地学前缘

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1. 智能矿山大数据的地学信息挖掘与知识发现:以河南上房沟钼(铁)5G⁺矿山为例

王洛锋, 王功文, 许文辉, 徐森民, 何亚清, 王春毅, 杨涛, 周晓将, 黄蕾蕾, 左玲, 牟妮妮, 曹毅, 刘志飞, 常瑜琳

地学前缘 2023, 30 (4): 317-334. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.2.85

摘要（367）

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21世纪工业4.0促进了智能矿山诞生,智能矿山的地质、勘探、采矿、选矿、环境、测绘等多学科数据集构成了矿山大数据,从而促进了地球科学的数字化、信息化和智能化迅速发展。本文以河南上房沟钼(铁)矿床5G⁺智能矿山为例,开展矿山大数据的地学信息挖掘,以凸显新工科多学科融合研究,取得了创新性成果与一系列新的地学知识发现。具体内容概括如下:(1)根据“斑岩-夕卡岩”矿床理论和找矿矿物学方法,利用钻孔数据集和露采场大比例尺填图及镜下鉴定分析,查明并构建了矿区主矿种与潜在矿种的时空三维模型,新发现了NE向构造赋矿地段、贯入式赋矿地段;(2)利用无人机遥感与地面高光谱短波红外和长波红外技术,识别并建立了矿区20多种主要蚀变矿物并构建了三维多参数矿物模型;(3)运用地球化学XRF测量和微区原位测量技术,建立了高光谱匹配的样品数据集,研发了矿区岩矿石有用和有害元素双矩阵制图软件,实现了传统地质统计学(高斯模拟、克里格插值)与机器学习(深度学习)关联的数学建模,复原并查明了2021年3-4月选矿回收率偏低的配矿矿石矿物组合及其缘由;(4)运用矿区选矿工艺矿物学的生产与实验采选矿的多期次多类型数据集(季-月-日的岩粉、泥粉、精矿、尾矿等,>1 800),研发岩粉与矿粉测试技术与分析方法,查明了上房沟钼矿的难选矿石类型及其有害矿物种类。研究结果表明,矿山多元多类型的数据集具有大数据“5V”(volume, variety, velocity, veracity, value)特征,准确管控矿山大数据的动态关联测量、分析与快速、高效评价有利于矿山智能决策和经济效益提高(回收率)。其中,高精度的多参数三维建模不仅能够深层次挖掘岩矿石的地质、构造、蚀变、矿化等信息模型,核实储量/资源量,还能满足第四代工业5G⁺矿山的实时矿业(real-time-mining)发展的四维管控需求,例如三维空间可视化的地质矿产资源预测与评价及增储、虚拟仿真式的“年-季-月-日”动态配矿采矿、数字孪生的实时选矿等。本项研究成果为智能矿山的地质矿产深层次地学研究提供了借鉴和参考。

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2. 花岗伟晶岩成因探讨:岩浆分异与深熔

周起凤, 秦克章, 朱丽群, 赵俊兴

地学前缘 2023, 30 (5): 26-39. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.5.8

摘要（512）

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花岗伟晶岩成因研究是探索花岗伟晶岩成岩和稀有金属成矿作用的重要内容。花岗伟晶岩成因主要为岩浆分异和深熔作用,即伟晶岩来自花岗质岩浆的结晶分异或者小比例部分熔融(深熔)。花岗伟晶岩分类以及特征矿物组合可为花岗伟晶岩成因探讨提供初步依据。岩浆分异成因伟晶岩由母体花岗质岩浆派生而成,明确母体花岗岩是判别岩浆分异成因的关键。母体花岗岩与伟晶岩通常具有密切的时空关系(近同期,相距不超过10 km),存在连续的分异演化趋势,并且来自同一物质来源。通过瑞利分馏方程模拟(主量-微量-稀土元素和稳定同位素等)查明结晶分异程度,解析分异成因伟晶岩岩浆的形成过程。根据区域构造-变质事件,区域变质作用特征,伟晶岩与变质岩的空间关系、成分关系和一致的同位素组成,伟晶岩产出的特色矿物组合和矿物包裹体,以及伟晶岩与部分熔融熔体相近的化学组成等,来明确伟晶岩来自深熔作用。通过岩石特征元素含量、同位素示踪和微量元素模拟判别源岩,运用Rb/Sr-Ba图解等明确熔融方式,根据源岩矿物组成特征查明熔融条件和熔体产出情况,结合特征元素在熔体-矿物相间的分配行为探讨熔融过程和熔体抽提汇聚史,最终阐明深熔成因伟晶岩熔体形成过程。稀有金属伟晶岩岩浆来自高分异花岗质岩浆的极度结晶分异,少数情况下可由成熟沉积岩/变质沉积岩低程度部分熔融形成。没有母体花岗岩出露的稀有金属伟晶岩群也可来自岩浆分异作用,或是深熔熔体通过进一步分异产生。深入理解部分熔融和结晶分异对伟晶岩岩浆的控制作用,探索伟晶岩岩浆形成过程中相关的物理化学过程,尤其是熔体逃离迁移机制及其对稀有金属元素富集的影响,并建立花岗伟晶岩成因的判别标志,是花岗伟晶岩成因探讨亟待开展的研究工作。

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3. 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（1084）

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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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4. 城镇化进程中珠江三角洲地区浅层地下水中砷分布特征及成因

吕晓立, 郑跃军, 韩占涛, 李海军, 杨明楠, 张若琳, 刘丹丹

地学前缘 2022, 29 (3): 88-98. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.1.26

摘要（624）

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随着经济的快速发展,城镇化和工业化成为影响地下水环境的重要因素。沿海城市化地区地下水中砷来源复杂,不仅有各种人为来源,天然沉积环境更是造成高砷地下水的主要成因。本文通过对比珠江三角洲地区不同历史时期水化学组分变化,采用离子比和主成分分析技术,研究了城镇化背景下研究区不同类型含水层地下水中砷的分布特征及成因。结果表明,研究区浅层地下水砷浓度介于未检出至420 μg·L^-1之间,主要以As(Ⅲ)的形态存在,孔隙含水层的砷浓度普遍高于裂隙和岩溶含水层。取自研究区的1 567组地下水化学样品测试结果显示,ρ(As)>10 μg·L^-1的高砷地下水样品检出89组,占比5.7%。其中,孔隙、裂隙和岩溶含水层高砷地下水分别检出82组、4组和3组,占比分别为7.8%、0.8%和9.7%。高砷地下水主要分布在城镇化地区,其比例为非城市化地区的5倍以上。对比历史水化学数据,近10年新增城镇建设用地浅层高砷地下水中砷浓度平均值增加了30%。高砷地下水通常具有pH值较高、氧化-还原电位(Eh)较低等特性。地下水中砷浓度与 $NH 4 +$ 、Fe、Mn浓度及耗氧量呈正相关。三角洲平原区第四系基底富含有机质的淤泥质沉积地层,在微生物降解和有机质矿化作用下,固着砷的铁(氧)氢氧化物被还原溶解促使砷释放富集。城镇化过程中含砷工业废水的泄漏入渗是佛山市南部顺德区地下水中砷的另一重要来源。受原生沉积环境和人为输入双重作用,三角洲平原区所形成的中性至弱碱性还原环境是高砷地下水赋存的主要成因。

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5. 伟晶岩型锂矿床地球物理探测及可可托海实例

何兰芳, 李亮, 申萍, 王斯昊, 李志远, 周楠楠, 陈儒军, 秦克章

地学前缘 2023, 30 (5): 244-254. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.5.14

摘要（511）

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锂是一种战略性关键金属,因其高电位特征在新能源时代的战略地位突出,并且需求急剧增长。锂矿床是锂资源的自然载体,勘探开发锂矿床是保障低碳能源金属锂资源需求的重要途径。伟晶岩是硬岩型锂矿床重要的赋矿岩体,但大部分锂矿床赋矿岩体规模小,物性特征不明显,地球物理探测难度极大,并且在相当一段时间地球物理勘探与研究被忽视。随着锂矿勘探需求的持续攀升及仪器与方法技术的进步,地球物理在伟晶岩探测中的作用越来越被重视,在勘探应用中也在不断取得突破。本文在简要回顾锂资源需求现状的基础上,讨论和综述了伟晶岩型锂矿床地球物理探测技术,包括岩石物理特征、星载遥感技术、重磁勘探和电法勘探,最后展示了中国新疆可可托海伟晶岩稀有金属矿区音频大地电磁测深探测实例。伟晶岩与淡色花岗岩具有低磁化率、低密度、低极化率和高波速特征,而伟晶岩的电阻率受亲水矿物的影响,在几个数量级的范围内变化。由于伟晶岩和与其共伴生的花岗岩相对于片岩、片麻岩等围岩具有低密度、低磁化率特征,常用区域重磁勘探圈定这一类的花岗岩体。重磁勘探通常难以判别是否为伟晶岩,但近期有少量实例报道微重力能识别花岗岩中的伟晶岩。电法勘探因其相对较高的分辨率和穿透能力能在隐伏伟晶岩型锂矿勘查中发挥重要作用,在伟晶岩型锂矿勘探中被广泛应用。我们在可可托海开展了音频大地电磁测深。其结果表明:矿区及外围电阻率整体较高,但3号脉以南岩田内发育多处低阻体,据已知岩脉发育特征和地质调查结果,推测部分低阻异常体为隐伏伟晶岩反映。地质分析表明,可可托海伟晶岩均含矿,部分同期淡色花岗岩也有矿化特征,综合地质-地球物理特征,推测可可托海伟晶岩田南部有较好的资源前景。

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6. 雅鲁藏布江流域风成沉积空间格局、沉积模式及其环境效应

夏敦胜, 杨军怀, 王树源, 刘鑫, 陈梓炫, 赵来, 牛潇毅, 金明, 高福元, 凌智永, 王飞, 李再军, 王鑫, 贾佳, 杨胜利

地学前缘 2023, 30 (4): 229-244. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.9.7

摘要（326）

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青藏高原南部雅鲁藏布江(雅江)流域位于印度板块和欧亚板块碰撞产生的缝合带,是地球系统科学研究的热点地区。该区域中更新世以来的风成沉积物不仅是揭示青藏高原气候变化与大气环流演化的重要窗口,而且有助于深入认识构造、气候及地表景观之间的内在联系,然而我们对于该区域风成沉积物的空间格局、沉积模式及其环境效应至今仍然缺乏系统的认识。本文在大量野外考察和已有研究结果基础上,结合典型沉积物样品的综合分析,对雅江流域风成沉积体系进行了梳理,绘制了《雅江风成沉积空间分布图》,包括1幅序图和6幅区域分布图,其中风沙和黄土沉积呈斑块状分布,二者通常相伴而生。黄土与沙丘、河流砂等松散沉积物之间存在密切的物质联系,区域内的风成沉积以自循环过程为主,记录了区域气候的空间差异。河谷沉积物在接受有限的远源粉尘输入的同时,在高空西风的作用下向全球贡献粉尘物质。中更新世以来的粉尘活动受控于构造运动和全球气候变化的耦合,而全新世粉尘活动受河谷环境影响表现较为复杂,区域气候变化受中纬度西风和印度夏季风的协同作用影响。

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7. NYF型伟晶岩岩浆-热液演化与稀有稀土金属超常富集

饶灿, 王吴梦雨, 王琪, 张志琦, 吴润秋

地学前缘 2023, 30 (5): 106-114. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.5.6

摘要（194）

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NYF型伟晶岩作为重要的战略性矿产资源,一直未受到广泛关注。相对于LCT型伟晶岩,NYF型伟晶岩的内部结构分带较差,极少存在区域性分带,但发育大量Nb、Y、F等矿物。铌铁矿族矿物、云母族矿物、电气石等矿物的地球化学特征能精细揭示NYF型伟晶岩的岩浆-热液演化过程,反映其演化程度。挥发分F、B、P和H₂O等不仅影响NYF型伟晶岩的结晶分异程度,对稀有稀土金属元素超常富集也起至关重要的作用。稀有稀土金属元素的富集、迁移与结晶贯穿整个NYF型伟晶岩的岩浆阶段、岩浆-热液过渡阶段以及热液阶段;高度演化的NYF型伟晶岩中,可以发生铌矿化、铍矿化、铷矿化、稀土 (Y、Ce、Sc等) 矿化以及锆-钍-铀矿化等。今后我国应将碱性岩-碱性花岗岩区域作为NYF型伟晶岩重点勘查区,加强NYF型伟晶岩的研究力度和指导找矿。

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8. 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（458）

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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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9. 伟晶岩中锆石研究进展及其对稀有金属成矿的启示

孙文博, 李欢

地学前缘 2023, 30 (5): 171-184. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.5.2

摘要（234）

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随着全球经济的发展,世界对稀有金属的需求量越来越大,伟晶岩型稀有金属矿床因其数量多、成矿潜力大而走进了人们的视野。锆石作为伟晶岩中重要的副矿物,是研究伟晶岩型矿床成矿物质来源、流体性质、流体演化过程和稀有金属富集机制的重要对象。本文综述了伟晶岩中锆石研究的最新进展并探讨了其对稀有金属成矿的启示。研究发现伟晶岩锆石具有多种成因且多遭受热液改造,导致其具有复杂的年龄谱系,伟晶岩稀有金属成矿与老锆石存在关联性。锆石微量元素既可以指示伟晶岩锆石的稀有金属矿化,也可以反演岩浆演化过程及揭示成矿流体性质。稀土元素四分组效应是一种特殊的稀土配分模式,这种模式在伟晶岩锆石中同样存在,指示了熔体与流体之间的演化过程。伟晶岩锆石中的Hf-O同位素组成变化很大,Hf同位素可以很好地对伟晶岩源区进行示踪,O同位素是良好的示踪剂。伟晶岩锆石有着丰富的包裹体,利用流体包裹体测温以及成分分析解决岩浆演化阶段时间划分、使用高铀锆石追踪富U流体的来源以及利用锆石Li、Zr同位素特征来揭示成矿过程等将是后续伟晶岩中锆石研究的重点方向。

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10. 锂同位素地球化学研究新进展

陈瑜, 徐飞, 程宏飞, 陈贤哲, 温汉捷

地学前缘 2023, 30 (5): 469-490. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.2.51

摘要（738）

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锂(Li)作为新兴产业发展不可或缺的战略性关键金属,其两种同位素⁶Li和⁷Li相对质量差可达17%,在构造演化等过程中因物理化学条件的变化会发生显著的同位素质量分馏,地球上不同储库δ⁷Li差异可达60‰,具有极大的地球化学示踪潜力。亲石性和强流体活动性使Li广泛分布于地壳,在随流体迁移过程中,⁷Li更易于以四配位键的形式进入液相,使得自然储库流体中的δ⁷Li普遍更高。在低温条件下,Li同位素发生较大分馏,次生黏土矿物的生成是影响Li同位素分馏的重要因素;高温环境中,Li同位素分馏程度较低,主要受扩散作用和不同矿物的分配系数控制。多接收电感耦合等离子体质谱(Multi-collector Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry,MC-ICP-MS)和原位微区分析等Li同位素检测技术的快速发展与应用有效提高了Li同位素的分析精度(可达0.2‰),极大地推进了Li同位素在地学领域的应用。Li同位素很好地记录了板块俯冲阶段的脱水和交代作用,⁷Li随流体脱出并影响地幔楔与岛弧岩浆Li同位素组成,深部高温环境下,Li的不分馏现象使得深部流体也具有与俯冲板块类似的低δ⁷Li值的特征,幔源捕虏体的Li同位素差异也反映了不同程度的交代作用。同时,Li同位素有效地应用于成矿和找矿研究,盐湖卤水中Li的来源主要以富Li母岩风化和底部热液携带为主,沉积物的溶解进一步促进Li的富集。低δ⁷Li的花岗伟晶岩型锂矿主要形成于岩浆分异后期。河流、雨水、气溶胶及黏土矿物形成等共同影响着表生作用下的Li同位素分馏。基于Li地球化学的特殊性和作为战略资源的重要性,本文介绍了Li及其同位素的地球化学性质和分布特征、分析技术及分馏机制,并全面综述了Li同位素在板块俯冲和壳-幔物质演化、成矿机制、地表风化、碳循环与人类活动等地学领域中的最新研究应用,以期为Li同位素在地球化学中的应用提供借鉴。若能在今后研究中提高Li同位素的测试精度,进一步明晰复杂条件下的Li同位素分离机制,必将发挥其在地学应用中的更多潜力。

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11. 碳中和背景下国内外陆地生态系统碳汇评估方法研究进展

谢立军, 白中科, 杨博宇, 陈美景, 付帅, 毛艳超

地学前缘 2023, 30 (2): 447-462. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.2.78

摘要（1367）

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研究目的:针对近30年森林、草地、农田、湿地4种生态系统主流碳汇核算方法,辨析各核算方法特点以准确地对陆地生态系统碳汇能力现状和未来碳汇潜力进行评估。研究方法:文献综述法、对比分析法和归纳法等。研究结果:(1)现有碳汇核算方法多基于公式模型计算,在进行植被碳汇空间格局分析时受样本数量、测量误差、参数误差、数据来源不一致、模型普适性差等因素影响,计算结果存在不确定性,中国统一标准的陆地生态系统碳汇监测体系亟待建立;(2)实现陆地生态系统碳汇量的准确计算,需要可靠数据源、合理的模型与计算方法、多途径的交叉验证、适当误差分析与插补校正;(3)应有效整合样地勘察、模型构建、微气象学和遥感监测等方法,评估陆地碳库的现存量与容量,揭示碳库稳定性及综合考虑碳库影响因素,以期解决生态系统多尺度耦合问题。研究结论:未来研究重点应基于大量实测数据,探究分类型、分地域、分气候的差异化碳汇核算方法,建立全尺度、广覆盖的碳汇计量模型,为中国陆地生态系统碳汇核算标准提供参考。

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12. 我国海洋科学发展现状与未来展望

吴立新, 荆钊, 陈显尧, 李才文, 张国良, 王师, 董波, 庄光超

地学前缘 2022, 29 (5): 1-12. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.4.60

摘要（2232）

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海洋是生命的摇篮、资源的宝库和国家安全的屏障,是未来人类可持续发展的重要战略空间。到目前为止,广袤深邃的海洋只有5%的区域被人类探索,加快海洋科技创新、提高海洋资源开发能力、保护海洋生态环境是实现“关心海洋、认识海洋、经略海洋”的根本,事关国家发展的命脉。海洋问题的复杂性使其无法通过单一学科的研究得以解决。目前,我国海洋科学的研究已逐步从过去的跟跑阶段进入并跑阶段,但原始创新能力明显不足。本文回顾分析了我国海洋科学领域的研究进展与发展态势,对标找出与世界先进国家的差距,展望了今后的发展方向,指出围绕海洋多尺度相互作用与气候变化、健康海洋、海洋生命过程、跨圈层流固耦合、快速变化的极地系统、海岸带可持续发展等重大科学前沿,加强顶层设计和战略布局,开展跨尺度、跨圈层的多学科交叉研究,组织并发起我国主导的国际大科学计划,从而显著提升我国在海洋科学研究领域的国际影响力,切实提高保障国家安全和服务社会经济发展需求的能力,为建设海洋强国、构建人类命运共同体提供重要科技支撑。

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13. 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（1371）

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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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14. 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（564）

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PDF（pc）（5779KB）（725）

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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15. 祁连造山带构造演化与新生代变形历史

吴晨, 陈宣华, 丁林

地学前缘 2023, 30 (3): 262-281. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.12.20

摘要（785）

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祁连造山带位于东特提斯北缘,蛇绿混杂岩带、(超)高压变质岩和弧岩浆岩等广泛发育,是前新生代华北克拉通与柴达木古地块之间多期次俯冲、碰撞和造山形成的复合造山带。现今的祁连山是青藏高原北缘高原隆升与扩展的关键构造带,具有复杂的陆内变形构造和深部结构,记录了新生代高原生长过程中不同阶段的构造变形和盆-山演化历史。本文在区域地质研究资料的综合分析基础上,讨论祁连造山带元古宙变质基底属性、新元古代—古生代古海洋演化和中—新生代构造变形特征,探讨祁连(山)造山带的构造演化过程和陆内变形历史。祁连造山带发育新元古代早期和早古生代两期岩浆弧,分别代表了古祁连洋和(南、北)祁连洋的俯冲-碰撞事件;亲华北的基底属性指示了祁连洋实属陆缘海。新生代青藏高原东北缘发育两阶段构造变形和盆-山演化,在中新世完成了由新生代早期以逆冲断裂活动为主向走滑断裂和逆冲断裂共同作用的转变,随着东昆仑山的快速隆起将古近纪大盆地隔开成两个盆地,即现今的柴达木盆地和可可西里盆地。中新世中晚期以来,青藏高原东北缘的构造格局主要受控于东昆仑和海原两个近乎平行的大型转换挤压构造系统的发育、顺时针旋转和侧向生长。大型走滑断裂系统在造山带内的生长过程与发育机制是陆内变形研究的中心问题,需要进一步的定量化研究。

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16. 深部水文地质研究的机遇与挑战

文冬光, 宋健, 刁玉杰, 张林友, 张福存, 张森琦, 叶成明, 朱庆俊, 史彦新, 金显鹏, 贾小丰, 李胜涛, 刘东林, 王新峰, 杨骊, 马鑫, 吴海东, 赵学亮, 郝文杰

地学前缘 2022, 29 (3): 11-24. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.1.49

摘要（752）

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经济社会快速发展需要更多的能源与资源保障,地球深部资源与能源极其丰富。“向地球深部进军”是经济社会发展需要与资源勘查开发技术、经济效益成本承受能力相匹配的必然发展趋势。随着“碳达峰、碳中和”战略目标的提出,绿色低碳高质量发展成为时代发展的主旋律。为满足能源、资源保障和生态环境保护等重大需求,加大清洁能源勘探开发力度、提高碳封存能力、强化地质储能研究等显得尤为重要。深部水文地质作用与此息息相关,亟待重视和加强研究。本文采用文献分析法,通过学科发展历程与热点焦点问题的综合对比研究,对深部地下水分布与循环理论研究、深部地下水地质作用下地热与锂资源成藏、深部地热-干热岩与页岩气等清洁能源开发、深部咸水层CO₂地质封存、地质储能等方面涉及的深部水文地质研究现状和未来趋势进行了分析总结,认为深部水文地质在高温高压条件下地下水循环动力机制、物质能量转换过程、水岩相互作用、成热成藏机理和勘查监测技术精准度等方面尚需深入系统的研究,而储层非均质性刻画、热源机制、深部资源能源可持续开发技术、人工干预下深部资源环境演变特征、水力压裂诱发地震以及断层对流体触发的敏感性和触发过程演变等是未来应给予重点关注的关键性问题。

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17. 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（842）

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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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18. 烃源岩作为铀源岩的可能性:研究现状与展望

刘超, 付晓飞, 李扬成, 王海学, 孙冰, 郝炎, 胡慧婷, 杨子成, 李依霖, 谷社峰, 周爱红, 马成龙

地学前缘 2024, 31 (2): 284-298. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.5.33

摘要（480）

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烃源岩与砂岩型铀矿通常同盆共生,除了提供矿化剂之外,烃源岩能否成为铀源岩对砂岩型铀矿的勘探范围向盆地纵深部位拓展具有重要意义。研究针对烃源岩能否成为铀源岩所涉及的三个关键问题,即“铀从烃源岩中迁出的比例、如何随地层流体运移、在何种条件下沉淀和聚集”,梳理了国内外相关研究进展,指出了有必要加强研究的薄弱环节。结果表明:热模拟实验证实烃源岩中的铀能够迁出,迁出的铀很可能以U(IV)/U(VI)混合的形式随含烃地层水和石油运移,温度、压力的降低以及pH、Eh变化会导致铀溶解度的下降和铀运移载体的分解而发生铀沉淀,沉淀物也可能重新被含氧的地层水溶解。问题与建议包括:(1)铀从烃源岩中迁出的比例存在不确定性,迁出的机制以及地质规律尚不清楚,需要开展进一步的生烃-排铀模拟实验及排铀动力学表征研究;(2)铀在低温、含烃、还原性热液中的赋存状态是研究其迁移机制的基础,目前对与铀结合的优势配体的类型、产物热力学性质、铀在含烃地下水与石油中的分布比例所知甚少,有必要开展基于热模拟实验的原位测试研究;(3)携铀流体向浅部运移的过程中温度、压力、pH、Eh、有机-无机组分的变化控制铀的迁移/沉淀,不同组合条件下铀赋存形式的转化规律、主控因素尚不清楚,有待开展多因素、多变量的烃-铀运移模拟实验进行揭示。

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19. 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（463）

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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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20. 湘北仁里伟晶岩型稀有金属矿田的地质特征及成矿机制概述

李建康, 李鹏, 黄志飚, 周芳春, 张立平, 黄小强

地学前缘 2023, 30 (5): 1-25. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.5.24

摘要（333）

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湘北仁里稀有金属伟晶岩矿田位于江南造山带中段,由仁里铌钽铍矿床、永享-传梓源锂铍铌钽矿床和黄柏山锂铍铌钽矿床组成,是我国近年来东部新发现的特大型花岗伟晶岩型锂铍铌钽矿田。该矿田内各伟晶岩脉围绕矿田北部的幕阜山西南缘花岗岩杂岩体成群成带分布,自杂岩体向外,微斜长石型、微斜长石-钠长石型、钠长石型和钠长石-锂辉石型伟晶岩依次产出。仁里矿床5号脉是区内规模最大的铌钽矿脉,表现出岩浆和热液两阶段成矿的特征;永享-传梓源矿床206号脉是区内规模最大的锂辉石伟晶岩脉,锂辉石遭受了强烈的晚阶段热液交代作用,多转化为腐锂辉石;黄柏山矿床603号脉是区内新发现的锂辉石伟晶岩矿脉,具有交代作用弱、品位高的特点。仁里5号脉的流体包裹体特征显示该矿脉的热液阶段成矿作用较为发育,由流体包裹体显微测温结果估算5号脉核部带形成于约550 ℃、约350 MPa。综合已有资料,仁里矿田表现出:燕山期(约130 Ma)陆内造山作用成矿,陆内造山作用使高成熟度的沉积基底,即新元古代冷家溪群,深熔产生花岗质岩浆;在岩浆的多阶段侵入活动中,晚阶段二云母花岗岩浆分异出伟晶岩熔体;伟晶岩在经历热液交代作用改造后,富集铌钽,但贫化Li。因此,陆内造山过程中变泥质岩深熔作用、“体中体”式岩浆分异模式、岩浆和热液两阶段成矿作用叠加构成了仁里矿田的成矿特色。

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