地学前缘

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1. 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

地学前缘 2024, 31 (1): 351-367. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.71

摘要（1150）

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PDF（pc）（4043KB）（2725）

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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2. 美国场地土壤筛选值研究及其对中国土壤环境基准研究的启示

王晓宇, 屈雅静, 赵文浩, 马瑾

地学前缘 2024, 31 (2): 64-76. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.11.50

摘要（534）

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土壤环境基准是土壤环境标准和土壤环境保护的基础。美国是世界上最早关注污染场地保护并开展土壤污染风险管控的国家之一,并形成了较为完善的体系,但我国在这方面还处于起步阶段。为此,本文以美国为例,综述其在土壤筛选值(SSLs)方面的研究,通过分析美国在土壤污染防治方面的法律法规和技术规范,系统梳理美国在SSLs方面的研究成果,从直接摄入、皮肤吸收、摄入污染地下水、吸入室外挥发物与颗粒物和蒸汽侵入5个方面阐述美国基于人体健康风险的SSLs制定的理论方法。在此基础上,为我国土壤环境基准研究提出了几点建议:进一步加强我国土壤环境基准研究工作,立足我国国情开展土壤环境基准研究,加强本土化参数研究和土壤环境基准研究规范化,以及协同开展土壤地下水环境基准研究,以期为我国土壤环境基准研究与制定提供参考。

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3. 安哥拉地块北部Dondo地区古元古代花岗岩岩石成因:Columbia超大陆聚合的响应

刘伟, 张洪瑞, 罗迪柯, 贾鹏飞, 靳立杰, 周永刚, 梁云汉, 王子圣, 李春稼

地学前缘 2024, 31 (4): 237-257. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.15

摘要（898）

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安哥拉西部地区广泛发育古元古代Eburnean造山期花岗岩,是研究安哥拉地块构造岩浆作用特征的理想场所。本文对安哥拉地块北部Dondo地区大面积出露的花岗岩开展系统的岩相学、岩石地球化学和锆石U-Pb年代学研究。结果显示:Dondo地区斑状黑云母二长花岗岩与黑云母二长花岗岩的侵位年龄分别为(1 983.3±7.7) Ma和(1 956.6±7.5) Ma,均为古元古代中期岩浆活动的产物。全岩样品具有高SiO₂含量、富碱、高10⁴Ga/Al值、高FeO^T/(FeO^T+MgO)值和Zr+Nb+Ce+Y含量,低MgO、TiO₂、CaO和P₂O₅含量的特征;微量元素富集Rb、K、Th、U、Zr和Hf,亏损Sr、Nb、Ta、P和Ti;稀土元素总量较高,轻稀土富集,重稀土亏损,整体不具有显著的负Eu异常;锆饱和温度计算所有花岗岩的结晶温度为757~889 ℃;以上这些岩石地球化学特征与A2型花岗岩一致。岩相学及地球化学的数据表明,两种花岗岩可能由来源于下地壳物质与地幔来源基性岩浆混合所形成。两种花岗岩具有相似的形成时代、矿物组成和连续的主微量元素变化趋势,这些特征表明它们的原始岩浆来自同一岩浆房,而二者之间特征的差别是由岩浆房内的晶体-熔体分异所主导。据此,本文认为:产生钾长石斑晶的岩浆曾经在地壳深部作过长时间滞留,导致钾长石稳定结晶,增加了岩浆的黏度和密度,使岩浆处于冻结状态;随后在幔源岩浆注入带来的热扰动和富集挥发分的作用下,冻结岩浆房迅速活化,从而发生晶体-熔体的分离,抽离的熔体形成了黑云母二长花岗岩,而混有先存晶体的岩浆则形成了斑状黑云母二长花岗岩。综合区域和全球构造演化历史,本次研究认为Dondo地区花岗岩形成于巴西São Francisco克拉通和Congo克拉通后碰撞的构造环境,该期岩浆活动可能是Columbia超大陆的碰撞造山事件在安哥拉地块的响应。

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4. 土壤中铬的毒性阈值(EC_x)及其预测模型

孙晓艺, 王萌, 秦璐瑶, 俞磊, 王静, 陈世宝

地学前缘 2024, 31 (2): 121-129. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.11.55

摘要（515）

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毒物学资料的缺乏成为制约我国污染土壤中Cr生态风险评价及土壤环境质量标准修订的主要瓶颈。本研究选取了我国7种不同性质土壤,分别以蚯蚓生物量、小白菜生物量和微生物基质诱导呼吸(SIR)为毒性测试终点,基于Log-logistic剂量-效应关系及低剂量刺激效应函数模型对不同土壤中铬的毒性阈值(EC_x)进行了测定,在此基础上,对不同性质土壤中Cr的毒性阈值进行了预测。研究结果表明:不同性质土壤中Cr对蚯蚓、小白菜、土壤微生物毒性均随着土壤Cr含量的增加而表现出明显抑制效应,剂量-效应关系呈现明显的S型曲线;不同性质土壤中,基于微生物(SIR)、蚯蚓、小白菜毒性测试的EC₁₀分别为22.1~53.7、65.0~137.2和82.1~220.2 mg/kg,EC₅₀分别为50.3~103.7、103.9~369.0和159.9~441.9 mg/kg;不同物种Cr毒性阈值由大到小顺序为小白菜>蚯蚓>土壤微生物,土壤微生物对Cr毒性最为敏感;在土壤Cr低含量(<112 mg/kg)条件下,3种测试物种对Cr毒性表现出明显的低剂量刺激效应,其中,蚯蚓在不同性质土壤中最大刺激效应为102%~108%,小白菜为105%~112%,相对来说,土壤中Cr对微生物的低剂量刺激效应较小,最大刺激效应为104%;pH、黏土含量和土壤阳离子交换量(CEC)可以较好预测不同性质土壤中Cr的毒性阈值。研究结果对土壤中Cr的生态风险评价及土壤中Cr环境质量标准制、修订提供了科学依据。

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5. 海底氢能探测与开采技术展望

姜兆霞, 李三忠, 索艳慧, 吴立新

地学前缘 2024, 31 (4): 183-190. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.10

摘要（637）

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在目前双碳政策背景下,国家对氢能等清洁能源的需求日益增长。橄榄岩蛇纹石化是海底广泛存在的水岩相互作用之一,氢气是该过程的主要产物,是海底氢气能源(简称海底氢能)的主要形成途径。因此,深海洋壳储存了极具前景的氢能,是缓解当前双碳压力的重要突破口,是发展新质生产力的重要引擎。但是目前全球对海底氢能的探测与开采技术仍处空白,是未来海底能源探测的突破口和生长点。本文基于海底氢能的形成原理与分布特征,系统梳理了可用于海底氢能的探测技术和开采方法,提出通过海底多波束测深、磁力测量、重力测量、多分量地震勘探等综合地球物理探测方法,有望对海底可能的氢能储层进行探测。同时,借助水力压裂和微波加热等方法可对储层中的氢气进行开采。但是,囿于人们对海底氢能认知的匮乏和氢气自身储存和运移的特殊性,仍需要开发专门针对海底氢能的探测和开采技术,在该方向提前布局,为海底氢能开采利用提供技术支撑,同时也会带动和促进不同领域技术创新的革命性突破。

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6. 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

地学前缘 2024, 31 (1): 239-266. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.40

摘要（1521）

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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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7. 面向地质封存及其泄漏风险评价的CO₂物联网在线监测

马建华, 刘金锋, 周永章, 郑益军, 陆可飞, 林星雨, 王汉雨, 张灿

地学前缘 2024, 31 (4): 139-146. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.5.15

摘要（976）

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CO₂地质封存可以在控制CO₂排放的同时兼顾社会经济发展,已成为实现双碳战略目标必不可少的技术途径。然而,在CO₂地质封存过程中,由于封存的CO₂存在向封存区外泄漏或渗漏的风险,这可能对环境以及周围生物造成严重影响。因此,CO₂地质封存的安全性和有效性风险需要得到持续的监测,对于潜在泄漏的监测与识别是碳封存系统安全保障的关键环节。物联网在线监测技术具有的大范围、连续监测和智能分析等特征,较好地契合了地质封存场地的监测需求,但目前还没有在封存监测领域进行大规模应用。为了建立面向地质封存场地的物联网在线监测系统,首先介绍了传感器选择和传感器节点部署的依据,并提出了底层传感技术的设计思路,展示了已完成的碳排放在线监测系统。在传感器选择方面,采用红外CO₂传感器为主、激光CO₂传感器为辅、FT-IR巡逻监测的设计思路。在传感器节点部署方面,采用随机部署与固定部署结合,可移动部署实时优化的设计思路。在网络拓扑结构设计方面,在高泄漏风险的重点区域采用簇状拓扑和网状拓扑混合的方式,在边缘区域则采用星状拓扑、树状拓扑结构与主体区域相连的设计思路。未来伴随着传感器批量化和微型化生产的不断推进,传感器节点的分布组网将逐渐形成规模,物联网在线监测技术将在CO₂地质封存场地的监测领域发挥更为重要的作用。

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8. 恶臭污染的测定方法与预测模型研究进展

祝富杰, 曲龙泽, 李平, 魏文侠, 李培中, 王立夫, 李本行, 王姣, 任更波, 吴志能, 马小东

地学前缘 2024, 31 (2): 13-19. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.9.10

摘要（678）

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PDF（pc）（1534KB）（1190）

随着人们对环境问题的认识,恶臭污染已经成为一类典型的环境公害。我国的恶臭污染来源广泛,臭气浓度的测定成本昂贵,构建基于简易输入参数的臭气预测模型降低恶臭污染判定与控制的难度,是目前恶臭污染研究的热点问题。本研究从臭气定义的基本概念入手,总结对比了不同的臭气标准和测定方法。综述了目前常用的臭气预测模型,包括基于污染物浓度的多元线性回归法和不同的臭气浓度/强度预测模型,发现不同研究或者不同模型得到的结果差异较大。其中,为预测模型提供准确的嗅觉阈值是优化模型的关键。另外,作为一种环境问题,本研究也对臭气的大气扩散以及排放速率进行了综述研究,研究中使用不同的大气扩散模型对臭气的大气扩散过程进行预测。但不同模型需要的基础数据和知识背景不同,因此需要根据实际的应用场景选择合适的模型。排放速率作为大气扩散模型中的重要输入参数,可以通过不同的方法和装置进行测定,不同方法的测定结果存在差异,后续研究中需要依据更多的现场数据对预测结果进行验证。基于以上综述,本研究将为恶臭污染的识别和控制提供科学指导。

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9. 管窥人工智能与大数据地球科学研究新进展

周永章, 肖凡

地学前缘 2024, 31 (4): 1-6. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.99

摘要（1329）

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本期是《地学前缘》组织出版的“人工智能与大数据地质”主题专辑。它由17篇学术论文组成，涵盖了知识图谱、基于深度学习的图像识别、非结构化地质信息的机器可读表达、图形大数据与社区发现、关联规则算法、三维地质模拟与成矿预测、物联网与在线监测系统等不同主题，提供了极其有价值的应用场景和研究案例，在一定程度上反映了中国人工智能与大数据地球科学领域研究的最新进展，值得同行关注。

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10. 我国典型土壤中Co对生物的毒害及其阈值推导

张竞元, 王学东, 梁力川, 段桂兰

地学前缘 2024, 31 (2): 137-146. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.11.40

摘要（493）

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PDF（pc）（2400KB）（1050）

随着人类对钴(Co)元素开发利用活动的增强,土壤Co污染问题日益受到重视。然而,目前对土壤Co的生态风险和阈值研究还很有限。本研究通过文献检索收集筛选Co生态毒性数据,并结合毒理学实验和物种敏感性分布法推导我国土壤Co的生态风险阈值。研究结果显示,文献检索和生态毒性实验获得了不同土壤性质下Co对10种生物的10%效应浓度(EC₁₀),变化范围为7~4 696 mg/kg。利用逐步线性回归建立了8个物种EC₁₀和土壤性质(pH、CEC、OC含量和Clay含量)以及这些物种自身敏感性k值的关系,得到8个物种的k值在-0.21~1.458,并通过种间外推模型获得无归一化模型的黑麦草及玉米渣矿化k值(-1.207和2.201)。最终获得包含土壤性质和k值的10个物种的回归模型,据此模型将预测的EC₁₀值归一化到4种土壤条件下。利用物种敏感性分布法推导得到4种土壤条件下Co的生态安全阈值(HC₅),经过老化淋洗因子的校正,在酸性、中性、碱性和石灰性土壤条件下分别为7.3、44、72.08和38.88 mg/kg,该结果可为土壤Co污染风险评价及相关标准的制定提供依据。

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11. 老挝沉积物中金的分布特征及成矿远景区预测

王玮, 王学求, 张必敏, 刘东盛, 刘汉粮, Sounthone LAOLO, Phomsylalai SOUKSAN, 迟清华, 周建, 韩志轩

地学前缘 2025, 32 (1): 78-90. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.10.28

摘要（159）

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在推进“一带一路”倡议的基础上,中老两国开展了1∶1 000 000国家尺度地球化学填图工作。本次研究是首次在老挝全国范围开展优势矿种金的地球化学研究工作。初步研究了老挝全国金地球化学背景和空间分布特征,圈定了老挝全国金的地球化学异常并划分了金的勘查远景区。本次研究共采集地球化学样品2 079件,采用高精度分析技术泡沫塑料吸附-石墨炉原子吸收光谱法和严格的质量控制,分析了金元素。研究结果表明,老挝水系沉积物金含量为0.10~913.70 ng/g,平均值和中位值(背景值)分别为2.44和1.00 ng/g。老挝金的分布相对广泛且零散,遍布全国各地,其分布主要受构造活动和岩浆作用的共同影响,沿着深大断裂带延伸分布。以累积频率85% (1.99 ng/g)为异常下限,老挝全境共圈定金元素地球化学异常17处,其中8处达地球化学省规模(面积>1 000 km²),在圈定金异常的基础上综合考虑金元素的地球化学空间分布、地质背景、区域构造和矿产分布情况,划分了7处金的成矿远景区。这为老挝金矿勘查提供了覆盖全国的基础性地球化学资料,填补了老挝全国金勘查地球化学填图工作的空白。

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12. “化学地球”大科学计划:全球关键元素分布与循环

王学求

地学前缘 2025, 32 (1): 1-10. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.10.33

摘要（433）

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“化学地球”的概念于2008年提出,2016年由联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心发起“化学地球”大科学计划倡议,2023年被联合国教科文组织正式批准。目标:将元素周期表绘制在地球上,建立化学属性数字地球,服务于全球资源环境可持续发展。科学技术问题:关键元素在地球上的时空分布和循环,全球不同地质地貌景观特点的地球化学探测技术、元素高精度分析和大数据开发技术。主要成果如下:(1)建立全球陆地1/3地球化学基准网,提供76个元素地球化学基准值,初步揭示关键元素全球分布规律,发现一批稀土元素(REE)、锂、铜和金等超常富集区,据此发现云南红河州超大规模中重稀土矿;(2)全球8个有毒重金属元素分布显示,欧洲超过风险限值的面积最大,占欧洲面积的48%,欧洲早期工业历史,没有清洁生产技术,导致大量有害物质排放;(3)中国地球化学观测网揭示镉、汞、砷和钙4个元素近30年发生显著变化,并发现汞的循环是以纳米辰砂微粒为主,而不是传统认为的气体形式迁移和循环;(4)地球化学大数据揭示我国7大粮食主产区,耕地质量总体安全,并利用大数据技术赋予绿色土地二维码标识,通过手机客户端实现绿色食品溯源。“化学地球”大科学计划入选习总书记主持的全球发展高层对话会主席声明成果清单,服务了高层决策和全球发展。

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13. 中国东部中生代上叠造山系

任纪舜, 刘建辉, 朱俊宾

地学前缘 2024, 31 (1): 142-153. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.7.15

摘要（1376）

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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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14. 老挝铜资源成矿规律与基于机器学习的远景预测

张必敏, 王学求, 周建, 王玮, 刘汉粮, 刘东盛, Sounthone LAOLO, Phomsylalai SOUKSAN, 谢淼, 董春放, 柳青青, 鲁岳鑫, 王浩楠, 贺彬

地学前缘 2025, 32 (1): 61-77. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.10.43

摘要（193）

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老挝处于特提斯成矿域南东段,具有丰富的矿产资源,但其地质工作基础薄弱,厘定矿产资源成矿规律并开展远景区预测是老挝在重点区实现找矿突破的有效途径。老挝1∶1 000 000国家尺度地球化学填图由中老双方合作完成,为其矿产资源和环境评价提供了高质量的地球化学基础数据和图件。本文主要利用国家尺度地球化学填图数据,结合老挝已发现矿产成矿规律,利用机器学习技术,开展铜资源远景区预测。研究结果表明:(1)老挝铜矿床的形成明显受到构造-岩浆-沉积作用控制,铜矿床主要类型有斑岩型、夕卡岩型、热液型和砂岩型。(2)老挝全国水系沉积物中铜含量为1.20~459.00 μg/g,平均值为21.96 μg/g,中位值为16.50 μg/g,在7个三级大地构造单元中,长山地块和哀牢山—马江等3个缝合带的平均值高于其他几个构造单元,地球化学图显示铜在老挝分布不均匀,存在多个大面积分布的高背景区和异常区。(3)构建了包括单元素异常、矿化元素组合异常、指示中酸性岩体元素组合、控矿构造分布、碳酸盐岩和碎屑岩分布等要素的老挝铜矿多源信息定量信息预测模型。(4)利用随机森林成矿预测方法,共圈定9个成矿远景区,具有寻找斑岩型和夕卡岩型等类型铜矿找矿前景。

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15. 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

地学前缘 2024, 31 (1): 412-430. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.4

摘要（1315）

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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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16. 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

地学前缘 2024, 31 (1): 95-110. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.41

摘要（1148）

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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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17. 基于数据增强和集成学习的矿物图像识别

王琳, 季晓慧, 杨眉, 何明跃, 张招崇, 曾姗, 王玉柱

地学前缘 2024, 31 (4): 87-94. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.5.6

摘要（737）

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矿物识别是地质学研究的一个重要部分,对于资源勘探、岩石分类和地质环境监测都有着重要的意义。然而,传统方法通常依赖人的经验进行主观判断,并且效率低下。近年来,已有许多研究将深度学习的图像分类技术应用于矿物识别,以客观快速地识别矿物,这些研究都取得了一定的成果,但可识别矿物种类有限且精度需要进一步提升。为此本文首先解决了矿物数据集图像数据样本分布不平衡问题,对数据集中矿物图像较少的11个矿物类别采用DCGAN生成矿物图像进行数据增强,对比选择效果更好的方案对数据集进行扩充。其次,为了得到更可靠、精确度更高的识别模型,将ImageNet上表现较好的ResNet、RegNet、EfficientNet和Vision Transformer模型迁移到本文使用的矿物数据集上。针对训练好的基模型排列组合得到11个子模型,分别使用平均软投票法和加权软投票法两种方法进行集成,得到22个集成模型并对其训练得到识别结果,对比22个集成模型的结果选择出精度最高的集成模型。实验结果表明:使用DCGAN进行数据增强,在不同的模型上平均提升了3.12%的准确率,充分证明了DCGAN数据增强的有效性;在所有集成模型中,使用加权软投票法的模型表现较好,其中精度最高的是利用4个基分类模型进行加权软投票得到的集成模型,在扩充后的36种常见矿物数据集上达到了87.47%的准确率。

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18. 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

地学前缘 2024, 31 (1): 181-200. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.1.25

摘要（1275）

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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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19. 含砷尾矿中砷铊矿相特征及其释放机制

梁慧芝, 郭朝晖, 张云霞, 徐锐

地学前缘 2024, 31 (2): 20-30. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.9.8

摘要（558）

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含砷尾矿中砷(As)及伴生元素铊(Tl)等毒性元素易向周边水和土壤介质中迁移,揭示尾矿中毒性元素的矿相特征及其释放机制具有重要意义。本研究以某雄黄矿区含砷尾矿为研究对象,结合化学分析、矿物学表征等手段,通过静态浸出实验探究含砷尾矿中As和Tl的矿相特征及其释放机制。研究结果表明,含砷尾矿中As和Tl的环境行为明显受到其矿相特征及赋存形态影响。矿物学分析结果显示尾矿中As的主要矿物相为砷铂矿和砷铁矿,矿物解离度表明砷矿物处于风化状态,As释放风险较高;而Tl则以伴生元素形式存在于Ca、Mn和Mg等矿物相中,这些矿物的沉淀溶解控制着尾矿中Tl的释放。尾矿中As主要以铁锰氧化物结合态和有机结合态存在,Tl主要以铁锰氧化物结合态和残渣态存在。酸性浸出条件下金属的活性态比例增高,可交换态As由0.29%上升至1.67%,可交换态Tl从5.46%升高至8.67%;尾矿中As释放加强而Tl受到抑制,表明尾矿中As与Tl释放存在竞争关系。As的浸出符合双常数模型,为多因素控制的物理和化学过程;Tl的浸出符合抛物线扩散模型,由结构掺入和表面吸附等扩散机制控制。本研究明确了含砷尾矿As和Tl的释放特性、化学形态转变及矿物相特征,为含砷尾矿中As和Tl污染风险控制提供了科学依据。

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20. 青藏高原东南缘昭通盆地晚中新世到上新世古环境演化过程

李佩, 张春霞, 罗浩, 刘志成, 高战武

地学前缘 2024, 31 (4): 326-339. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.11.33

摘要（839）

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青藏高原东南缘的云南区域是研究晚新生代以来气候和环境演化的重要区域之一。虽然针对云南区域已经开展了大量古气候和古环境演化的研究,但是晚中新世到上新世云南区域湿度变化的记录仅为碳同位素和孢粉记录,且分辨率较低。因此,该区域缺乏晚中新世到上新世连续的高分辨率古湿度变化记录。本研究主要基于云南省东北部昭通盆地内晚中新世到上新世的沉积物岩心,通过对沉积物粒度的测试分析,综合沉积序列、岩性特征和沉积构造,表明:昭通盆地在8.8~6.2 Ma以沼泽亚相沉积环境为主;在6.2~2.8 Ma以浅湖亚相沉积环境为主;在2.8~2.6 Ma以湖滨亚相沉积环境为主。昭通盆地沉积物粒度参数记录的晚中新世到上新世云南区域呈现干旱化的趋势。结合前期该钻孔黏土矿物和化学风化的相关成果,认为晚中新世到上新世南亚季风呈现逐渐减弱的趋势,并主要受控于全球变冷和全球CO₂浓度降低的影响。

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