盛夏土壤温度异常,从而引起东亚盛夏大气环流异常,高空西风急流偏强偏北、西太平洋副热带高压偏强偏北,进而造成中国东北水汽辐合与上升增强,引起中国东北盛夏降水增强。进一步采用欧洲中东部、青藏高原东部和西亚东北部春季土壤温度年际分量建立了中国东北盛夏降水年际分量的季节预测模型,1979~2021年留一法交叉检验时间相关系数在GLDAS-Noah、ERA5和CRA/Land三套数据中最高可达0.64,2012~2021年的后报试验时间相关系数在三套数据中最高可达0.78,表明春季土壤温度在中国东北盛夏降水年际分量预测中起到关键作用。研究成果能够为提高中国东北夏季降水预测提供科学基础,并易于应用到实际预测。

类地行星低阶重力场、自转与内部圈层结构研究进展

低阶重力场和自转参数是类地行星内部结构的函数且指示着其物质成分与演化,一直是深空探测的首要目标.行星自转状态能够直接揭示行星核的密度和大小.随着深空探测数据的逐渐积累和精度的不断提高,低阶重力场和自转观测在行星内部结构,尤其是行星核方面的研究取得了一系列重要进展.本文首先介绍行星主惯性矩张量的基本理论与计算方法,接着介绍行星自转动力学基本理论以及与行星内部结构密切相关的行星自转简正模,并介绍利用低阶重力位系数求解行星主惯性矩张量的方法.本文还总结了利用有限的自转观测和低阶重力场观测确定行星平均密度和平均惯性矩的研究现状,以及反演行星内部结构的基本方法.最后,本文对目前利用低阶重力场、自转观测反演行星和小行星等内部结构方面存在的问题进行了总结与展望,希望为我国未来的深空探测计划提供科学参考与理论支持.

国家需求在行星科学一级学科建设中的导向作用

进入21世纪以来,深空探测成为一项重要国家战略,5次月球探测工程任务和首次火星探测工程任务均取得了成功.小行星采样返回、火星采样返回、木星探测、太阳系边际穿越、月球科研站等新的战略规划昭示了中华民族伟大复兴的雄心.毫无疑问,我国已成为一个快速崛起的深空探测大国.在此背景下,行星科学学科建设的滞后成为制约我国深空探测事业发展的一个显著瓶颈.行星科学具有鲜明的基础研究属性,又与深空探测相辅相成.因此,行星科学一级学科的建设方向应该是以国家战略需求为导向的基础研究,建设目标应当是“中国特色、中国风格、中国气派”的学科.

中国活火山喷发物对航空安全的影响评估

火山活动对航空安全有着重要的影响。爆炸性火山喷发产生的火山灰可通过物理磨蚀和化学腐蚀的方式破坏飞机发动机的热障涂层,从而降低其服役寿命,影响飞行安全。我国分布有多座活火山,尤其是长白山、五大连池和腾冲火山区,地球物理和水热活动资料都显示其具有再次喷发的潜力。随着航空运输业在我国扮演着越来越重要的角色,这些火山一旦喷发将对我国空域范围内的飞行安全产生举足轻重的影响,因此评估这些火山对航空安全可能的影响具有重要的现实意义。本文利用收集和测试的共2275组地球化学数据,借助硅酸盐熔体黏度模型计算了发动机燃烧室最低运行温度1200℃下不同火山区不同时期的火山喷发物的黏度,评估了长白山、五大连池、镜泊湖、龙岗、双辽、腾冲和环太平洋火山区不同阶段的火山活动对飞行安全可能的影响。研究结果表明微量元素Co、V、Ni和Cr的含量与体系黏度呈负相关关系,而Rb含量则与体系黏度呈正相关关系。东北地区火山区(包括长白山、五大连池、镜泊湖、龙岗和双辽)和西南地区腾冲火山区黏度分别自0.52Ma和1.05Ma开始具有明显下降的趋势,环太平洋火山区黏度在10^(0.70)~10^(5.90)Pa·s范围内周期性波动,自18Ma以来,呈现波动下降的趋势。黏度的下降意味着喷发物被发动机摄取之后更容易铺展,从而增大与热障涂层间的接触面积,加大破坏涂层的可能性,这表明位于我国密集航线上的东北地区、西南地区以及环太平洋火山区的火山活动对航空安全的威胁都呈上升趋势。本文为不同区域、不同年龄的火山喷发物对航空安全影响的评估提供了定性比较的参数,同时也为国际航空安全决策提供了来自中国火山区数据的参考。