摘要：
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。
