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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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.

《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。