地学前缘

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1. 我国陆区热状态及控热要素

王贵玲, 蔺文静

地学前缘 2024, 31 (6): 1-18. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.10.13

摘要（743）

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区域热状态代表一个地区大地热流的主要来源,解决了区域热源的基本问题,可为区域地热资源的研究提供基础背景。本文基于我国近年来开展的区域热流测量和深孔测温工作,分析了我国陆区壳幔热流比,并将我国陆区划分为壳源生热高温地热区、幔源生热中低温地热区、壳幔热源平衡低温地热区和壳幔热源平衡中高温地热区4种类型区。其中,壳源生热高温地热区位于藏南、川西、滇西,幔源生热中低温地热区主要位于松辽盆地、华北盆地、长江中下游等我国东部广大地区,壳幔热源平衡中高温地热区分布于东南沿海地区、四川盆地和云贵高原,西北广大内陆地区则属于壳幔热源平衡低温地热区。在此基础上,选择青藏高原东北部、腾冲地区、东南沿海和华北盆地等典型地热区,系统分析了区域地温场特征、热流分布、地壳热结构等盆地尺度的区域热状态和主控因素。青藏高原增厚地壳中的低速体构成了以壳源热为主的高热流异常;腾冲地区深部以局部岩浆囊形式存在的岩浆,则构成了以其为代表的近代火山区地热系统的主要控热要素;东南沿海大面积分布的高产热岩体生热构成了热流中重要的热流分量,而以华北盆地为代表的盆地基底起伏和深大断裂则控制了盆地“坳中凸”地热异常区的地温分布。最后,总结了包括壳幔架构、构造热事件、地层岩性、断裂构造等影响区域热状态的深部—浅部因素,建立了控制我国陆区区域热状态的多级要素体系,为不同地区地热资源勘查和热源条件分析提供了科学依据。

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2. 山东省地热资源赋存规律及其富集机制

康凤新, 郑婷婷, 史猛, 隋海波, 徐蒙, 江海洋, 钟振楠, 秦鹏, 张保建, 赵季初, 马哲民, 崔洋, 李嘉龙, 段晓飞, 白通, 张平平, 姚松, 刘肖, 史启鹏, 王学鹏, 杨海涛, 陈京鹏, 刘琲琲

地学前缘 2024, 31 (6): 67-94. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.10.25

摘要（677）

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山东省热储类型多、分布广,资源储量丰富,但地热资源赋存规律及其富集机制尚需系统研究。本文基于地热井测温、大地热流测量、地热资源勘查、钻获地热井及抽水试验和长期动态监测资料,圈定了控热、导水地质构造和地热异常分布区,将山东省地热资源划分为鲁东隆起、沂沭断裂带、鲁西隆起和鲁西北坳陷4个地热区,分别论述了各地热区地热系统的热储类型、开放程度、热源水源及其运移和可更新能力,以及水流热流富集构造赋存位置。集成水源开放状态、热源机制和水热富集热储赋存特征等主要地热能控制要素,将地热系统划分为3种聚热富水模式:(1)开放—对流—腔管状型地热系统聚热富水模式;(2)弱开放—对流传导—带状层状型地热系统聚热富水模式;(3)封闭—对流传导—带状层状型地热系统聚热富水模式。揭示了各聚热富水模式的热源及其聚集机制、水源及其富集机理、水热可更新能力和富集热储赋存规律,为找热定井提供了靶区定位依据。

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3. 太湖冲击坑:沉积岩中冲击变质现象新证据

王鹤年, 陈旸, 盛雪芬, 钱汉东

地学前缘 2024, 31 (6): 320-330. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.8.30

摘要（664）

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总结了15年环太湖及内部岛屿的研究的成果。太湖具有震裂锥、冲击变质角砾岩、石英岩的冲击变质现象(PDFs,PFs)和冲击熔融作用等冲击坑诊断性特征。构成冲击坑理想剖面的气化熔融带—冲击变质带—冲击变质角砾岩和裂隙带等要素完备,确证了太湖冲击坑的存在。依据冲击坑诊断性特征,编制了太湖冲击变质现象分布示意图。首次将太湖冲击坑从前人的卫星图像推测落实到了太湖湖区,为太湖冲击坑深入研究打下了坚实基础。根据太湖冲击变质现象的分布,可以将太湖湖区划分为两个冲击变质现象集中区和一个冲击溅射物分布带,称为两区一带。两区一带都在湖区的内部和边缘,集中分布于太湖的中部和南部,表明冲击坑应与太湖的形成、演化和发展有关。太湖冲击坑产于陆台边缘褶皱带,靶岩为沉积石灰岩和孔隙石英砂岩地区,为一冲击坑新类型,具有许多新的冲击变质现象和特征。文中提出了震裂锥的多样性、新特征和新类型;揭示了孔隙石英砂岩中冲击变质PDFs的新特征,粒间剪切摩擦—局部熔融形成的硅酸玻璃和固化熔融包裹体等新现象,丰富和发展了沉积岩中冲击变质现象的新特征及有关理论。

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4. 湿地关键带碳循环与碳源碳汇转化机制及碳交换量化模式

周念清, 郭梦申, 蔡奕, 陆帅帅, 刘晓群, 赵文刚

地学前缘 2024, 31 (6): 436-449. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.36

摘要（662）

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湿地关键带“碳源”和“碳汇”的转化机制及其量化关系是研究湿地碳循环需要重点探讨和解决的科学问题。碳(C)是构成生命体的主要元素之一,在生态系统的物质循环和能量流动过程中发挥着极其重要的作用。湿地关键带作为地球关键带最活跃的组成部分,蕴含着大量的信息交换,需要通过信息提取、解译来研究碳循环及其迁移转化信息互馈机制。C在湿地生态系统中具有“源”和“汇”的功能,涉及大气、土壤、植被、水和微生物作用,湿地关键带碳循环对促进湿地生态环境保护至关重要。本文以湿地关键带C的生物地球化学循环特征为基础,分析了湿地关键带中C的赋存形态及C在植被—大气、根系—土壤和土壤—大气界面的迁移转化过程,阐释了影响湿地关键带碳循环及迁移转化的主控因子和耦合作用机制,进一步探讨了“减碳源”和“增碳汇”双向驱动下对实现“双碳”目标的积极作用。由此提出了未来的研究方向,应重点加强湿地关键带C的时空演化和生物地球化学循环影响机理分析,构建碳循环量化模式,精准测定“碳源”和“碳汇”转化过程中的通量变化,量化湿地关键带 “碳汇”盈余,评价湿地关键带对碳达峰和碳中和的贡献度。

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5. 藏北中仓地区晚白垩世岩浆岩成因及其对高原早期隆升的指示

吴浩, 杨晨, 吴彦旺, 李才, 刘飞, 林兆旭

地学前缘 2024, 31 (6): 261-281. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.11.61

摘要（652）

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青藏高原中部白垩纪晚期爆发了大规模的岩浆活动,并伴随着快速的地表隆升,然而其深部动力学机制一直存有较大的争议。本文对藏北中仓地区发育的闪长玢岩和英安岩开展了锆石U-Pb定年、全岩主微量元素和Sr-Nd-Hf同位素分析研究,以期为区域构造—岩浆演化提供新的约束。锆石U-Pb定年结果表明闪长玢岩和英安岩均形成于晚白垩世(90~85 Ma),其中闪长玢岩具有高Sr含量、低Y含量和高Sr/Y值的特点,显示与埃达克岩的亲缘性,结合其较高的Mg^#,研究认为是增厚榴辉岩相下地壳熔体混染地幔物质的产物。英安岩地球化学和同位素特征与闪长玢岩相似,反映了相同的岩浆源区,然而其强烈亏损Rb、Ba和Sr等易蚀变元素表明成岩后期经历了强烈蚀变作用。结合区域上同时期富Mg埃达克质岩浆爆发和大规模磨拉石沉积,本文认为青藏高原中部晚白垩世构造—岩浆活动形成于班公湖—怒江缝合带碰撞后增厚下地壳拆沉过程,而深部拆沉同时触发了地表快速抬升,并由此形成了白垩纪古高原,为现代高原的形成奠定了基础。

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6. 华北古潜山优势传热机制研究:以雄安新区为例

王贵玲, 马峰, 张薇, 朱喜, 余鸣潇, 张汉雄, 罗成

地学前缘 2024, 31 (6): 52-66. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.7.10

摘要（622）

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华北中元古界古潜山是我国北方主要规模化开发的地热储层,具有储热量大、埋藏浅和易回灌等特点。古潜山热储受物性特征、空间展布和地质构造等因素制约,控热机制多元,传热过程复杂,针对其热成因机制的研究一直受到重视。本文以雄安新区古潜山热储为研究对象,基于近年来雄安新区地热勘探井资料分析,提出了华北古潜山热储优势流传热理论,古潜山热储的热源主要来自深部幔源传热,而壳源热流低于30 mW/m²,华北克拉通破坏后,随着岩石圈拉张减薄,地幔热对流增强,形成了由深到浅的优势传热通道,地表热流通量升高。古潜山高热导率储层形成了热在垂向和水平向上向储层聚集的传导优势热流,流体在高孔渗碳酸盐岩储层中循环形成了对流优势热流,断裂加剧了传导和对流沿构造方向的聚热效应。在热量聚集作用下,古潜山不同构造部位钻孔测温曲线表现出5种类型,分别为传导型、传导—对流—传导型、传导—对流—弱对流型、传导—强对流型和传导—弱对流型等。断裂带为地下热水的循环和热的富集提供了空间优势流动通道,通过靠近容城断裂的典型钻孔温度测井结果,建立解析方程计算容城断裂地下水热对流占比为29.2%。本研究通过综合分析古潜山优势流传热的影响因素,为华北地热成因模式研究提供了新的思路。

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7. 煤中的战略性矿产:以镓锗为例

曾招阳, 宁树正, 王自国

地学前缘 2024, 31 (6): 331-349. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.10.18

摘要（573）

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煤中的战略性矿产对国家经济发展和国家安全具有重要意义。这类矿产常被称作煤型矿产,不仅仅是富集关键金属的煤层,也包含夹矸、煤层顶底板和煤系中不含煤层的其他富集层位,乃至一些富集金属的煤矿的酸性矿井水等。本文在系统查阅国内外煤型矿产文献的基础上,对中国整个地质时期战略性煤型矿产进行梳理,列出产出煤型战略性矿产的主要时期;整理得到全国主要地质时期的煤矿资源分布和战略性关键矿产的空间分布图,并以镓、锗为例,对相关典型矿床进行案例解剖,深入探讨了镓、锗矿床为代表的煤型矿床的地质背景和成矿机理,归纳了矿床中镓锗的富集部位等关键找矿信息。结果表明: 在各地质历史时期,可产出以镓、锗等为代表的“四稀”和大宗矿产为主体的战略性关键金属矿产。其中,显生宙以来则产出“四稀”矿产和大宗矿产;中国的镓锗矿床主要集中在华北地台、扬子地台的石炭—二叠纪、三叠—侏罗纪、早白垩世和新近纪等含煤盆地中;煤型锗矿床的形成与岩浆作用及其热液活动有着密切的关系;镓、锗等元素的富集在含煤岩系中有特定的产出部位,镓通常产出在成煤旋回的顶部,如华北石炭—二叠纪含煤盆地偏顶部的山西组6号煤层中的镓的富集,如黑岱沟矿床,煤系旋回底部的本溪组也有一定的贡献;而锗则通常富集在煤系旋回的初期或底部,如临沧帮卖锗矿床。中国的煤中镓锗资源很有潜力。

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8. 德雷克海峡打开与构造—古海洋—古气候演变

张梦薇, 高亮, 赵越, 裴军令, 杨振宇, 郭晓倩, 胡新炜

地学前缘 2024, 31 (6): 415-435. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.5.29

摘要（564）

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德雷克海峡的打开受到南美南部和南极半岛北部板块运动与构造演化影响,并导致南极绕极流和现今大洋环流模式最终形成,是理解新生代全球变化的关键因素之一。前人通过古大陆重建与古海洋学相关方法研究德雷克海峡打开与南极绕极流形成过程,本文总结了前人研究成果,并综合南极半岛北部与南美南部新生代构造演化和全球大洋底栖有孔虫δ¹⁸O、δ¹³C、全球深海溶解氧含量、大气CO₂浓度、全球大洋生产力变化等数据,提出40~35、30~25和20~18 Ma 3期德雷克海峡打开与南极绕极流加强的关键阶段。这3期事件发生于南极半岛北部与南美南部的关键构造演化阶段,其中后两个阶段发生在大西洋经向翻转流形成之后,对应全球大洋底栖有孔虫δ¹³C低值、大气CO₂浓度低值、深海溶解氧低值、南大洋高生产力和赤道海区低生产力阶段。据此,我们提出南极半岛北部与南美南部相关构造事件导致南极绕极流增强,并主导了这些时期的古海洋与古气候变化,这一认识有助于厘清德雷克海峡演化的重要阶段及其对全球变化的影响。

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9. 高温硬岩受控钻进新技术、新方法及应用

翁炜, 吴烁, 贺云超, 蔺文静, 冯美贵, 甘浩男, 李晓东

地学前缘 2024, 31 (6): 120-129. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.7.13

摘要（541）

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近年来,随着能源资源开发和地球系统科学研究需求的不断增长,钻探深度不断增大,施工过程中面临地层温度高、岩石硬度大、钻进效率低、成本高、事故多等问题。为了解决上述问题,国外对耐高温井下动力钻具、高效碎岩工具、随钻测量工具、降温冷却设备等钻进关键技术开展了针对性研究,相关研究成果已应用于油气钻探、高温地热等领域。国内虽也进行了研究,但与国外研究水平相比,尚有一定差距。本文分析了我国高温硬岩井钻进面临的技术难点,总结了技术需求,对钻进新方法、技术特性和示范应用情况进行了介绍,并立足国内既有装备基础,提出将高速强保径牙轮钻头、耐高温单弯螺杆钻具和耐高温MWD组合,配合耐高温钻井液、地面钻井液强制冷却系统与分段循环降温技术,实现高温硬岩受控钻探。建议后续开展长寿命固定齿钻头、全金属井下动力钻具、冲击钻具和耐高温MWD组合研究,进一步提高高温硬岩钻进施工效率。

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10. 青藏高原东北部温泉分布及水文地球化学特征

刘玲霞, 路睿, 谢文苹, 刘博, 王亚茹, 姚海慧, 蔺文静

地学前缘 2024, 31 (6): 173-195. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.7.17

摘要（534）

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青藏高原是我国地热活动最强烈的地区,传统观点认为其东北部地区处于相对稳定的地块,地热赋存条件一般。青海省位于青藏高原东北部,地热资源种类齐全,以往研究主要集中在勘查程度较高或单个温泉温度较高的区域,而区内大部分地区研究程度较低,地热资源整体分布特征和热源机制不清。本文依据主要控热活动断裂和温泉集中区将温泉自东北向西南划分为11个区,利用水文地球化学和同位素分析手段对温泉的分布特征和成因进行了综合研究。结果表明,温泉补给来源均为其附近大气降水和冰雪融水。温泉水化学特征与热储的地层岩性相关,花岗岩热储中地热水阳离子以Na⁺为主,阴离子以 $SO 4 2 -$ 和Cl^-为主;灰岩热储中地热水阳离子以Ca²⁺和Mg²⁺为主,阴离子以 $HCO 3 -$ 为主;砂岩热储中地热水主要阳离子有Ca²⁺、Na⁺和Mg²⁺,主要阴离子有Cl^-、 $SO 4 2 -$ 和 $HCO 3 -$ 。温泉主要沿活动断裂展布方向呈串珠状分布,且主要密集在不同构造体系的交接复合部位和同一构造体系的转折部位;分布于一、二级断裂结合部位的热储循环深度最大,径流路径最长、水岩反应较充分;而分布于被少量小规模断裂切割的三级断裂沿线的温泉循环深度相对较小,径流路径较短,水岩反应程度较低。热储温度从东北向西南整体呈现出中部和西南部高、南部和东北部低,中高温热储主要分布于共和、贵德、乌兰和唐古拉山一带,温度在89.0~139.0 ℃,平均117.7 ℃。温泉热源主要来自大地热流传导增热、放射性元素衰变生热、岩浆余热和活动断层摩擦生热,以及低速—高导熔融体和地幔通道流传热等。此次主要聚焦于青海省水热型地热资源的分布规律和地热成因等方面的研究,可为后期青海省地热资源开发利用提供参考依据。

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11. 富油凹陷油气分布规律与勘探潜力分析:以东濮凹陷为例

徐田武, 张洪安

地学前缘 2024, 31 (6): 368-380. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.26

摘要（531）

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渤海湾盆地各大油田均进行了长期的精细勘探,但最新资源评价仍表明富油气凹陷剩余资源潜力大,剩余资源丰度高,仍将是勘探开发坚持的长期阵地。如何深化富油气凹陷的油气富集规律,将对下一步油气勘探具有重要的指导意义。本文从烃源岩角度入手,明晰东濮凹陷古近系湖相泥岩和上古生界煤系源岩成烃特征,然后结合典型油气藏解剖和油气藏评价单元,建立源藏对应关系,结合其他成藏要素,建立油气成藏模式并明晰剩余油气富集规律。研究表明:东濮凹陷古近系富油气凹陷具有近源聚集、连续成藏和断超控富的特征,油气主要来自TOC含量大于1.0%的优质烃源岩,富油气区之所以富集油气主要是由于富油气区具有多套优质源岩、多含油气系统和多期油气成藏的“三多”特征。东濮凹陷上古生界煤成气主要分布在煤系源岩热演化程度R_o大于1.3%的区域,存在源内和源外两种成藏模式。上述成果认识,不仅将为常规油气藏的勘探提供技术支撑,也将为薄层致密油、页岩油的勘探提供技术支撑。

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12. 我国陆区大地热流测量新进展与新认识

刘峰, 王贵玲, 姜光政, 胡圣标, 张薇, 蔺文静, 刘金辉, 张心勇, 屈泽伟, 廖传志

地学前缘 2024, 31 (6): 19-30. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.7.8

摘要（528）

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大地热流值是开展地热研究的基础关键参数。本文在分析历次汇编热流数据的基础上,对2016年以来作者实测(260组)与收集筛选(112组)的热流数据特征进行了说明与分析。新增大地热流数据共372组,在空间上有效填补了西南、西北和东北地区的大片测点空白,提高了东部地区热流测点密度,同时将高质量测点数据占比提升至86.3%,较历次汇编的热流数据在覆盖范围、测点密度、数据质量等方面均有较大提升。依托以上热流数据统计得出我国陆区大地热流平均值为63.8 mW/m²,高于第四次汇编时的全国平均值,其中大部分一级、二级构造单元热流平均值均有提高,青藏高原各构造单元热流平均值则相对降低。典型地热系统热流数据统计显示,高热流背景的存在可明显提高传导型地热资源的分布范围与对流型地热系统的显示温度,但不是两类地热资源形成的控制因素。基于最新成果,对青藏高原低热流区域范围增大、华北平原早期热流“高估”、长白山热流指示岩浆囊存在等现象与问题进行了讨论,指出我国现有热流测点仍相对较少,随着大地热流值测量技术方法的不断更新与规范以及测点数量—质量与覆盖范围的进一步提升,以往对各区域地热分布特征的定性与定量认知可能需要重新审视。以上成果加深了对全国及各区域地热背景的认识,可为区域地热基础研究及资源勘查提供更好的支撑。

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13. 全球变化、层圈相互作用研究与地球系统科学

刘丛强

地学前缘 2025, 32 (3): 1-6. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2025.3.88

摘要（524）

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全球变化是自然过程与人类活动协同作用的结果,是人类活动主导下地球系统发生的结构性转变,其核心在于地球系统有限承载力与人类无限发展需求之间的矛盾,表现为气候、生态系统和社会经济的变化。圈层相互作用是驱动全球变化的关键因素,精准解析和预测圈层相互作用的过程机制、动态演变及相应的气候、环境和生态效应,有助于揭示全球变化的深层机制、准确评估地球系统突变风险和设计切实可行的可持续发展路径。本专辑聚焦全球变化与圈层相互作用前沿科学问题,从地球系统观测、模拟和管理等方面,详细阐述地球系统关键界面过程机制及其与人类活动的互馈关系,概述了当前全球变化和圈层相互作用研究领域的发展现状和进展,梳理了地球系统科学研究面临的挑战和前沿科学问题,展望了未来发展方向,旨在为全球变化科学应对、人类-自然和谐共生以及社会-生态系统可持续发展提供坚实的理论支撑。

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14. 相山铀矿尾矿区植物—根际土壤稀土元素和铀、钍生物富集特征

董姝, 刘海燕, 张一帆, 王振, 郭华明, 孙占学, 周仲魁

地学前缘 2024, 31 (6): 474-489. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.18

摘要（513）

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本文采集了相山铀矿尾矿库不同地方(库内、坝上和库下游)8种优势植物及其根际土壤,通过野外实地调查和室内分析相结合的方法,研究了植物根、茎、叶、穗和根际土壤REEs及U、Th的生物地球化学行为。结果表明,植物稀土元素总量(∑REEs含量)总体表现为根际土壤>根>茎和叶(穗)。归一化结果显示,库内植物根与根际土壤具有相似的重稀土元素(HREEs)富集、铕(Eu)负异常配分模式,坝上及下游则演变平坦配分模式且铈(Ce)负异常,茎、叶和穗出现轻稀土元素(LREEs)富集配分模式,指示REEs在土壤—根体系及植物体内转运过程中发生了分异。根际土壤DTPA萃取实验表明HREEs优先于LREEs被生物吸收利用,且Gd的生物有效性相对于其他REEs更差。Person相关分析表明土壤pH、Fe、Mn矿物吸附和有机质是影响REEs生物有效性的重要因素;灰色关联分析显示U、Th和REEs在根际土壤与根中的灰色关联度普遍大于叶茎穗,指示土壤U和Th对REEs含量的影响在根中大于叶茎穗。芒萁叶REEs的富集系数(BCF=6.09)和转运系数(TF=8.25)均大于1,茎和根部的转运系数和富集系数也优于其他植物,指示芒萁可作为REEs的环境修复植物,水稻的根部对REEs和Th、U均有较强的富集作用,可作为植物联合修复的考虑对象。

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15. 基于大数据的智慧探矿模式实验研究与进展

周琦, 吴冲龙

地学前缘 2024, 31 (6): 350-367. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.9.10

摘要（512）

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本文是贵州省锰矿“产学研用”科技创新人才团队近些年来在贵州开展基于大数据的智慧探矿新模式的探索性实验研究与总结。团队通过“产学研用”协同创新体系,对著名的中国南华纪“大塘坡式”锰矿矿集区和多个隐伏超大型锰矿床,进行大数据预测的找矿过程复盘研究,探索深部隐伏矿产资源智能预测和数字勘查方法,努力发展和培育地质矿产勘查领域的新质生产力。团队研发了基于大数据的成矿模式和找矿模型,开展地质大数据资源体系建设,完善并全面推广应用数字勘查技术系统,建成了贵州全省域三维玻璃国土, 研发出多尺度多目标递进式矿产智能预测技术,有效地推进了贵州地质矿产勘查工作的数字化转型,先后发现并提交了一批可供勘查的隐伏锰矿、磷矿、铝土矿、铅锌(锗)矿、重晶石矿和新发现的蚀变泥灰岩型锂矿等找矿靶区,支撑贵州新一轮找矿突破战略行动实现了新突破。取得的主要进展表明,团队实验研究成果既加快了贵州省地质矿产勘查工作的数字化转型,又推进了与大数据深度融合发展,培育和发展了地质矿产勘查领域的新质生产力,支撑了深部隐伏矿找矿实现新突破。为了进一步推进地质矿产勘查工作的数字化转型,发展地质矿产领域的数字经济,还需要进一步开展地质矿产勘查的“上云用数赋智”行动,加强关键技术研发并大力推广应用,在实践中不断探索、不断改进和发展。

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16. 青海共和盆地干热岩地应力测量及其储层压裂改造意义分析

许家鼎, 张重远, 张浩, 白金朋, 张士安, 张盛生, 秦向辉, 孙东生, 何满潮, 吴满路

地学前缘 2024, 31 (6): 130-144. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.7.14

摘要（512）

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近年来,我国在干热岩资源勘查和钻井技术方面取得一定的进展,但是对于高温干热岩压裂技术的基础研究还较薄弱。对于增强型地热系统,一般采用水力压裂的方式向干热岩储层注入高压流体使储层中的天然裂隙扩展延伸,从而达到增大储层渗透性和热交换面积的目的。因此,可靠的地应力数据对指导干热岩储层改造具有重要意义。本文以我国青海共和干热岩试采工程为例,首先,结合滞弹性应变恢复法(ASR)、直径变形分析法(DCDA)、岩心饼化法和成像测井法获得场区详细的地应力数据;其次,讨论了地应力状态对干热岩储层开发的影响;最后,为了评价现今应力状态下储层压裂改造的效果,利用离散裂隙网格(DFN)方法建立了水力压裂区的三维裂隙地质模型,通过数值模拟计算每个裂隙的滑动趋势(T_s)和膨胀趋势(T_d),并分析了在不同的注水压力下裂隙的活动性。研究表明:(1)共和干热岩场区花岗岩储层范围(3 500~4 000 m)内主要发育逆断层型地应力状态,总体以水平挤压应力为主导;(2)在3 500~4 000 m深度水平最大主应力的平均方向为39.35°±14.23°,整体上呈NE向,这与青藏高原东北缘向NE方向推挤运动有关;(3)适合共和干热岩场区的注水改造压力为46~55 MPa,且裂隙剪切活化后多为张开裂隙(高膨胀趋势),有利于增加热交换的面积,提高干热岩的开采效率;(4)地应力实测结果和微地震监测结果显示,天然裂隙在水力压裂下除了水平方向上的扩展外还有垂直方向上的扩展,最终形成水平—垂直裂隙网络。本文研究成果也可为我国未来的干热岩地应力测量及其在开发评价中的应用提供参考。

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17. 华北中东部高温地热能成因机制

康凤新, 张保建, 崔洋, 姚松, 史猛, 秦鹏, 隋海波, 郑婷婷, 李嘉龙, 杨海涛, 李传磊, 刘春伟

地学前缘 2024, 31 (6): 31-51. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.7.9

摘要（509）

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中国已发现的150 ℃以上的高温地热资源及其成因机制研究集中分布在地中海—喜马拉雅地热带的西藏南部和云南、四川西部,环太平洋地热带的台湾省。近年来,华北中东部高温地热资源探测取得突破:2019年在河北省马头营3 965 m深钻获了151 ℃的高温花岗岩干热岩体,2020年在山西省天镇县1 586 m深钻获167 ℃的高温片麻岩裂隙热储地热流体,2023年在山东省东营市桩西地区4 283 m深钻获167.5 ℃的高温碳酸盐岩岩溶热储;因此,亟需对华北中东部高温地热资源成因机制进行系统研究。本文以上述高温地热田为例,分析华北克拉通破坏、壳幔热物质上涌对地壳浅部高温热异常作用的动力学过程,结合地球物理、地球化学和钻探成果,阐明深部地球动力地质作用对地球浅部高温地温场的塑造和高温热异常制约机制,揭示深部高温热源机制及其上涌通道,形成深部高温热源及其上涌通道和热能聚集构造部位识别技术;阐释典型地段高温地热资源成因机制及其对华北中东部高温地热探测的示范意义。(1)在印欧板块碰撞的远场效应和西太平洋板块俯冲回撤作用下,华北克拉通破坏造成岩石圈减薄、软流圈上涌和热侵蚀、伸展断陷盆地及深大走滑断裂发育等深部地球动力作用,是幔源热物质上涌至地壳浅部的主要驱动力。(2)高导低速体、地球化学证据和高温地热资源分布形成了良好的对应关系,认为幔源热物质向上侵入引起了浅层热异常,为高温地热形成提供了稳定热源;岩石圈构造薄弱带如板块边缘带和切入岩石圈的深大走滑断裂构成了幔源热物质向上侵入的主要通道。(3)凹凸相间的构造格局和地下水流场主导了地壳浅部的热量分布,在浅部岩石热导率差异驱动形成的“热折射”效应下,热流由凹陷区向凸起区聚集,形成古潜山高温热异常。

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18. 典型高温地热系统水热循环及锂同位素分馏过程模拟研究

石鸿蕾, 王婉丽, 王贵玲, 邢林啸, 陆川, 赵佳怡, 刘禄, 宋嘉佳

地学前缘 2024, 31 (6): 104-119. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.7.12

摘要（509）

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水热系统中的多场耦合相互作用对水热循环过程和地热流体化学成分具有显著的影响。本文利用COMSOL-Multiphysics建立水—热—化学(同位素)多场耦合数值模拟模型,通过简化模型对锂同位素分馏模拟方法进行了验证。在此基础上,基于对羊八井地热田水热循环过程的认识,建立了羊八井典型剖面水热循环多场耦合模型;再现了羊八井地热系统的水热循环过程和水岩反应过程中的锂同位素分馏过程,并且讨论了主要的参数对热能聚敛效果的影响。结果表明:较高的断裂带渗透率将加快深部断裂带附近围岩温度的下降,而较低的渗透率则无法在近地表形成一定规模的水热活动;通过地表排泄量对断裂带渗透率进行约束后,发现当断裂带与深部熔融体直接沟通时,才可在近地表形成长期存在(近150 ka)的高温地热显示;在断裂带沟通了深部熔融体且熔融体热源温度不变的前提下,熔融体的具体埋深对水热活动强烈程度的影响不大;长期的水岩活动会使断裂带内锂元素大量消耗,只有当深部熔融体为断裂系统提供持续不断的物质来源时,才能保证地热流体中长期保持较高的锂元素浓度水平;基于锂同位素分馏过程估算出参与水岩反应的岩体中锂元素质量分数为25~35 mg/kg,δ⁷Li_rock为-2.0‰~0.5‰。研究成果有助于进一步认识典型高温地热系统成因机制模式。

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19. 传统水化学地热温度计的适用性分析

李洁祥, 许亚东, 蔺文静

地学前缘 2024, 31 (6): 145-157. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.7.15

摘要（508）

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水化学地热温度计是估算水热型地热系统热储温度的一种重要手段,为了厘清传统水化学地热温度计的局限性和有效性,此次将对水化学地热温度计展开全面分析。结果表明:部分水化学平衡体系受区域地质条件的影响,致使对应的水化学地热温度计(Na-Li地热温度计、Li-Mg地热温度计、Ca-Mg地热度计和SO₄-F地热温度计等)缺乏普适性,而Na-K-Ca地热温度计(β=1/3)可能受多种水化学因素的制约,在中低温地热系统中应谨慎使用;Na-K地热温度计、K-Mg地热温度计和SiO₂温度计更适用于水热型热储温度的计算,高温热储层(>200 ℃)中水岩相互作用强烈,Na-K地热温度计的计算结果相对准确,在估算中低温热储层温度时,K-Mg地热温度计和SiO₂温度计则更为合适,而在沉积盆地型地热系统,不建议使用水化学地热温度计直接估算地热水的平衡温度。除此之外,判识热储层的存在和地热水水岩平衡状态的分析是选取水化学地热温度计的前提条件,然而即使在水化学地热温度计的适用范围内,对水化学地热温度计计算结果的对比验证仍然必不可少;高温地热系统中地热水的混合过程可用于验证水化学地热温度计的准确性,而在中低温地热系统,随着水岩相互作用程度降低,水化学地热温度计估算结果的不确定性也随之增加,综合多种方法对热储温度值的分析验证就显得更为重要。此次研究可为合理选取水化学地热温度计提供一定的理论参考。

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20. 西南天山超高压泥质片岩中石墨的形成:对俯冲带碳迁移、储存的启示

胡晗, 张立飞, 彭卫刚, 兰春元, 刘志成

地学前缘 2024, 31 (6): 282-303. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.80

摘要（498）

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大洋沉积物是俯冲带碳输入的主要贡献者之一,为俯冲带“加工厂”提供了大量的有机碳和无机碳。探索这些碳在俯冲带的命运对于更好地了解地球深部碳循环至关重要。虽然超深金刚石和岛弧碳排放的证据强调了俯冲有机碳在这一循环中的作用,但有机碳俯冲到弧下深度的岩石学证据仍然缺乏。此外,在俯冲带(超)高压((U)HP)条件下形成的非生物成因CH₄流体的命运仍未得到充分探索。中国西南天山洋壳型HP-UHP变质带以低地温梯度的冷俯冲为特征,富含含碳(如碳酸盐、石墨、CH₄、CO₂等)岩石,是研究俯冲带碳循环的理想天然实验室。本文对新疆西南天山造山带超高压泥质片岩中不同类型石墨进行了详细的岩石学观察、拉曼光谱和稳定碳同位素分析。发现两种类型的石墨:Type-1石墨以微小包裹体形式存在于石榴石中,δ¹³C_TOC值较低(-24.3‰~-23.2‰),表明其为生物成因;Type-2石墨呈平行于片理的条带状分布,δ¹³C_TOC值较高,为-14.8‰~-12.5‰,表明其来源于非生物成因的前驱体。扫描电镜图像和拉曼光谱表明,这两种类型的石墨具有相似的形态特征和结晶度。通过热力学模型、金红石Zr温度计和碳质物质的拉曼光谱(RSCM),我们对这两类石墨的形成条件进行了约束。Type-1石墨是由俯冲板块中有机碳在进变质作用中石墨化形成的,温度达到530~555 ℃。Type-2石墨在峰期榴辉岩相变质条件下(约2.7 GPa、530 ℃)从COH流体中沉淀出。与Type-2石墨相关的含CH₄流体包裹体和热力学模拟表明,CH₄流体中的碳可能通过氧化作用沉淀出石墨。石榴石中Type-1石墨与柯石英共存的岩石学特征和相平衡模拟计算表明,有机碳来源的石墨可以俯冲至超过90 km的弧下深度。这为有机碳向地幔深度俯冲提供了岩石学证据,可能为解释δ¹³C值较轻的金刚石的起源提供线索。Type-2石墨强调了俯冲带碳流动性的局限性,这一过程可能会影响碳在俯冲带的停留时间,并调节弧火山的碳释放。此外,我们的研究结果还强调了环境氧化还原状态在控制俯冲带COH流体的命运和碳迁移方面的重要作用,尤其是在氧逸度变化的岩性界面。进一步研究这些CH₄流体在不同氧化还原条件下的迁移,对于更好地理解俯冲带中碳的迁移具有重要意义。

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