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    “三十而立,为成长加冕———《地学前缘》创刊30周年纪念特刊”
    特约主编致读者
    特约主编致读者———地球系统科学研究范例、进展和趋势
    王成善, 邓军, 董云鹏
    2024, 31(1): 0-0. 
    摘要 ( 101 )   PDF(344KB) ( 123 )  

    地球科学作为自然科学六大门类之一,不仅探索地球起源、演化和发展趋势,而且为人类认识、利用和改造自然提供科学知识、认知途径和研究方法。随着科学技术的不断进步和人类社会重大需求的日益增长,当前地球科学已进入地球系统科学研究的新阶段,成为指导人类社会可持续发展的科学基础。地球系统科学是以固体地球层圈及其外部生物圈、水圈和大气圈为研究对象,研究各层圈发生、发展及其相互作用过程与机理,探索“宜居地球”形成演化以及地球环境生命协同演化等重大科学前沿,为解决人类生存与可持续发展中的资源供给、环境保护、地质灾害防治等重大问题提供科学依据与技术支撑。在地球系统演化过程中,深部地质过程控制着浅表构造地貌,驱动着气候环境变化,进而诱发生物多样性演变,从而深刻影响着“宜居地球”的发生与发展。深部地质过程及其动力学不仅决定着地球早期大陆的形成和克拉通化,而且始终控制着地球表面大洋和大陆、造山带和盆地等构造单元的耦合演变,并由于地球系统演变过程中的物质和能量交换,形成了大量的资源能源;同时,深部地质过程控制着浅表构造地貌,进而驱动着地球系统的气候环境变化,不仅控制着盆地沉积充填和化石能源富集成藏,而且决定了地球系统外部层圈形成演化和相互作用,尤其是控制着环境和生物的协同演变;进入人类世以来,地球过程和人类活动共同作用诱发自然系统功能失调,导致气候变化、环境污染、水资源短缺、生物多样性减少等一系列事件,加之日益活跃的人类活动和高速发展的经济社会,使得化石燃料和可利用土地不断枯竭。面向国际地球科学前沿,立足“宜居地球”和人类社会可持续发展,未来的地球科学研究,亟待以地球系统科学思想为指导,聚焦“深部地质过程浅表构造地貌气候环境变化生物多样性演变”,不仅研究固体地球深部和浅部物理化学过程,而且重视地质过程中的资源能源形成及气候效应及其诱发的生态系统变化和人地关系等地球宜居性问题。遵循地球系统科学思想,本专辑共34篇文章,分6个栏目,分别为“地球动力学与深部过程”、“华北克拉通演化及其效应”、“青藏高原结构构造及成矿效应”、“陆内成矿作用与成矿系统”、“沉积盆地分析与多种能源勘探”和“环境变化与生物圈层相互作用”。

    “地球动力学与深部过程”栏目收录5篇文章,主要瞄准地球系统科学的核心科学问题———固体地球深部过程和动力学及其定量表述和模拟方法。《洋中脊动力学与俯冲带地震岩浆成矿事件远程效应》(成秋明等,2024)瞄准洋中脊动力学、板块俯冲带和大陆岩浆弧的深部过程及其与极端地质事件之间的密切关系,从分析洋中脊性质、地质结构和地质过程入手,讨论新生洋壳的差异型如何影响深部岩石圈部分熔融、俯冲带岩浆活动以及俯冲过程中的地震、火山、成矿等事件的聚集分布规律。《大地幔楔的两个深部碳循环圈:差异及宜居效应》(李曙光等,2024)聚焦板块俯冲过程与深部碳循环前沿问题,总结评述了西太平洋板块深俯冲、晚白垩世和新生代东亚地幔过渡带岩浆记录及其深部碳循环圈的证据,探讨了大地幔楔板内碳循环圈与岛弧系统碳循环圈的差异及其对显生宙大气氧含量保持稳定及温室效应周期性变化的影响。《大陆下地壳》(张艳斌等,2024) 聚焦壳幔相互作用最活跃的大陆下地壳,分析了下地壳的类型、转换过程及其底垫、拆沉、深熔、高级变质等作用,强调其在壳幔相互作用及其动力学研究中的重要地位。《元地球与数字孪生:思想突破、技术变革与范式转换》 (李三忠等,2024)基于深时数字地球的科学理念,介绍了元地球与数字地球、虚拟地球、玻璃地球、智慧地球的区别,创新性提出元地球理念,倡议构建跨越地球各圈层的实时、全天候、立体观测感知和模拟系统,开启人类认识、探测和开发地球的全新技术。《基于DEW 模型的地球深部流体组成与水岩相互作用计算方法综述》 (兰春元等,2024)瞄准地球层圈相互作用及地球动力学过程中深部流体组成和水岩相互作用,系统介绍了Deep Earth Water(DEW)模型计算深部流体和水岩相互作用的基本原理及其应用软件(FluidsLab)以及软件应用案例与研究现状,为定量表征深部流体和水岩相互作用提供了新的技术方法。

    “华北克拉通演化及其效应”栏目收录5篇文章,主要围绕早期大陆的形成演化和克拉通化、后期的构造改造及其动力学。25亿年前的克拉通化是地球演化历史上史无前例的构造事件,它不仅形成稳定大陆,而且分异出固体地球的层圈结构,并开始出现板块构造及其诱发的一系列地质、环境和生命演化事件。华北克拉通是全球最复杂的克拉通,不仅经历了新太古代晚期的克拉通化、古元古代多陆块俯冲碰撞,而且遭受了强烈的中生代克拉通破坏以及晚中生代—新生代太平洋板块俯冲影响。中生代的构造过程深刻地控制和影响着中国东部盆地的沉积充填和化石能源的富集成藏。《华北克拉通新太古代晚期岩浆作用:对构造体制和克拉通化的启示》(万渝生等,2024)系统总结了华北克拉通新太古代晚期(主要为2.55~2.5 Ga期间)岩浆岩的锆石年龄分布模式、地球化学和Nd-Hf-O同位素组成特征,证明中太古代晚期—新太古代早期是华北克拉通陆壳增生最重要时期,并于新太古代晚期完成初始克拉通化,启动了类似于现代板块运动的构造体制,形成了规模巨大的BIF(条带状铁建造)。《冀北红旗营杂岩多期变质作用:古元古代俯冲/碰撞—晚古生代伸展—早中生代挤压的记录》(魏春景等,2024)瞄准华北克拉通多陆块拼合及其后期复杂改造过程,总结了近年来对红旗营杂岩变质作用和年代学研究进展,阐明其多期变质作用特征和大地构造属性,揭示出红旗营杂岩5期变质作用,分别记录了古元古代碰撞俯冲碰撞、晚古生代伸展和早中生代挤压的复杂构造过程。《条带状铁建造消失之谜:铁硅互层机制研究进展与展望》(王瑞敏、沈冰,2024)概括介绍了BIF的地质特征,深入论述了BIF中富铁富硅层的沉积模式,并从Fe(II)的来源差异、Fe(II)的氧化差异和Fe(III)的保存差异三方面全面综述了BIF “铁硅互层”机制的研究进展,对BIF的成因机制所承载的前寒武纪铁硅生物地球化学循环、早期地球演化过程、早期生命信息等方面提出展望。《内蒙古大青山盘羊山晚中生代早新生代构造事件及其对华北北缘构造演化的启示》(张进江等,2024)瞄准晚中生带华北克拉通破坏的动力机制,以位于华北克拉通北缘中段的大青山和盘羊山为解剖区,系统总结了有关大青山和盘羊山主要构造的几何学、运动学和年代学成果,结合蒙古鄂霍次克洋和太平洋板块的演化,探讨了大青山盘羊山晚中生代—新生代构造演化过程与动力学,为华北克拉通破坏的大陆动力学提供线索。《中国东部中生代上叠造山系》(任纪舜等,2024)认为在中生代古太平洋动力体系作用下,在中国东部大陆地壳之上形成了上叠造山系,其与俄罗斯东北部—锡霍特阿林—日本—琉球—中国台湾—巴拉望一带的亚洲东缘造山系同步发展,共同组成亚洲东部规模宏大的巨型中生代造山系。

    “青藏高原结构构造及成矿效应”栏目收录5篇文章,主要研究青藏高原结构构造、形成演化、动力学机制及其成矿效应。《青藏高原形成演化动力机制及其远程效应》(刘德民等,2024)从青藏高原的构造地貌范围出发,划分了青藏高原内部构造单元结构,归纳总结其构造演化及热隆演化机制,综述其隆升及远程效应。《基于短周期密集台阵接收函数揭示的藏南错那洞穹窿地壳结构》(蔡蔚等,2024)利用短周期密集台阵观测,通过远震P波接收函数共转换叠加成像方法获取了错那洞穹窿区域地壳结构,认为印度欧亚板块持续碰撞使喜马拉雅东南缘岩石圈经历了地壳尺度拉伸变形,并对藏南拆离系和错那洞穹窿的成因给出了解释。《大地电磁法的应用综述:以川滇地区为例》(邓琰等,2024)以青藏高原内部物质东流、块体侧向挤出的重要通道———川滇地区为例,介绍了大地电磁法在地震孕育、火山和地热活动、成矿活动、构造与动力学以及电磁同震效应等研究方面的应用。《西藏南部极低级变质岩及其地质与资源意义》(毕先梅等,2024)基于极低级变质作用在盆地构造、中低温成矿、石油与天然气富集成藏、工程地质稳定性、环境保护等方面的重要意义,研究了西藏南部地区的极低级变质岩的分布规律、成岩作用、极低级变质低级变质作用特征,探讨其构造环境以及对石油与天然气成藏的意义。《深部过程和物质架构对大陆碰撞带Cu-REE成矿系统的控制:以冈底斯和三江碰撞带为例》(王瑞等,2024)瞄准大陆碰撞带Cu-REE成矿机制,利用近年来发表的地质、地球物理和地球化学资料,探讨了青藏高原冈底斯和三江碰撞带的深部过程和物质架构,讨论了岩石圈组成、岩浆系统演化与Cu-REE成矿的关系。

    “陆内成矿作用与成矿系统”栏目收录3篇文章,主要研究华南中生代陆内成矿作用和热液成矿系统构造控矿理论。20世纪60年代以来,以板块构造理论为指导思想的洋中脊、俯冲带和陆陆碰撞带等板块边缘成矿作用得到了迅速发展,推动了矿床学和找矿勘查的大发展。然而,发生在大陆板块内部、远离活动大陆边缘的成矿作用仍然是全球性科学难题。华南大陆内部中生代成矿大爆发,成矿作用远离活动大陆边缘,形成西部金锑铅锌低温成矿省和东部钨锡多金属高温成矿省,是研究陆内成矿的理想场所。《华南中生代陆内成矿作用》(胡瑞忠等,2024)基于西部低温成矿与东部高温成矿一致的时代和类似的地球化学指纹特征,揭示出两个成矿省是具有成因联系的整体且共同构成面状展布的巨型多金属陆内成矿区,提出印支期陆内造山和燕山期软流圈上涌是两者共有的成矿驱动机制,进而建立了华南陆内成矿新理论。《右江盆地卡林型金矿成矿年代学研究进展》(高伟等,2024)梳理了近40年来右江盆地卡林型金矿成矿年代学研究取得的主要进展,揭示出215~200 Ma和155~140 Ma两期卡林型金矿成矿作用,其与华南中生代两期陆内金锑铅锌钨锡多金属成矿系统高度一致。《热液成矿系统构造控矿理论》(杨立强等,2024)提出构造是热液成矿系统的一级控矿因素,构造流体耦合成矿机理和定位规律是前沿研究命题,其关键在于:查明控矿构造格架与背景、构造变形机制与变形相序列、成矿流体性质与运移通道,恢复成矿构造应力场和应力状态,模拟水岩反应过程,反演金属沉淀机制和成矿部位,确定成矿中心和矿体空间定位。

    “沉积盆地分析与多种能源勘探”栏目收录9篇文章,主要聚焦沉积盆地动力学、页岩油气、氦气、砂岩铀矿和地热等多种能源研究。随着地球系统科学的发展,沉积盆地和多种能源地质学已进入了地球圈层相互作用与资源环境协同演化研究的新时代,建立地球系统演化与沉积盆地和多种能源形成之间的内在关系,揭示全球不同地质环境中的多种能源富集规律,是当前的前沿科学问题。《沉积盆地波动过程分析:研究现状与展望》(金之钧等,2024)聚焦沉积盆地波动过程及其控油规律,概述了盆地波动过程分析的基本内涵和主要研究内容,总结了盆地波动过程对油气形成与富集的控制作用,展望了盆地波动研究的未来发展方向。《页岩储层非构造裂缝研究进展与思考》(丁文龙等,2024)针对页岩油气富集、高产、稳产关键制约因素的裂缝问题,分析了近年来国内外页岩非构造裂缝研究成果,重点梳理了非构造裂缝的分类、识别与表征、主控因素、期次及演化序列等方面的研究进展,提出页岩储层非构造裂缝研究的关键问题及未来发展趋势。《页岩含气量现场测试技术进展与发展趋势》(张金川等,2024)概括总结了页岩含气特点、含气量测试技术进展以及页岩含气量现场解析技术发展趋势。《美国典型富氦无机成因气田中氦气地质特征与聚集机制》(杨怡青等,2024)聚焦美国西南部科罗拉多高原及其附近落基山脉典型富氦无机成因气田,系统分析该气藏的地质背景、氦气成藏条件、富集规律及其与CO2 和N2 的关系,为我国氦气勘探开发提供借鉴与支持。《壳源氦气成藏主控因素及资源评价方法研究》(吴义平等,2024)针对氦气资源评价方法、资源评价参数等系列难题,概述了壳源氦气成藏主控因素,构建了基于源储同生关系的4类10种氦气资源分级分类评价方法体系,解决了氦气资源评价的技术瓶颈。《氦气地质理论认识、资源勘查评价与全产业链一体化评价关键技术》(陶士振等,2024)揭示出氦气富集受控于优质氦源、高效输导、适宜载体三大要素,揭示氦气分布于近氦源、低压区、高部位的地质规律,构建了氦气含量和稀有气体同位素准确检测技术、多尺度断裂智能识别技术和全产业链一体化评价关键技术。《砂岩型铀矿形成的新模式:来自深部有机流体的成矿作用》(刘池洋等,2024)聚焦我国最大的砂岩型铀矿矿集区———鄂尔多斯盆地北部伊盟隆起铀矿物质来源,系统分析代表性矿物铀石(形成于强还原环境)及其共生矿物的地球化学特征、矿化环境、成矿年龄,结合盆地煤系气源岩富铀特征等,提出了铀源来自深部的铀成矿新模式,拓展了盆地铀矿勘探思路和领域。《陕北靖边高铬地下水中硝酸根分布及来源》(郭华明等,2024)针对鄂尔多斯盆地北部靖边地区地下水高铬特征,测试了地下水和沉积物样品中关键地球化学组分,厘定了高浓度硝酸根的分布规律和来源,揭示高铬地下水中硝酸根对铬富集的贡献。《地热资源勘探开发技术与发展方向》(孙焕泉等,2024)强调了地热资源科学高效开发利用对保障国家能源安全、加快构建清洁低碳安全高效的能源体系的战略和现实意义,分析了我国地热资源分布特征和开发利用现状与技术,建议加强基础理论研究和原始技术创新,尽快摸清我国深层地热资源家底,攻关高温钻完井、复杂结构井、深层热储改造、井下换热、干热岩EGS工程等关键技术。

    “环境变化与生物圈层相互作用”栏目收录7篇文章,主要包括近年来有关晚中生代—新生代全球气候环境变化、生物地球化学循环、微生物圈层相互作用等创新性研究成果与进展。《松辽盆地国际大陆科学钻探:白垩纪恐龙时代陆相地质记录》(王成善等,2024)概括介绍了松辽盆地国际大陆科学钻探所获得的成果:实现了研究白垩纪陆地气候与环境演变、探索大规模陆相有机质富集机理的科学目标,取得了一系列创新性研究成果,建立了松辽盆地陆相白垩系高分辨率、高精度年代地层框架,揭示了白垩纪陆地气候演变规律,构建了松辽盆地演化的新机制,加深了对温室气候的科学认识,为预测未来气候变化趋势提供了科学依据,同时,为松辽盆地油气勘探可持续发展提供了重要科学支撑,产生了显著的社会效益和重大的国际与国内影响。《松辽盆地白垩纪综合年代地层格架》(吴怀春等,2024)系统地总结了松辽盆地白垩纪大陆科学钻探岩石地层学、生物地层学、磁性地层学、同位素年代学和旋回地层学的研究成果,建立了松辽盆地白垩纪高分辨率综合年代地层格架,为理解白垩纪陆地生命环境演变及其对重大地质事件的响应提供了高精度地质年代约束。《末次间冰期全球气候瞬变模拟与平衡态模拟的对比研究》(江南萱等,2024)瞄准国内外古气候研究热点之一的末次间冰期,利用约1°水平分辨率的全球气候模式CESM(Community Earth System Model)开展末次间冰期瞬变模拟(129~124 ka)与平衡态切片(127 ka)模拟试验,量化数值试验方案对模拟的末次间冰期气候的影响,为深入认识末次间冰期气候变化及机理提供重要的科学依据。《重建南海27 Ma以来高分辨率碳酸盐补偿深度》(王家昊等,2024)综合分析大洋钻探(ODP,IODP)南海相关航次获取的14个站位20个钻孔的岩心物质数据和年龄深度模型,重建了南海古水深,绘制了27 Ma以来的南海海洋碳酸盐补偿深度(CCD)演化曲线,重点讨论了南海构造事件与气候事件作用下CCD的响应,以及演化过程中太平洋深水团与南海深部海水之间的联系。《人类世生物地球化学循环及其科学》(刘丛强等,2024)基于地球系统科学的最新进展,全面综述了人类世全球变化的特征、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、生产和消费模式变化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,提出了人类世生物地球化学研究的优先领域和方向。《小小地质微生物演绎跨圈层的相互作用》(谢树成等,2024)瞄准地球系统科学层圈相互作用,聚焦地质微生物对于地球系统过程的响应,介绍了地质微生物对火山活动、气候环境变化、动植物演化灵敏的响应能力,提出未来有望在地球系统内外层圈联动、表层系统层圈相互作用和生物圈内部相互作用3个层次上取得突破。《黏土矿物微生物相互作用机理以及在环境领域中的应用》(董海良等,2024)系统总结了前人在微生物黏土矿物相互作用方面取得的成果,揭示两者互作用的微观机理,提出黏土矿物为微生物提供保护、营养与能量,而微生物调控黏土矿物相变,指出黏土矿物微生物相互作用对于碳、氮、磷、硅等元素地球化学循环具有重要作用并在重金属污染修复、有机污染物降解、有效杀菌等环境治理中具有良好的应用潜力。

    本专辑以地球系统科学为主线, 研究内容涵盖了地球系统层圈相互作用的诸多方面,包括地球系统内部壳幔相互作用、内外部层圈相互作用、外部层圈相互作用。在空间上,从地球深部地质作用过程与动力学到浅表盆山构造响应及其资源能源效应,从全球到聚焦青藏高原、东亚、南海、美国;在时间上,从太古宙克拉通到中新生代构造改造;在内容上,涵盖了地球物理、构造地质、矿床、石油与天然气地质学、古生物、古气候与古环境等方向。希望本专辑能够为广大读者提供新的思路、借鉴和启示,推动地球系统科学的深入研究和快速发展。

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    地球动力学与深部过程
    洋中脊动力学与俯冲带地震-岩浆-成矿事件远程效应
    成秋明
    2024, 31(1): 1-14. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.23

    摘要 ( 1079 )   HTML ( 36 )   PDF(6135KB) ( 225 )  

    板块俯冲带和大陆岩浆弧的深部过程与极端地质事件之间存在密切的关系。板块俯冲与造山过程会导致地震、岩浆活动和成矿等事件的发生。这些极端事件的发生与俯冲过程中的壳幔相互作用、地幔楔形成、岩石圈部分熔融、构造-岩浆活动等因素密切相关。然而,人们对洋中脊新生地壳的不均匀性或先天“缺陷”对以上的极端事件的长远影响和远程效应了解甚少。在洋中脊新的地壳形成过程中,由于受到板块扩张、压力降低、软流圈物质上涌等因素的作用,导致新生地壳温度升高、孔隙度和裂缝发育、密度降低、结构复杂的正反馈过程。因此,新生地壳在密度、强度、温度、厚度等方面存在非均质性。这些地壳的差异性将影响和决定板块在扩张和俯冲过程中的行为,并对板块俯冲作用形成的地震、岩浆和成矿等事件产生远程影响。以太平洋俯冲和安第斯造山带为例研究发现,板块运动速度、板块俯冲角度、板片撕裂、岩石圈厚度、Moho面深度等的突变与地震、火山和斑岩矿床的时空分布存在远程关联效应,这些认知对预测板块俯冲-碰撞带发生的极端地质事件的时空分布具有重要意义。

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    大地幔楔的两个深部碳循环圈:差异及宜居效应
    李曙光, 汪洋, 刘盛遨
    2024, 31(1): 15-27. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.10.7

    摘要 ( 1067 )   HTML ( 13 )   PDF(7453KB) ( 211 )  

    本文总结评述了西太平洋板块深俯冲及在东亚地幔过渡带滞留和与之相关的晚白垩世和新生代东亚板内玄武岩共同构成的大地幔楔板内深部碳循环圈存在的证据;探讨了大地幔楔板内碳循环圈与岛弧系统碳循环圈在地幔碳酸盐化交代介质、碳酸盐种属、氧化还原反应及碳酸盐化地幔部分熔融发生机制等方面的差异和对显生宙大气氧含量保持稳定及温室效应周期性变化的影响;并指出了定量估计深俯冲碳酸盐歧化反应还原成金刚石而留在地幔过渡带和通过板内玄武质火山返还大气的碳各自所占有比例应是未来需研究的重要课题。

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    大陆下地壳
    张艳斌, 翟明国, 周艳艳, 周李岗
    2024, 31(1): 28-45. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.12.27

    摘要 ( 1065 )   HTML ( 15 )   PDF(4524KB) ( 181 )  

    大陆下地壳是连接岩石圈地幔和上地壳的“纽带”,是地壳与地幔交换最活跃的部位。上地幔与下地壳的部分熔融及下地壳一些岩石的拆沉还可直接导致壳-幔物质的交换、循环与重组。换言之,下地壳是壳-幔作用的一个极其重要的场所,底垫、拆沉、深熔、高级变质和其他作用都在下地壳中发生和实现。然而,下地壳是以往研究地球深部和浅部关系时被“跳”过去的部位,没有得到足够的重视。克拉通化定义为大陆原来混沌的原地壳分异并形成稳定的上地壳和下地壳,并由此构建了稳定的壳-幔结构,这种空前的稳定关系从形成起一直维持到现在,是大陆演化、洋-陆与壳-幔相互作用的基础。在板块边界的造山过程中,如洋-陆的俯冲碰撞特别是陆-陆碰撞,可以形成不同大陆地块的陆壳叠置、加厚、垮塌、拆沉、底垫和重新稳定,在造山带根部形成新的下地壳,即造山带型下地壳。本文重点讨论了克拉通型下地壳演化过程,强调了其动力学意义及其在大陆动力学研究中的重要地位,建议在深地研究和学科布局中给与充分重视。

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    元地球与数字孪生:思想突破、技术变革与范式转换
    李三忠, 索艳慧, 戴黎明, 王亮亮, 姜兆霞, 曹现志, 苏国辉, 刘丽军, 周建平, 李玺瑶, 刘洁, 朱俊江, 乔璐璐, 王光增, 姜素华, 王秀娟, 刘琳, 管红香, 李晓辉, 胡军, 刘鹏, 刘泽, 董冬冬, 郭玲莉, 邹志辉, 董昊, 钟世华, 孙国正, 刘洋, 于胜尧, 吴立新, 邹卓延, 孙毅
    2024, 31(1): 46-63. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.48

    摘要 ( 1014 )   HTML ( 9 )   PDF(9509KB) ( 126 )  

    数字孪生在航天、工业制造领域已应用了20多年,但引入海洋科学还是首次。通过数字孪生技术,实现真实地球与虚拟地球的融合,构建一个真实地球与数字地球的虚实共同体,这里称为“元地球”。本文介绍了元地球与早期提出的数字地球、虚拟地球、玻璃地球、智慧地球的本质区别,进而突出元地球理念或思想上的巨大突破。基于现今元宇宙BIGANT技术体系,构架跨越地球各圈层的实时、全天候、立体观测感知系统,打通地球系统各圈层动力学模拟隔阂,实现超越现今地球,再现深时地球,实现时空穿越,从而集数字地球、虚拟地球、玻璃地球、智慧地球、现今地球、深时地球的特性于一个共同体,这个深时的虚实共同体就是元地球。这一理念必将催生新的技术范式变革,进而超越现实地球、虚拟地球,开启人类认识地球、探测地球、开发地球的全新方式。在实现研究范式转换的同时,推动元地球的多场景应用,这也必将催生未来的万亿新产业。

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    基于DEW模型的地球深部流体组成与水岩相互作用计算方法综述
    兰春元, 张立飞, 陶仁彪, 胡晗, 张丽娟, 王超
    2024, 31(1): 64-76. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.12.20

    摘要 ( 984 )   HTML ( 2 )   PDF(2082KB) ( 76 )  

    水岩相互作用会导致流体中元素的价态、赋存形式等发生改变,进而对元素的富集成矿、循环通量等产生影响。由于地球深部样品与实验数据有限,建立和使用地球深部流体模型可以有效地增加人们对深部流体及水岩相互作用的认知。Deep Earth Water(DEW)模型是一种描述地球深部流体热力学性质的数据库,其可以与矿物热力学数据库联用,实现对地球深部水岩相互作用过程的模拟研究。本文阐释了使用DEW模型描述深部流体的必要性,叙述了应用DEW模型进行深部流体物种和水岩相互作用计算的基本原理,介绍了一种基于DEW模型计算流体物种的软件——FluidsLab,列举了地球深部流体以及水岩相互作用的应用案例与研究现状,最后对DEW模型后续的应用与发展方向进行展望。

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    华北克拉通演化及其效应
    华北克拉通新太古代晚期岩浆作用:对构造体制和克拉通化的启示
    万渝生, 董春艳, 颉颃强, 李鹏川, 刘守偈, 李源, 王宇晴, 王堃力, 刘敦一
    2024, 31(1): 77-94. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.12.21

    摘要 ( 1006 )   HTML ( 5 )   PDF(4886KB) ( 121 )  

    在对华北克拉通太古宙基底作简要介绍的基础上,本文总结了华北克拉通新太古代晚期(主要为2.55~2.5 Ga期间)岩浆岩的锆石年龄分布模式、地球化学和Nd-Hf-O同位素组成特征。华北克拉通新太古代晚期变质基底的主要特征如下:(1)新太古代晚期岩石在华北克拉通广泛分布,但许多地区都存在中太古代晚期—新太古代早期地质记录。(2)岩浆锆石年龄主要变化于2.55~2.5 Ga,年龄峰值约为2.52 Ga。(3)与新太古代早期以前(>2.6 Ga)的英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩(TTG)相比,新太古代晚期英云闪长岩和花岗闪长岩比例明显增大。富钾花岗岩、闪长-辉长岩(包括闪长岩、辉长岩及两者之间过渡岩石)、赞岐岩(Sanukite,主体为富镁闪长岩)分布范围和规模也明显增大。大规模富钾花岗岩主要分布于华北克拉通东部,构成新太古代晚期双岩浆岩带的富钾花岗岩带。(4)在新太古代晚期变质基底分布区,几乎都有变质表壳岩存在。它们以较小规模存在于TTG和富钾花岗岩中。岩石类型包括变玄武质岩石、变质安山质-英安质火山岩/火山碎屑岩和变质碎屑沉积岩。一些地区存在变质超基性岩。(5)总体上,新太古代晚期地质事件存在如下演化规律:首先是表壳岩形成,然后是TTG侵入,最后是变质变形和富钾花岗岩形成。2.6~2.55 Ga为华北克拉通岩浆构造的“寂静期”。(6)新太古代晚期TTG岩石的Sr/Y和La/Yb比值存在很大变化,中-高压TTG岩石大量形成表明新太古代晚期陆壳规模、厚度发生了明显增大。至少部分富钾花岗岩在形成过程中有沉积物参与。(7)不同类型TTG岩石具有类似的全岩Nd同位素和岩浆锆石Hf同位素组成,Nd-Hf同位素亏损地幔模式年龄主要分布在3.0~2.5 Ga,与中太古代晚期—新太古代早期岩石的模式年龄相近或稍偏年轻。富钾花岗岩Nd-Hf同位素组成特征受物源区早期形成演化历史制约。岩浆锆石O同位素组成与全球太古宙岩浆锆石类似,但显示更大的变化范围。结合其他研究,上述证据表明:(1)中太古代晚期—新太古代早期是华北克拉通陆壳增生最重要时期,这与全球其他许多克拉通类似,不同之处在于华北克拉通遭受了新太古代晚期构造岩浆热事件强烈改造;(2)在华北克拉通,类似于现代板块运动的构造体制在新太古代晚期开始启动;(3)规模最大的BIF(条带状铁建造)沿华北克拉通东部古老陆块西缘的双岩浆岩带分布,鞍本和冀东之间、冀东和鲁西之间是BIF找矿重要靶区;(4)华北克拉通在新太古代晚期完成初始克拉通化。

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    冀北红旗营杂岩多期变质作用:古元古代俯冲/碰撞—晚古生代伸展—早中生代挤压的记录
    魏春景, 赵亚男, 初航
    2024, 31(1): 95-110. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.41

    摘要 ( 959 )   HTML ( 6 )   PDF(5176KB) ( 82 )  

    冀北红旗营杂岩记录了从古元古代到早中生代多期构造-热事件,并可能存在支持古元古代洋壳俯冲的关键证据,但是对其形成时代、变质演化历史和大地构造属性等众说纷纭。本文以总结红旗营杂岩变质作用和年代学研究为基础,探讨其复杂的多期构造演化过程。红旗营杂岩包括表壳岩、赤城混杂岩和正片麻岩三个岩石-构造单元。正片麻岩以古元古代(1.87~1.82 Ga)花岗闪长岩-二长花岗岩-正长花岗岩为主, 出现少量新太古代(2.55~2.53 Ga)英云闪长质-花岗闪长质片麻岩。赤城混杂岩为典型蛇绿混杂岩,由退变榴辉岩(斜长角闪岩)和橄榄岩块体以及变质沉积岩组成,形成时代可能>1.88 Ga。表壳岩主要包括不同变质程度的碳质碎屑岩-碳酸盐岩和少量火山岩,可能形成于2.1~2.0 Ga。综合分析赤城混杂岩中的退变榴辉岩、斜长角闪岩和凤山地区含十字石石榴云母片岩的变质作用演化,可划分出5期变质作用。第一期变质作用(M1)存在于凤山地区的云母片岩中,为中压型,顺时针型p-T轨迹,峰期变质条件为1.0~1.1 GPa/> 780 ℃,变质时间为约1.95 Ga。第二期变质作用(M2)见于退变榴辉岩中,顺时针型p-T轨迹,包括升温升压至峰期和峰后等温降压演化阶段,峰期p-T条件为>2.2 GPa/约750 ℃,地热梯度约为9 ℃/km。尽管退变榴辉岩中多数锆石限定晚古生代变质年龄,但榴辉岩相变质作用时间应>1.88 Ga。第三期变质作用(M3)出现于凤山地区的云母片岩中,以含十字石组合叠加在M1高级变质组合为特征,顺时针型p-T轨迹,峰期变质条件为0.6~0.7 GPa/610~630 ℃,变质年龄约为1.88 Ga。第四期变质作用(M4)出现于赤城混杂岩的斜长角闪岩中,由早期榴辉岩组合叠加变质形成,显示“大于号”形p-T轨迹,包括峰前减压升温和峰期后减压冷却变质过程,峰期p-T条件为0.5~0.7 GPa/780~830 ℃,地热梯度约为35 ℃/km(低压型),变质时间为晚古生代(354~289 Ma),并伴随广泛深熔作用。第五期变质作用(M5)以局部叠加绿片岩相组合为特征,为顺时针型p-T轨迹,推测变质作用时间为255~234 Ma。M1中压型变质作用与在华北克拉通西部2.0~1.95 Ga发生的碰撞造山事件有关;M2高压型变质作用与沿华北克拉通北缘1.95~1.88 Ga期间发生的洋壳俯冲有关,是支持现在样式板块构造启动的有力证据之一;M3中压型变质作用指示在华北克拉通北缘于1.88~1.83 Ga期间发生的另一次碰撞造山事件;M4低压型变质作用为晚古生代华北克拉通北缘区域伸展所致;M5低温型变质作用与沿索伦缝合带发生的碰撞闭合事件有关。可见,红旗营杂岩5期变质作用记录了古元古代碰撞-俯冲-碰撞、晚古生代伸展和早中生代挤压的复杂构造过程。红旗营杂岩在经历古元古代俯冲-碰撞事件之后位于不同地壳深度。西部红旗营表壳岩和赤城混杂岩位于中-下地壳层次,其中锆石记录了1.72~1.66 Ga、约450 Ma、354~289 Ma和255~234 Ma等多期热事件;而东部凤山地区表壳岩则位于中-上地壳,缺少后期热事件的锆石和独居石年龄记录。

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    条带状铁建造消失之谜:铁-硅互层机制研究进展与展望
    王瑞敏, 沈冰
    2024, 31(1): 111-126. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.11.8

    摘要 ( 969 )   HTML ( 10 )   PDF(9263KB) ( 196 )  

    条带状铁建造(banded iron formation,BIF)是指以铁-硅韵律层结构为特征的化学沉积岩。BIF不仅是重要的铁资源,也是记录早期地球演化、早期微生物活动和大气-海洋氧化还原状态的重要载体。BIF的出现和消失与重要环境事件的演变密切相关。BIF在>3.8 Ga首次出现,并在第一次大氧化事件前大量形成,在1.8~0.8 Ga沉积中断,而在成冰纪雪球地球冰期中复现,最终消失在显生宙的氧化海洋中。传统模型认为BIF的出现与消失主要受控于海洋中Fe(II)离子的含量。在1.8~0.8 Ga期间,构造-岩浆-热液活动减弱,海洋氧化还原剧变(氧化/硫化)导致海水中的Fe(II)被大量耗尽,BIF消失。然而,地球化学证据表明中元古代深海区域仍处于铁化状态,即Fe(II) 可以稳定存在的氧化还原状态;沉积学证据也表明中元古代仍有大量的铁岩沉积。这些富铁沉积的大量出现,表明中元古代的海洋仍具有沉积铁岩/富铁层的条件,只是不再出现BIF这种“铁-硅互层”的韵律沉积。因此,BIF在1.8~0.8 Ga的沉积中断并不是由Fe(II)耗尽造成的,而很可能与海水中铁-硅循环变化导致“铁-硅互层”沉积模式的改变有关。本文对BIF的地质学特征进行了概述,深入探讨了BIF中富铁-富硅层的沉积模式,并从Fe(II)的来源差异和Fe(II)的氧化差异及Fe(III)的保存差异3方面全面综述了BIF “铁-硅互层”机制的研究进展。在此基础上,尝试找出解决中元古代BIF消失之谜的可能方向。最后,对BIF的成因机制所承载的前寒武纪铁-硅生物地球化学循环、早期地球演化过程和早期生命信息等方面提出展望。

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    内蒙古大青山-盘羊山晚中生代-早新生代构造事件及其对华北北缘构造演化的启示
    张进江, 郑剑磊, 王海滨, 郭磊, 刘江, 戚国伟
    2024, 31(1): 127-141. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.10.11

    摘要 ( 985 )   HTML ( 5 )   PDF(6056KB) ( 85 )  

    内蒙古大青山和盘羊山位于华北克拉通北缘,其复杂的地质构造对华北克拉通北部中—新生代构造演化具有重要的指示作用。大青山以北的盘羊山逆冲体系,形成于晚二叠世至早三叠世古亚洲洋的闭合,晚侏罗世可能受蒙古-鄂霍次克洋闭合的影响而重新活动。大青山地区发育4期中—新生代变形构造,从老至新依次是:SE-NW向伸展形成的呼和浩特变质核杂岩、NW向逆冲的大青山逆冲体系、以不变形花岗岩为核心的构造穹窿、大青山山前断裂及高角度正断层。发生于约142~132 Ma的SE-NW向伸展,形成于造山增厚地壳的重力垮塌,并形成呼和浩特变质核杂岩和相关的拆离体系。大青山逆冲体系形成于约130~120 Ma,代表造山过程中地壳荷载与板块汇聚的抗衡导致的构造反转,另一可能是古太平洋俯冲的远程效应。自约120 Ma以来,大青山处于一个构造-热松弛期,导致该区约120~90 Ma的冷却事件被广泛记录,并形成以不变形花岗岩(约114 Ma)为核心的穹窿构造;这些事件可能与华北克拉通的峰期破坏相关。大青山山前断裂和相关的高角度正断层开始于始新世,可能是印度-欧亚大陆碰撞和太平洋板块运动方向改变的远程效应所致。古亚洲洋和蒙古-鄂霍次克洋的闭合导致华北克拉通北缘地壳增厚,引发早白垩世造山晚期的垮塌和伸展,形成呼和浩特变质核杂岩。自120 Ma开始,大青山开始受华北克拉通破坏的影响,并形成后造山伸展。新生代,大青山受新特提斯和太平洋构造域的远程影响。

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    中国东部中生代上叠造山系
    任纪舜, 刘建辉, 朱俊宾
    2024, 31(1): 142-153. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.7.15

    摘要 ( 1001 )   HTML ( 3 )   PDF(5607KB) ( 135 )  

    印支运动和燕山运动是中国东部中生代时期两次十分重要的造山运动。由这两次造山运动形成的构造带,既不是陈国达所说的地壳演化第三阶段的产物,也不是一些学者所谓的由板块内部动力产生的陆内(或板内)造山带。它们是在古太平洋动力体系作用下,在中国东部先成大陆地壳之上形成的上叠造山系,过去我们曾称其为中国东部滨太平洋大陆边缘活动(活化)带。中生代时期,在古太平洋动力体系作用下,于俄罗斯东北部—锡霍特阿林—日本—琉球—中国台湾—巴拉望一带形成亚洲东缘造山系,在邻接亚洲东部陆缘的中国东部大陆地壳之上形成中国东部上叠造山系。二者在同一动力体系作用下,同步发展,共同组成亚洲东部太平洋构造域规模宏大的巨型中生代造山系,彻底改变了亚洲东部印支造山前的构造面貌。

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    青藏高原结构构造及成矿效应(“印度-欧亚大陆碰撞及其远程效应”专栏之十)
    青藏高原形成演化动力机制及其远程效应
    刘德民, 王杰, 姜淮, 赵悦, 郭铁鹰, 杨巍然
    2024, 31(1): 154-169. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.146

    摘要 ( 1064 )   HTML ( 13 )   PDF(5959KB) ( 242 )  

    作为第三极的青藏高原的形成是新生代以来的地球节律构造事件中最典型、最显著的新构造运动的结果,其构造地貌特征及其重要性,内部单元组成,构造演化历程及动力机制,以及对周边盆地乃至整个中国大陆的影响及远程效应至今一直是学术关注的焦点。本文重新圈定了青藏高原构造地貌范围,确立了其在全球构造中的地位。青藏高原的远程效应向南北两侧延伸,北到北冰洋,南到太平洋,总体上围绕东经105°经线穿越了整个亚洲大陆,本文采用东经105°所在经线大圆作为划分东西半球的分界线,该线以东为东半球,以西为西半球。青藏高原处于全球最大、最重要的南北向构造和东西向构造的交汇处,其内部的帕米尔高原更是区域构造的中流砥柱。青藏高原起源于帕米尔高原,它是一个印支期的热穹窿,晚期转化出一条直径200 km的异常重力柱,垂直下沉至600 km,构成一个垂向上的挤压-伸展构造,完成于白垩纪。以它为中心向东西扩展,东边三条、西边一条水平方向挤压-伸展构造。喜山期它还遭受到岩体的侵入,白垩系基本上未变形。古近纪,印度陆块与亚洲陆块碰撞,形成先压后升的雄伟的喜马拉雅造山带。以它为中心向北扩展,第四纪3个地幔枝上升,导致整个青藏高原上升。青藏高原形成与演化的深部动力机制模型:早期表现为地质体在垂向上的离心运动和在水平上的伸展运动;后期是以挤压为主的阶段,表现为地质体在垂向上的向心运动和水平上的挤压运动。从驱动力的角度,早期以热能为主驱动力,后期以重力势能为主驱动力。青藏高原的隆升及其形成演化是欧亚陆块新生代最令人瞩目的地质事件,其直接影响到岩石圈浅部及地壳表层与人类生存发展息息相关的地形地貌、能源、资源、生态、环境和灾害等,产生了具有举足轻重的近区及远程效应。3个远程效应分别是贝加尔湖裂谷、汾渭裂谷以及东非三叉裂谷的形成。本文最后对印支运动的命名和穿时问题、印支运动起止时间和类型、青藏高原是研究各类造山带的最佳基地、喜马拉雅造山带东西构造结的确定和帕米尔高原四维动力学模型的探索等5个问题进行了简单讨论。

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    基于短周期密集台阵接收函数揭示的藏南错那洞穹窿地壳结构
    蔡蔚, 卢占武, 黄荣, 李文辉, 罗银河, 王光文, 穆青, 程永志, 陈司, 王冠, 陈子龙
    2024, 31(1): 170-180. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.10.15

    摘要 ( 968 )   HTML ( 4 )   PDF(5742KB) ( 58 )  

    位于印度-欧亚板块碰撞前缘的北喜马拉雅构造带,是研究陆陆碰撞过程中地壳增厚和深部岩浆活动的典型区域之一。北喜马拉雅穹窿带作为其中重要的伸展构造,其形成过程与造山运动引起的地壳增厚以及地壳深熔作用引起的地壳流动密切相关。本文以近年新发现的错那洞穹窿为例,利用短周期密集台阵观测,通过远震P波接收函数共转换叠加成像方法获取了错那洞穹窿区域地壳结构。结果表明:错那洞穹窿区域的地壳结构在东西方向上存在差异,壳内速度间断面存在多处不连续现象,局部区域甚至发生界面错断;而在错那裂谷和错那洞穹窿中、上地壳内存在低速区。综合前人研究,本文认为印度-欧亚板块持续碰撞使喜马拉雅东南缘岩石圈经历过地壳尺度拉伸变形。在地壳增厚及持续的高温变质作用下,中、上地壳随藏南拆离系伸展减压发生部分熔融,而熔融岩浆沿着藏南拆离系薄弱处不断上涌并在错那洞穹窿下方聚集,并使错那洞穹窿及错那裂谷中、上地壳弱化,促进区域东西向伸展,进而发生岩浆底辟形成错那洞穹窿。

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    大地电磁法的应用综述:以川滇地区为例
    邓琰, 徐玉超, 范晔, 孙贵成, 董泽义, 韩冰
    2024, 31(1): 181-200. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.25

    摘要 ( 978 )   HTML ( 7 )   PDF(5030KB) ( 109 )  

    大地电磁法(包括音频大地电磁、宽频带大地电磁和长周期大地电磁)是探测近地表至上地幔深度的地球物理方法之一,以其对低阻体的敏感性,在深部结构探测、地震孕育环境、地球动力学以及地热和资源勘探等领域发挥着重要作用。川滇地区处于特提斯构造域的东段,诸多(微)板块在此碰撞拼贴,是青藏高原内部物质东流或块体侧向挤出的重要通道。川滇地区受板块边界的断裂带或者说缝合带相互切割及影响,是解析区域构造变形、孕震环境以及物质迁移的重要窗口。在简要介绍大地电磁法理论的基础上,也介绍了近年来兴起的人工源极低频电磁方法,本文综述了大地电磁法在川滇地区的应用,主要包括在地震孕育、火山和地热活动、成矿活动、构造与动力学以及电磁同震效应方面的应用,以较全面的视角为地球科学相关领域的学者提供川滇地区大地电磁学领域开展的工作。

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    西藏南部极低级变质岩及其地质与资源意义
    毕先梅, 莫宣学, 刘艳宾
    2024, 31(1): 201-210. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.66

    摘要 ( 1043 )   HTML ( 5 )   PDF(4083KB) ( 52 )  

    极低级变质作用(very low-grade metamorphism)是当代地球科学的前沿研究课题之一。极低级变质岩(very low-grade metamorphic rocks)既是地质过程的记录,又在资源环境方面有实用意义。西藏南部广泛分布着处于成岩-极低级变质-低级变质阶段的岩石。它们记录了从新特提斯到青藏高原形成发展的诸多信息,并为在西藏南部寻找油气资源提供了有用的线索。本文对采自西藏南部不同地点和构造单元的71件珍贵的富含黏土矿物的岩石样品进行了XRD分析,获得了71套以伊利石结晶度(Ic)为主的黏土矿物数据。数据表明,这些岩石的伊利石结晶度(Ic)在0.21°~1.61°(Δ2θ)范围内,分别落在低级成岩区、高级成岩区、极低级变质区、低级变质区。不同构造单元显示不同的变质特点。北喜马拉雅碳酸盐台地P2,J-K,K2均属极低级变质,N显示早期成岩阶段特征。拉轨岗日被动陆缘盆地发育P1,T1,T2,T3,J1,J-K,K1,K2地层,绝大多数均遭受极低级变质,总的趋势是随着时代变新变质程度逐渐降低,具有埋藏变质的特点。也有部分样品的Ic落在成岩带内,提供了寻找油气的线索。从雅鲁藏布蛇绿(混杂)岩带中的沉积岩样品获得两组数据:一组相当于成岩阶段;另一组相当于极低级变质。初步解释,前者可能反映蛇绿岩形成时的古环境条件,后者可能代表蛇绿岩碰撞定位阶段的记录。日喀则弧前盆地中K2(日喀则群)虽然有较强的褶皱变形,但变质程度不高,属高级成岩带,可能说明晚白垩世弧前盆地沉积并未卷入俯冲作用。冈底斯岩浆弧中侵入岩、火山岩、沉积岩均发育,沉积岩的伊利石结晶度(Ic),落入低级变质-极低级变质-成岩作用带的较宽范围,并显示埋藏变质与岩浆作用叠加的特点。西藏南部成岩阶段沉积岩-极低级变质岩中还蕴藏着有关石油天然气的信息。特别是,白垩纪中期发生的全球性的缺氧事件,也影响了西藏南部地区,已经在岗巴-定日盆地发现典型的黑色页岩,厚度巨大。前人研究还认为,定日-岗巴被动大陆边缘、羌塘周缘前陆盆地、冈底斯弧背盆地具有良好含油气前景。本文对西藏南部极低级变质作用和极低级变质岩做了初步研究,期望今后有更深入的研究。

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    深部过程和物质架构对大陆碰撞带Cu-REE成矿系统的控制:以冈底斯和三江碰撞带为例
    王瑞, 张京渤, 罗晨皓, 周秋石, 夏文杰, 赵云
    2024, 31(1): 211-225. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.12.19

    摘要 ( 986 )   HTML ( 2 )   PDF(6639KB) ( 100 )  

    青藏高原是全球最典型的大陆碰撞带,发育世界级规模的斑岩Cu成矿带和REE成矿带,但目前尚不清楚大陆碰撞如何控制它们的形成。基本问题是:触发碰撞增厚的岩石圈熔融的机制,岩石圈架构与Cu-REE成矿的关系以及Cu-REE和挥发分的来源及成矿机制。利用深反射地震和卫星重力数据的联合反演,结合大地电磁(MT)阵列和地球化学数据,对冈底斯正向碰撞带和三江侧向碰撞带的岩石圈结构进行了成像分析,探讨深部过程和物质架构对于Cu-REE成矿的控制。新生代印度大陆-亚洲大陆碰撞过程中,俯冲的印度大陆岩石圈发生了显著的撕裂,从而为软流圈上升流提供了通道,改造了上覆的岩石圈并引发融熔。这一过程产生超钾质熔体,这些熔体上升并在地壳底部积聚,其高的热流值和挥发分释放诱发了上覆新生下地壳的熔融形成富水岩浆,角闪石分离结晶造成岩浆氧化,这种富水高氧逸度的岩浆有利于Cu的迁移和富集。研究表明,三个关键因素形成了与碰撞相关的斑岩矿床:中等角度板片俯冲,板片撕裂和富硫化物新生下地壳的熔融。在三江侧向碰撞带的扬子克拉通边缘,由印度大陆俯冲或地幔对流驱动的热软流圈的垂直上升流和横向流动导致克拉通大陆岩石圈发生热侵蚀和部分熔融。克拉通边缘的大陆岩石圈先前经历了来自再循环海洋沉积物的富含REE和CO2的流体的交代作用,从而富集了REE,后来又被沿着岩石圈不连续面(例如走滑断层、裂谷)上升的碳酸岩熔体携带,形成大型的碳酸岩型稀土矿床。而缺乏源区交代作用的克拉通大陆岩石圈的熔融可能会产生碳酸岩、超钾质岩和镁铁质岩熔体,但它们形成碳酸岩型稀土矿床的潜力有限。

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    陆内成矿作用与成矿系统(华南中生代陆内成矿作用)
    华南中生代陆内成矿作用
    胡瑞忠, 高伟, 付山岭, 苏文超, 彭建堂, 毕献武
    2024, 31(1): 226-238. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.9

    摘要 ( 1470 )   HTML ( 9 )   PDF(6348KB) ( 164 )  

    陆内成矿机制是全球性科学难题。华南陆块中生代成矿大爆发,成矿作用远离活动大陆边缘,形成西部金锑铅锌低温成矿省和东部钨锡多金属高温成矿省,是研究陆内成矿的理想场所。因为空间上的分离,两个成矿省长期被认为是互为独立的体系。研究发现,西部低温成矿(230~200 Ma、160~130 Ma)与东部高温成矿时代一致并显示类似的地球化学指纹,印支期陆内造山和燕山期软流圈上涌是其共有成矿驱动机制,两个成矿省是具有成因联系的整体,共同构成面状展布的巨型多金属陆内成矿区;成矿后华南从西向东剥蚀程度的增强控制了目前近地表矿西部低温、东部高温的空间分布格局,低温成矿省东部区域的深部可能存在高温钨锡多金属矿床。在此基础上,建立了定位于陆内岩石圈先存薄弱区、陆壳供给矿源、高低温矿并重、成矿面状展布从而明显区别于板块边缘成矿机制的华南陆内成矿新理论。

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    热液成矿系统构造控矿理论
    杨立强, 杨伟, 张良, 高雪, 申世龙, 王偲瑞, 徐瀚涛, 贾晓晨, 邓军
    2024, 31(1): 239-266. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.40

    摘要 ( 1091 )   HTML ( 7 )   PDF(5137KB) ( 214 )  

    构造对成矿的控制是热液成矿系统的典型特征之一,系统剖析多重尺度控矿构造的几何学、运动学、动力学、流变学和热力学对认识矿床成因和预测找矿至关重要;而如何实现控矿构造格架、渗透性结构、成矿流体通道和矿化变形网络由静态到多尺度时-空四维动态的转变,查明流体通道和矿床增量生长过程与控制因素,揭示热液成矿系统的构造-流体耦合成矿机制和定位规律是亟待解决的关键科学难题。为此,我们在对已有相关成果系统梳理的基础上,提出了科学构建热液成矿系统构造控矿理论的基本要点与对应方法及应用范畴:(1)流体而非构造是构造控矿理论的中心,热液系统的流体流动与成矿作用受控于断裂带格架及其渗透性结构,其中渗透率是将流体流动与流体压力变化联系起来理解控矿构造的核心;(2)不同控矿构造组合的关键控制是构造差应力和流体压力的大小,而矿化类型的变化可能是由于构造应力场引起的容矿构造方位的不同和赋矿围岩之间的强度差异所致;(3)流体通道的生长始于超压流体储库上游围岩中孤立的微裂隙沿流体压力梯度最大的方向、随裂隙发育且相互连结而形成新的长裂隙,并最终连通形成断裂网络内的流体通道,矿床的增量生长发生在高流体通量的短爆发期,断层反复滑动驱动其内流体压力、流速和应力快速变化,当由此诱发的流体通道生长破坏了流体系统的动态平衡时,随之而来的流体快速降压就成为金属沉淀成矿的关键驱动因素;(4)以热液裂隙-脉系统野外地质观测和构造-蚀变-矿化网络三维填图为基础,通过宏观与微观各级控矿构造相结合、地质历史与构造应力分析相结合、局部与区域点-线-面相结合、浅部与深部相结合、时间与空间相结合、定性和定量相结合,对各种控矿因素开展多学科、多尺度、多层次、全方位综合研究,是应遵循的基本原则;(5)通过构造-蚀变-矿化网络填图,将蚀变-矿化体与控矿构造的类型、形态、规模、产状和间距等几何学特征联系起来,利用热液裂隙-脉系统和断裂网络拓扑学及矿体三维几何结构分析等定量方法查明控矿构造格架和渗透性结构并揭示矿化变形网络的连通性与成矿潜力;(6)合理构建地质模型,选取合适的热力学参数和动力学边界条件,利用HCh和COMSOL等方法,定量模拟成矿过程中的流体流动、热-质传递、应力变形和化学反应等的时-空变化,是揭示构造-流体耦合成矿机理和定位规律、预测矿化中心和确定找矿目标的有效途径。进而提出了构造控矿理论的研究流程:聚焦构造-流体耦合成矿机制和定位规律这一关键科学问题,选择热液裂隙-脉系统和构造-蚀变-矿化网络为重点研究对象;通过几何学描述、运动学判断、流变学分析、动力学解析和热力学综合,厘定控矿构造格架,定位矿化中心,示踪成矿流体通道和多种矿化样式的增量生长过程及其关键控制,揭示渗透性结构的时-空演变规律及构造再活化与成矿定位的成因关联,建立构造-流体耦合成矿模式,服务新一轮战略找矿突破。以胶东焦家金矿田为例,开展控矿构造理论研究和成矿预测应用实践,证实了其科学性和有效性。

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    右江盆地卡林型金矿成矿年代学研究进展
    高伟, 胡瑞忠, 李秋立, 刘建中, 李献华
    2024, 31(1): 267-283. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.11.39

    摘要 ( 1015 )   HTML ( 7 )   PDF(9477KB) ( 77 )  

    右江盆地是全球仅次于美国内华达地区的第二大卡林型金矿床集中分布区。由于成矿时代的不确定性,盆地内卡林型金矿床的成矿动力学背景一直不清。为准确确定这些金矿床的成矿时代,近四十年来国内外矿床学家进行了孜孜不倦的探索,从早期以石英裂变径迹和流体包裹体Rb-Sr等时线法为代表的定年,到中期以硫化物Re-Os等时线法为代表的单矿物溶样法定年,再到最新以热液金红石、独居石和磷灰石U-Th-Pb法为代表的微区原位定年,其定年对象和方法见证了同位素地质年代学的发展历程。现已基本明确,右江盆地主要发育两期卡林型金矿成矿作用,分别为215~200 Ma和155~140 Ma,相当于印支期和燕山期,其动力学背景分别对应于印支-华南-华北地块碰撞后的印支期陆内造山过程以及燕山期软流圈上涌诱发的岩石圈伸展作用。

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    沉积盆地分析与多种能源勘探
    沉积盆地波动过程分析:研究现状与展望
    金之钧, 陈书平, 张瑞
    2024, 31(1): 284-296. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.30

    摘要 ( 1013 )   HTML ( 6 )   PDF(3575KB) ( 100 )  

    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。

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    页岩储层非构造裂缝研究进展与思考
    丁文龙, 王垚, 王生晖, 刘霆锋, 张子游, 勾通, 张梦阳, 贺湘
    2024, 31(1): 297-314. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.12.5

    摘要 ( 983 )   HTML ( 4 )   PDF(3515KB) ( 74 )  

    随着我国对非常规油气勘探理论的完善和技术的提高,页岩油气勘探开发不断获得突破,其战略地位也在不断上升。页岩储层的品质通常是制约其资源潜力的主要因素,其中裂缝是页岩油气富集、高产、稳产的关键。因此裂缝作为富有机质页岩储层重要的储集空间和渗流通道,其相关研究一直都是该领域内的重点。我国页岩储层内天然裂缝大量发育,而非构造裂缝同样比较发育,对页岩油气的富集和保存评价亦具有重要意义。目前对页岩储层构造裂缝的研究比较深入,而对页岩非构造裂缝的研究则相对薄弱。为此本文在充分调研近年来国内外页岩非构造裂缝研究成果的基础上,重点梳理了非构造裂缝的分类、识别与表征、主控因素、期次及演化序列等方面的研究进展。页岩储层非构造裂缝以成因和形态复杂、分布不规则、尺度较小为特征,依据成因机制差异可将其分为成岩缝、异常高压缝、层理缝和表生缝4个大类,它们的识别与表征目前主要还停留在定性描述的阶段;尽管不同类型的非构造缝主控因素存在差异,但均在不同程度上受控于沉积作用、成岩作用、矿物组分及含量、岩石力学性质,呈现出一定的共性。综合分析并指出了页岩储层非构造裂缝研究的关键问题及发展趋势:一是基于页岩储层岩心、薄片、成像测井、常规测井的典型特征,结合先进图像技术,建立不同类型不同尺度非构造裂缝综合有效识别与定量化表征新方法。二是针对页岩储层非构造裂缝的形成发育具有“多成因类型、多控制因素、多期次演化”的特点,并且页岩非构造裂缝的形成与演化与“古温压、古流体、古成岩”过程联系紧密。据此提出了利用页岩储层非构造裂缝中普遍存在的方解石等充填物的流体地球化学、同位素地球化学(C,O,Sr)及微区原位同位素年代学(U-Pb,Sm-Nd)等先进实验分析技术,综合确定页岩储层非构造裂缝形成时间和活动期次及演化序列是未来研究的关键手段。三是由页岩储层非构造裂缝发育程度与单因素主控因素之间的定性-半定量分析,向多个主控因素耦合控制下的非构造裂缝发育程度的定量研究方向发展,即采用数学方法确定不同主控因素对于裂缝发育程度影响的权重,并构建适合我国页岩非构造裂缝发育程度的综合指数与多个主控因素之间的定量关系模型。

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    页岩含气量现场测试技术进展与发展趋势
    张金川, 王香增, 李中明, 刘树根, 牛嘉亮, 袁天姝, 李兴起, 唐玄
    2024, 31(1): 315-326. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.9.30

    摘要 ( 956 )   HTML ( 1 )   PDF(1617KB) ( 34 )  

    含气量是页岩气勘探评价及生产决策中的关键性基础参数,大三段式现场含气量解吸是准确、经济、快捷的首选方法。有别于煤层气思路,页岩含气量在测试原理、方法、技术及仪器等方面均取得了重要进展。无管化测试技术和小三段式测量方法的提出和应用,在提高解吸气测试精度的同时提供了更多有价值的信息。从借鉴于煤层气的条件回推法到多点测量约束拟合法,页岩损失气测量方法更加摆脱了对假设条件的依赖。基于非接触式扭矩传递的方法原理,实现了残余气测试过程中的全程气密。双三段式的含气量准确测量,为总含气量、游吸比、可采系数等含气结构参数的分析和求取奠定了基础,但页岩的可采气量并不是损失气和解吸气的简单加和。高精度含气量现场解吸的应用领域广泛,高精度解吸数据的系统获得、含气结构多参数的预测评价、智能评价技术的实践应用等,是页岩含气量现场解吸发展的基本方向。

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    美国典型富氦无机成因气田中氦气地质特征与聚集机制
    杨怡青, 陶士振, 陈悦
    2024, 31(1): 327-339. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.70

    摘要 ( 968 )   HTML ( 1 )   PDF(4929KB) ( 72 )  

    美国广泛发育具有经济效益的富氦无机成因天然气田,如其中富氦氮气田甚至可以含有高达10%的氦。原地和周边地区的基底提供充足的氦源而氮气可来自不同圈层,且通常N2/He (He>0.1%)在5~50之间。但是富氦氮气田在美国独特地质环境之外是否也有发现还需要进一步的研究。富氦二氧化碳气田中的氦主要也来自壳源且产量可观。科罗拉多高原上的富氦二氧化碳气田均被认为是来源于新生代晚期的岩浆活动,且该地区岩浆岩具有较高的U、Th含量。地下水溶气脱气-再溶解(Groundwater Gas Stripping and Re-dissolution, GGS-R)模型被普遍认为可以合理解释CO2气藏中氮气、氦等惰性气体的聚集成藏机制。具体来说,幔源CO2载体气充注时将溶解在地下水中的大气源惰性气体与壳源惰性气体脱出成藏,并与地下水达到水/气溶解平衡。虽然不同气田的平衡值各有不同,但是科罗拉多高原上的各气田均显示出相似的范围值,即在相应的储层压力和温度下为0~100 cm3水/cm3气。本文系统分析美国无机成因富氦气藏的氦气生成、运移和聚集机制,讨论氦气在经历氦源岩内游离相扩散初次运移后通过水溶相、气容相集流或是多相渗流方式进行的二次运移及由无机成因载体气N2和CO2共同参与的富集成藏机制,既可为我国氦气勘查提供理论认识依据,也可为二氧化碳地质评价和开发利用及安全封存提供参考。

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    壳源氦气成藏主控因素及资源评价方法研究
    吴义平, 王青, 陶士振, 王建君, 李谦, 张宁宁, 吴晓智, 李浩武, 王晓波
    2024, 31(1): 340-350. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.3

    摘要 ( 1001 )   HTML ( 4 )   PDF(6768KB) ( 75 )  

    当前国内外尚无系统的氦气资源评价方法以及针对性的参数取值标准。通过天然气和氦气的成藏要素对比,明确了载体气和壳源氦气的异源同储、同源同储和同源异储3类共生关系,以及壳源氦气成藏的8个关键因素。构建了4类10种氦气资源分级分类评价方法,其中含量法包括5个亚类,统计法包括1个亚类,类比法包括3个亚类,成因法1个亚类,初步解决了氦气资源定量计算的难题。结果表明:高氦气含量的气藏一般为常压及低压气藏,氦气含量与氦源岩类型、铀钍含量和氦源岩规模3个参数呈正向关系,而与离主断裂距离、埋深和生烃强度3个参数呈负相关,适度的基底构造活动有利于氦气释放及富集。基于8类氦气成藏主控因素与氦气含量的定量关系,建立了氦气含量类比法。基于异源同储不同序的原理,构建了氦气资源规模序列法;基于放射性元素衰变释氦机理,建立了氦气成因法。氦气资源评价方法在国内外得到了较为广泛的应用,研究成果将为我国氦气储量规模发现提供了有效支撑。

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    氦气地质理论认识、资源勘查评价与全产业链一体化评价关键技术
    陶士振, 吴义平, 陶小晚, 王晓波, 王青, 陈胜, 高建荣, 吴晓智, 刘申奥艺, 宋连腾, 陈荣, 李谦, 杨怡青, 陈悦, 陈秀艳, 陈燕燕, 齐雯
    2024, 31(1): 351-367. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.71

    摘要 ( 985 )   HTML ( 4 )   PDF(4043KB) ( 101 )  

    鉴于我国氦气产业链理论技术需求,针对国内外尚无系统的氦气地质理论认识,缺乏针对性的氦气资源评价方法、参数取值标准,缺乏氦气含量综合准确检测、有利富集区优选方法,无成本指标优化体系及全产业链一体化评价方法等卡点和难点,本文运用地质、地球化学、重磁电震、投资经济等多学科方法及实验技术,集中力量攻克氦气成藏机理、资源评价及资产评价的关键技术瓶颈。研发形成1项地质理论认识和3项关键技术:基于典型富氦气藏解剖、地下流体中“氦-气-水”相平衡及相-势耦合分析,研究提出氦气“水溶相、气容相、游离相”3种主要赋存状态、“集流、渗流、扩散”3种运移机理、“近氦源、邻断裂、低压区、高部位”4项分布富集控制因素,初步建立了基于“优质氦源、高效输导、适宜载体”的氦气“生-运-聚”地质理论认识。针对国内氦气含量检测技术参差不齐、部分准确度差、与国外数据差别大、无针对性的氦气资源评价方法等系列难题,以氦气源及氦气含量为核心,研发氦气含量综合准确检测技术,构建4类10种氦气资源评价方法,解决了氦气资源分级分类评价的技术瓶颈。针对基底氦源分布、岩性识别、通源断裂刻画及含氦储层评价难题,创建了归一化重磁下延方案,研发了基于深度学习的多尺度断裂智能识别技术和不同氦气含量下的气藏声学性质模拟方法,为氦源岩分布预测、通源断裂刻画、含氦储层测井解释评价及预测奠定了基础。通过建立多元控氦的富氦区带与目标优选技术,解决了富氦区带与目标优选难题。针对国内贫氦实际情况,以提氦装置投资和操作成本最小化为目标,采用响应面法建立优化目标与各主要工艺参数的非线性回归模型,建立了氦气全产业链一体化评价技术,初步解决了天然气低成本提氦工艺流程优化的技术需求。研究成果为我国长期、安全、规模利用氦气资源资产提供了有效支撑。

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    砂岩型铀矿形成的新模式:来自深部有机流体的成矿作用
    刘池洋, 张龙, 黄雷, 吴柏林, 王建强, 张东东, 谭成仟, 马艳萍, 赵建社
    2024, 31(1): 368-383. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.7

    摘要 ( 998 )   HTML ( 5 )   PDF(8074KB) ( 66 )  

    已有的铀成矿模式大多认为,砂岩型铀矿是浅表层含氧水从盆地周邻蚀源区析出携带的外源铀汇入盆地而成矿。本研究发现,鄂尔多斯盆地北部伊盟隆起东部砂岩型铀矿矿集区的地质演化、地貌特征和铀成矿与此成矿模式相悖。其中令人困惑的关键问题是铀成矿物质的来源。对研究区的代表性矿物铀石(形成于强还原环境)及其共生的矿物进行多种地球化学测试分析发现:铀矿区存在淡水低温和中高盐度热液两类截然不同的铀矿化环境;铀成矿年龄主体小于80 Ma。结合盆地煤系气源岩富铀、天然气耗散量巨大和在伊盟隆起发现大面积分布的多种与成熟煤型气耗散有关的蚀变产物和凝析油苗,综合相关模拟实验和测试分析,提出了铀源来自深部的铀成矿新模式:来自盆地中部深层富铀煤系地层中的溶气热流体,在向伊盟隆起东部高部位运移耗散过程中,萃取并携带母岩和沿途围岩富铀地层中的铀元素运移到浅层,随温压降低亮晶方解石与铀石相伴沉淀完成了热液成矿过程,被析出的大规模有机天然气则在浅表层低温成矿同时为铀矿的保存创造了还原环境。此铀成矿新模式拓展了盆地勘探铀矿的思路和领域,提升了多种能源矿产相互作用的成矿效应和综合评价预测的科学性。

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    陕北靖边高铬地下水中硝酸根分布及来源
    郭华明, 尹嘉鸿, 严松, 刘超
    2024, 31(1): 384-399. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.24

    摘要 ( 1011 )   HTML ( 5 )   PDF(6595KB) ( 58 )  

    天然高铬地下水通常含有较高浓度的硝酸根,然而高铬地下水中硝酸根来源及其联系却并不清楚。本文以陕北黄土高原靖边西南地区的高铬地下水为研究对象,采集了不同深度的地下水和沉积物样品,并测试了地下水样品中的溶解Cr、主要阴阳离子、δ18O、δD、δ18O-NO3δ15N-NO3等以及沉积物的主要组分和可溶性组分。研究结果表明,研究区地下水的水化学组分主要受水文地质条件的影响。第四系黄土潜水水化学类型主要为HCO3-Na型和HCO3-Ca-Mg型;白垩系环河组、洛河组砂岩承压水水化学类型复杂,主要为HCO3-SO4-Cl-Na-Mg型、HCO3-SO4-Na-Mg型、SO4-Cl-Na-Mg型,地下水处于偏碱性、氧化的环境,具有较高的可溶盐含量。潜水的水化学组分主要来自含水层中硅酸盐风化;承压水水化学组分主要来源于蒸发盐的溶解。垂向上,承压水中硝酸根的平均浓度高于潜水和地表水;地下水硝酸根浓度超标率在研究区从东北到西南呈现高-低-高的趋势;沉积物中可溶性硝酸根与地下水样品在深度上具有相似的变化规律,表明地下水硝酸根主要来源于沉积物。δ18O-NO3δ15N-NO3结果表明,硝化反应是研究区氮素循环转化的主要过程。在偏碱性氧化性地下水环境中,受溶解氧、硝酸根和硝化反应等多种因素的共同作用,铬趋于从岩石中氧化溶解,迁移进入地下水中。

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    地热资源勘探开发技术与发展方向
    孙焕泉, 毛翔, 吴陈冰洁, 国殿斌, 王海涛, 孙少川, 张英, 罗璐
    2024, 31(1): 400-411. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.9.25

    摘要 ( 1087 )   HTML ( 7 )   PDF(4567KB) ( 105 )  

    地热资源是重要的非碳基可再生能源,具有本土能源、稳定可靠、绿色低碳等优势。21世纪以来,我国地热直接利用规模稳居世界首位,特别是中深层地热供暖利用快速增长,成为我国在世界地热产业中的鲜明特色。但与此同时,受限于我国绝大部分地区处于板块内部,东部用能旺盛区尚没有规模中高温地热资源发现,我国地热发电产业发展缓慢。基于对我国地热资源分布特征和开发利用情况的分析,总结归纳了我国中深层地热勘探开发利用技术现状,包括地热系统形成机制、选区评价技术、热储描述技术、可持续开发技术及“取热不耗水”关键工程技术等。地热能若要在能源转型中发挥更重要作用,未来需要向品位更高、应用范围更广的深层地热资源进军。建议持续加强基础理论研究和原始技术创新,尽快摸清我国深层地热资源家底,攻关高温钻完井、复杂结构井、深层热储改造、井下换热和干热岩EGS工程等关键技术,推进“地热+”多能协同,加大示范项目建设和应用市场培育。同时,需要建立健全政策法规制度体系,加大政策支持和管理监督力度,为地热产业健康、规范、可持续发展营造良好的环境。

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    环境变化与生物圈层相互作用
    松辽盆地国际大陆科学钻探:白垩纪恐龙时代陆相地质记录
    王成善, 高远, 王璞珺, 吴怀春, 吕庆田, 朱永宜, 万晓樵, 邹长春, 黄永建, 高有峰, 席党鹏, 王稳石, 贺怀宇, 冯子辉, 杨光, 邓成龙, 张来明, 王天天, 胡滨, 崔立伟, 彭诚, 余恩晓, 黄何, 杨柳, 毋正轩
    2024, 31(1): 412-430. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.4

    摘要 ( 1047 )   HTML ( 7 )   PDF(5717KB) ( 143 )  

    过去一百年地球的气候持续变暖,未来地球可能进入两极无冰的温室气候状态。白垩纪是深时典型的温室气候时期,认识白垩纪气候对于理解过去和预测未来气候变化均有重要意义。松辽盆地国际大陆科学钻探以研究白垩纪陆地气候与环境演变、探索大规模陆相有机质富集机理为科学目标,在国际大陆科学钻探计划ICDP框架下,成为全球第一口钻穿白垩纪陆相地层的大陆科学钻探井。项目历时16年,以超97%的取心率获得连续完整的8 187 m岩心,建立了松辽盆地陆相白垩系高精度年代地层框架,重建了松辽盆地白垩纪多时间尺度陆地气候旋回与气候事件,揭示了白垩纪湖-海平面波动机理,确认了松辽盆地发生过海侵事件。松辽盆地国际大陆科学钻探推动了全球地质学家合作研究白垩纪温室气候,带动了一系列高水平学术成果的产出,为松辽盆地油气勘探可持续发展提供了重要科学支撑,产生了显著的社会效益和重大的国际与国内影响。松辽盆地国际大陆科学钻探代表了探索深时的一个具有里程碑意义的阶段。可以预见,未来借助科学钻探,人类会不断增强对深时气候环境演化等方面的认识。

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    松辽盆地白垩纪综合年代地层格架
    吴怀春, 李山, 王成善, 褚润健, 王璞珺, 高远, 万晓樵, 贺怀宇, 邓成龙, 杨光, 黄永建, 高有峰, 席党鹏, 王天天, 房强, 杨天水, 张世红
    2024, 31(1): 431-445. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.22

    摘要 ( 1091 )   HTML ( 5 )   PDF(8617KB) ( 114 )  

    白垩纪是典型的温室气候时期,也是全球大规模烃源岩形成时期,但对于温室气候背景下陆地的环境状态、气候变化、生命响应及其演化规律尚不清楚;陆相有机质及大规模烃源岩堆积与气候环境变化之间的关系还不明确。中国东北的松辽盆地发育了世界上最完整的白垩纪陆相沉积记录,烃源岩在盆地内广泛分布,是研究白垩纪陆地气候-环境变化和烃源岩形成机制的绝佳地点。但由于露头剖面沉积记录“连续性”和“完整性”较差,缺乏高精度的综合年代地层格架约束,导致松辽盆地的地层划分与对比存在较多争议,一定程度上阻碍了白垩纪陆地古气候、古环境演化的研究进程。松辽盆地国际大陆科学钻探计划实施的松科1井、松科2井和松科3井共钻取了8 197 m完整且连续的白垩纪陆相地层岩心记录。本文通过综合科探井岩石地层学、生物地层学、磁性地层学、同位素年代学和旋回地层学的研究成果,建立了松辽盆地白垩纪高分辨率综合年代地层格架,为探索白垩纪陆地深时气候-环境演化及服务松辽盆地油气勘探可持续发展提供了精细的年代学证据。

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    小小地质微生物演绎跨圈层的相互作用
    谢树成, 朱宗敏, 张宏斌, 杨义, 王灿发, 阮小燕
    2024, 31(1): 446-454. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.10.4

    摘要 ( 1049 )   HTML ( 2 )   PDF(2996KB) ( 75 )  

    地球系统科学特别关注跨圈层的相互作用,包括深部系统与表层系统的相互作用、表层系统海-陆-气之间的相互作用。这种庞大时空尺度的地质作用过程可以被小小的地质微生物记录下来,足见地质微生物的以小见大、见微知著特征。在二叠纪-三叠纪之交和晚奥陶世这两个完全不同场景的显生宙火山活动过程中,爆发的初期都出现了包括蓝细菌在内的海洋固氮微生物繁盛,紧接着出现了包括藻类、放射虫、有孔虫等真核微生物的繁盛,显示了火山活动引发了从原核微生物向真核微生物群落的转变过程。不仅如此,人们还发现地质微生物可以通过条带状铁建造等生物成因岩石引发了前寒武纪的火山活动,而且还可能启动了最早的板块运动。地质微生物不仅对火山活动这一与碳循环有关的跨圈层地质作用具有很灵敏的响应和反馈能力,而且还能示踪表层系统复杂的海-陆-气相互作用及其物质传输过程。利用地质微生物的诸多干湿古气候代用指标,发现了中国东部地区不同时间尺度干湿状况的三极模态空间变化格局,而且还识别出了西北地区与西太平洋海洋上层热量有关的极端干旱事件。地质微生物记录的这些干湿状况是高纬与低纬的海-陆-气相互作用在水循环方面的体现。地质微生物演绎的与碳循环和水循环有关的这些跨圈层过程仅是地球系统的冰山一角,随着地球生物学的发展和技术方法的创新,越来越多的宜居地球形成之谜会被地质微生物所破解,包括地质微生物与深部过程的互馈效应、地质微生物与地球重大环境转型的关系以及地质微生物对地球生态系统演化的影响。

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    人类世生物地球化学循环及其科学
    刘丛强, 李思亮, 刘学炎, 王宝利, 郎赟超, 丁虎, 郝丽萍, 张琼予
    2024, 31(1): 455-466. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.26

    摘要 ( 1045 )   HTML ( 4 )   PDF(1322KB) ( 78 )  

    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。

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    黏土矿物-微生物相互作用机理以及在环境领域中的应用
    董海良, 曾强, 刘邓, 盛益之, 刘晓磊, 刘源, 胡景龙, 李扬, 夏庆银, 李润洁, 胡大福, 张冬磊, 张文慧, 郭东毅, 张晓文
    2024, 31(1): 467-485. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.19

    摘要 ( 1094 )   HTML ( 10 )   PDF(3834KB) ( 143 )  

    黏土矿物与微生物在自然环境中广泛共存。二者之间的相互作用影响着环境中的能量流动与元素循环。黏土矿物能够给微生物提供物理或化学保护,提高微生物对外界胁迫和干扰的抵抗能力。黏土矿物同时还能给微生物提供营养元素,促进其新陈代谢过程。黏土矿物中的结构铁是微生物铁氧化还原循环的重要电子供/受体。在氧化还原的环境中,多种铁还原/铁氧化细菌可以通过还原氧化黏土矿物中的结构Fe(III)/Fe(II),进而获得能量进行生长。在氧化还原过程中,微生物也可以通过溶解、转化、沉淀等作用改变黏土矿物的晶格结构及物相,或是产生新的次生矿物。黏土矿物-微生物相互作用在碳、氮、硅、磷等重要生命元素的地球化学循环中扮演着重要角色。黏土矿物可以通过吸附有机碳,降低有机碳的生物可利用性,减缓其矿化速率。在氧化还原波动的环境中,黏土矿物还可以通过活化分子氧,产生强氧化性自由基氧化降解有机质,提高其生物可利用性。黏土矿物还会吸附生物胞外酶,影响胞外酶降解有机质的效率。微生物通过耦合黏土矿物中铁氧化与硝酸盐还原,铁还原与氨氧化等过程影响氮循环。黏土矿物对磷的吸附以及风化过程中硅的释放影响着微生物的代谢活性。黏土矿物-微生物相互作用在重金属固化稳定、有机污染物降解、杀死病原菌等方面也有广泛的应用。

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    末次间冰期全球气候瞬变模拟与平衡态模拟的对比研究
    江南萱, 燕青, 王会军
    2024, 31(1): 486-499. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.5

    摘要 ( 1024 )   HTML ( 1 )   PDF(9002KB) ( 61 )  

    采用水平分辨率约1°的地球系统模式CESM,本研究开展了末次间冰期129~124 ka的瞬变模拟试验(TGCS-LIG)和127 ka的平衡态切片模拟试验(127ka-LIG),量化了数值试验方案对模拟的末次间冰期全球气候的影响,以期加深理解造成模拟结果与重建数据之间分歧的可能原因。TGCS-LIG试验和127ka-LIG试验均表明:末次间冰期全球年平均温度较工业革命前低,降温幅度分别为0.4 ℃和0.2 ℃;在夏季,北半球升温(1.2/1.5 ℃),而南半球降温(0.9/0.7 ℃)。就年降水而言,末次间冰期北半球季风区降水增加,南半球季风区降水减少,但存在显著的区域差异。与重建数据相比,TGCS-LIG试验和127ka-LIG试验的模拟-数据符号一致性与均方根误差均相近,但127ka-LIG试验模拟效果略好。TGCS-LIG试验与重建的全球年平均(夏季)海温符号一致性为34.9%~44.7%(36.8%~42.5%),较127ka-LIG偏差约2%~4%(约5%~7%);均方根误差为2.9~3.2 ℃(2.9~3.4 ℃),较127ka-LIG试验偏差小于约0.1 ℃。对于全球年平均降水,TGCS-LIG试验与重建数据的符号一致性为63.8%,略高于127ka-LIG试验(63.1%)。相较于模拟和重建之间的绝对偏差而言,数值试验方案对于改进两者分歧的作用十分有限。需要注意的是,TGCS-LIG试验表明:末次间冰期全球关键气候模态的年际变率在129~124 ka间存在显著的内部变化,其中ENSO年际变率随时间逐渐增强,北半球环状模与南半球环状模的年际变率呈现千年尺度波动的特征;而127ka-LIG试验无法刻画气候模态的时间演变特征。总之,本文研究结果表明,采用平衡模拟试验或是瞬变模拟试验并不是造成末次间冰期模拟-数据分歧的主要原因,但开展高时空分辨率的瞬变模拟试验对研究末次间冰期气候变率具有重要的科学价值。

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    重建南海27 Ma以来高分辨率碳酸盐补偿深度
    王家昊, 胡修棉, 蒋璟鑫, 马超, 马鹏飞
    2024, 31(1): 500-510. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.35

    摘要 ( 1042 )   HTML ( 3 )   PDF(4027KB) ( 58 )  

    新生代海洋碳酸盐补偿深度(CCD)的重建长期受到学术界的广泛关注。本研究以南海14个站位20个钻孔的综合大洋钻探计划(IODP)物质数据与年龄-深度模型,恢复了对应钻孔的古水深,计算了碳酸盐累积速率(CAR),基于线性回归的方法,重建了南海27 Ma以来CCD变化。研究结果显示:南海在海盆拉张形成期(27~18 Ma)出现了CCD超过2 000 m大幅度的下降;在随后的中中新世气候适宜期(MMCO)期间,南海CCD出现800 m 变浅。8 Ma以来南海CCD演化和赤道太平洋的演化呈现了不同的演化趋势:前者在3 500~4 000 m范围内波动,后者则从4 000 m持续下降到4 500 m左右。27 Ma之前,广泛的陆源输入和上升洋流发育导致南海出现浅的CCD。27~18 Ma时期的构造拉张导致的海盆加深,同时上升洋流减弱,被解释为该时期CCD下降的主要因素。MMCO期间气候驱动下的海平面波动导致了碳酸盐沉积核心区域的变化,是造成CCD波动的重要原因。8 Ma以来南海和太平洋CCD的差异演化是太平洋底水与南海底水的交换不畅的结果。

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    International Continental Scientific Drilling Project of the Songliao Basin: Terrestrial Geological Records of the Cretaceous Dinosaur Age
    WANGChengshan, GAOYuan, WANGPujun, WUHuaichun, LÜQingtian, ZHUYongyi, WANXiaoqiao, ZOUChangchun, HUANGYongjian, GAOYoufeng, XIDangpeng, WANGWenshi, HEHuaiyu, FENGZihui, YANGGuang, DENGChenglong, ZHANGLaiming, WANGTiantian, HUBin, CUILiwei, PENGCheng, YUEnxiao, HUANGHe, YANGLiu, WUZhengxuan
    2024, 31(1): 511-534. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.4-en

    摘要 ( 1055 )   HTML ( 1 )   PDF(5783KB) ( 74 )  

    Over the past century global temperatures continue to rise, and the Earth may enter a greenhouse period in the future with no ice at the poles. The Cretaceous was a typical greenhouse period in deep time, and thus understanding the Cretaceous climate is significant for interpreting past climate changes and predicting future trends. The International Continental Scientific Drilling Project of the Songliao Basin is the world's first continental scientific drilling project to penetrate the Cretaceous continental strata within the framework of the ICDP. This project is aimed to investigate Cretaceous terrestrial climate and environmental changes, and to explore the mechanisms of massive terrestrial organic matter accumulation and enrichment. Spanning 16 years, this project achieves a continuous and complete 8187-meter core with a recovery rate exceeding 97%, establishes a high-precision chronostratigraphic framework for the Cretaceous continental strata in the Songliao Basin, reconstructs multi-temporal-scale terrestrial climate cycles and climate events during the Cretaceous period, reveals the mechanisms of Cretaceous sea-level fluctuations, and confirms marine incursion events in the Songliao Basin. The International Continental Scientific Drilling Project of the Songliao Basin has promoted global collaboration among geologists to study Cretaceous greenhouse climates, leading to a series of high-impact research achievements. It has provided crucial scientific support for the sustainable development of oil and gas exploration in the Songliao Basin, and has generated significant social benefits and substantial international and domestic influence. The International Continental Scientific Drilling Project of the Songliao Basin represents a milestone stage in exploring deep-time Earth, and it is foreseeable that in the future, humans will continue enhancing the understanding of deep-time climate and environmental evolution with the aid of scientific drilling.

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    基于大数据文献计量学分析《地学前缘》期刊引领力
    赵宇, 程丽, 杨立英, 李立, 相鹏
    2024, 31(1): 535-549. 
    DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.6

    摘要 ( 985 )   HTML ( 3 )   PDF(8004KB) ( 58 )  

    《地学前缘》是一本享有较高学术声誉的中文地球科学期刊。本文依托Incopat、领跑者5000、CSCD、SCIE和Scopus等5个国内外知名数据库,基于大数据文献计量研究方法,客观揭示《地学前缘》近10年(2014—2023年)的发展情况,包括载文数量、论文质量、核心作者及其团队、刊载主题,从4个维度全方位评估《地学前缘》的期刊引领力。本文首先采用引文分析、关键词共现分析、期刊共被引分析、作者合作网络分析等文献计量方法进行大数据分析,着重分析了《地学前缘》近10年的论文年度分布情况、论文质量水平、热门主题和新兴主题、核心著者及团体等。结果表明《地学前缘》在中文地质学刊物中载文量名列前茅,稳中有升,与国际知名地质学期刊相比仍有较大上升空间。在领跑者5000数据库《地学前缘》名列第5。在学术期刊影响力指数排名中,《地学前缘》名列第4。本文构建了《地学前缘》的核心作者合著关系网络,为编辑部未来组约重点稿件提供思路。此外,通过大数据分析,《地学前缘》近10年刊载论文的热点主题包括矿产资源开发利用、油气储集规律研究、环境污染和气候变化、地质灾害与板块构造,新兴主题(包括宜居环境与气候变化等)的出现可以增加编辑部组织主题专辑的可能性。随后,本文围绕科技创新、学科建设和学术话语权等3个方面,对《地学前缘》的期刊引领力进行分析。结果显示:在科学创新方面,《地学前缘》在2014—2023年间发表了具有世界领先水平的原创性科研成果,也是唯一一本能够发表“中国古生物学年度十大进展”相关成果的中文地质学期刊;在技术创新方面,以《地学前缘》发表的论文《天然矿物光电效应:矿物非经典光合作用》为基础申请的专利目前已通过3项,论文成果对后续5项专利也产生了影响;在学科建设方面,《地学前缘》与世界地质学期刊共同承担着基础学科知识载体的使命,在中国地质学期刊中承担着沟通基础性研究和应用性研究的桥梁作用;在学术话语权方面,《地学前缘》与联合国可持续发展目标相关的论文数量在10年内翻了一番,特别是“我国城市地下空间开发利用的需求与挑战”主题专辑影响范围已延伸到工程技术领域,影响程度也远高于同主题其他论文。借助于大数据分析技术,总结《地学前缘》具备高期刊引领力的贡献因素,其主要包括与带来优质稿源的领先团队保持密切联系、充分发挥编委会的选题能动性以及广泛开展国际宣传和精准推送。通过大数据赋能,中文地质学期刊可以实现基于大数据的智慧决策:一方面为中文地质学期刊的影响力提升带来新的增长点;另一方面可以更好地服务国家战略需要,推动地球科学学科发展,为科学研究和知识传播提供平台,为地质学领域的创新和进步做出更大贡献。

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    亮点论文学术评论
    重大原创科技成果报道
    白云鄂博发现全新结构重稀土新矿物——白云钇钡矿
    李国武
    2024, 31(1): 552-553. 
    摘要 ( 29 )   HTML ( 0 )   PDF(948KB) ( 38 )  
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