21世纪地球科学研究的重大科学问题

凝炼地球科学研究的重大科学问题,对推动地球科学基础研究的发展具有重要意义。美国国家研究理事会（National Research Council）2008年3月发布的研究报告《地球的起源和演化：变化行星的研究问题》提出了21世纪固体地球科学研究的10个重大科学问题：①地球和其他行星的起源;②地球早期的演化历史;③生命的起源;④地球内部的运动及其对地表的影响;⑤地球的板块构造与大陆;⑥地球的物质特性对地球过程的控制;⑦气候变化的原因与幅度;⑧地球—生命的相互作用;⑨地震、火山喷发等灾害及其后果的预测;⑩地球内外流体运动对人类环境的影响。这些重大科学问题对我国的地学发展战略研究及地球科学基础研究均将具有重要的借鉴和指导意义。主要依据NRC的《地球的起源和演化：变化行星的研究问题》报告,对这些重大科学问题进行了解读和分析。     

金刚石的撞击成因与找矿新思考

<正>“深地、深海、深空、深蓝”是代表科技发展前沿和我国战略发展方向的重要领域。其中,“深地”和“深空”是地球和行星科学研究的重点领域,是解决地球科学重大基础理论问题、探索太阳系演化历史等科学问题,以及保障国家能源资源安全、拓展人类生存空间、保障人类社会可持续发展的重要领域(欧阳自远等, 2002; Wilson et al.,2004; 李三忠等, 2010; 郑永春等, 2011; 郑永春和欧阳自远, 2014; 杨经绥等, 2021)。     

“四深”微生物的地质作用——从气候环境变化到生态灾难

“四深”微生物是指深海、深地、深空和深时环境的微生物,特别是细菌、古菌、真菌、病毒等。人们对“四深”微生物的了解非常有限,是亟待突破的地球生物学前沿领域。“四深”微生物的研究对理解地球生命起源、界定生物圈的边界条件、促进地球科学与生命科学以及行星科学之间的交叉融合具有不可替代性的贡献。随着我国深海、深空、深地等重大工程计划的推进,一系列与“四深”微生物有关的前沿科学问题不断提出,包括地质微生物与气候环境的相互作用、地质微生物的生物安全与生态安全、地质微生物参与的隐匿地质过程等。特别是,“四深”环境活性氧自由基对微生物的影响、地质病毒对生物演化和地质过程的影响等前沿领域都亟待突破。活性氧自由基能对生物分子、细胞、组织和器官,乃至整个生物圈的演化以及微生物地质作用都产生重要影响。病毒引发了现代和近代诸多全球性疫情爆发,地质病毒则可能对生物的背景灭绝和大灭绝以及一些地质过程产生影响。     

“四深”微生物的地质作用：从气候环境变化到生态灾难

“四深”微生物是指深海、深地、深空和深时环境的微生物,特别是细菌、古菌、真菌、病毒等。人们对“四深”微生物的了解非常有限,是亟待突破的地球生物学前沿领域。“四深”微生物的研究对理解地球生命起源、界定生物圈的边界条件、促进地球科学与生命科学以及行星科学之间的交叉融合具有不可替代性的贡献。随着我国深海、深空、深地等重大工程计划的推进,一系列与“四深”微生物有关的前沿科学问题不断提出,包括地质微生物与气候环境的相互作用、地质微生物的生物安全与生态安全、地质微生物参与的隐匿地质过程等。特别是,“四深”环境活性氧自由基对微生物的影响、地质病毒对生物演化和地质过程的影响等前沿领域都亟待突破。活性氧自由基能对生物分子、细胞、组织和器官,乃至整个生物圈的演化以及微生物地质作用都产生重要影响。病毒引发了现代和近代诸多全球性疫情爆发,地质病毒则可能对生物的背景灭绝和大灭绝以及一些地质过程产生影响。     

太阳系天体的火山作用及其比较行星学意义

火山活动是太阳系内所有行星和多数卫星共同经历过的地质作用.类地行星及它们的卫星表面普遍分布着多种火山和火山岩.其中金星、火星和月球与地球上的早期(始太古代)火山活动有许多相似性.现在,火星与月球上的火山活动早已停止,而金星和地球上仍有火山活动.类木行星的卫星上主要活动的是"冰火山",它们之中有些还有十分强烈的活火山活动(如爱莪和海卫一).对太阳系天体火山作用的对比研究能够提供认识太阳系和行星演化、天体深部和浅部地质作用过程、矿产资源形成以及生命的起源和演化等重要信息,是比较行星学的重要组成部分.     

“行星地质与化学”专辑序

正行星科学起源于天文学和地球科学,是伴随人类月球和行星探测工程快速诞生的学科,与全球板块活动理论同时期建立。经过半个多世纪的发展,行星科学已细分为行星地质、行星化学、行星物理、天体生物学等成熟的分支。其中,行星地质学使用多源遥感数据和模拟对比的方法,主要目的是了解天体的地质演化;行星化学起源于传统地球化学和陨石学,主要目的是了解天体物质的起源和演化。行星地质和化学从跨越天体的角度研究地质过程和地球化学的本质,为探索地球的起源和演化,尤其是地球早期演化、生命起源等重大科学问题提供了独特的视角。     

类地天体与地球地质作用的比较研究

<正> 一、概述 地球是作为一员星球在银河系中运动和发展的。因而,它的形成和演化是应服从于一般星球形成和演化规律的。特别是与地球相邻近,而且特征也相近的星球,在形成和演化方面应有更多共同特点。 比较法是认识、鉴别事物的重要方法。事物是从与其他事物比较中反映出它的特性和共性的,在现在科学水平上,能与地球相比较的天体在亿万星球中还是极少数,我们将这些与地球相邻近,而特征又近似的天体称类地天体。     

地壳究竟在哪里

矿物学资料与比较行星学提出了一个有争议的新假说一绝大部分地壳可能被埋在地幔深处.地球科学家早就猜想,在太阳系的星球中,我们星球的地质特征是独特的.在跨入行星探索时代的今天,比较行星学已经有力地证明了这个猜想.行星间相似性和差异性为我们提供了尚待发展的、关于行星(包括地球)起源与演化的普遍性理论的原始资料.我们已经知道,现存的一套关于地球的理论、规律和修正并来提供其他行星具体结构的约束条件.与其进一步修正这些“规律”,不如现在开始新的计划——即使这意味着放弃那些为绝大多数地球科学家“信”以为真的信条和假设.     

比较行星地质学

比较行星地质学欧阳自远（中国科学院地球化学研究所贵阳５５０００２）关键词比较行星地质学，地球，行星１比较行星地质学的诞生比较行星地质学是以地球为基础，对比研究太阳系各行星（特别是类地行星）的物质组成、表面特征、地质构造、物理场、内部结构和演化历史的学...     

东准噶尔纸房地区晚石炭世巴塔玛依内山组陆相火山-沉积体系特征

东准噶尔巴塔玛依内山组是典型陆相火山．沉积体系(盆地)，主体由基性及中酸性火山熔岩组成，火山碎屑岩及火山碎屑沉积岩较少，通过对纸房地区晚石炭世巴塔玛依内山组陆相火山岩的岩石化学、地球化学特征进行系统研究，认为它属于造山期后固结初期，新陆壳裂谷向高原火山岩演化的同岩浆源、同沉积盆地、同火山作用的钙碱系列双峰式火山岩．     

重力式水泥搅拌桩挡墙在深基坑支护工程中的应用研究

本文从水泥搅拌桩与软土之间的物理化学反应过程以及水泥搅拌桩的力学特性两方面,分析了重力式水泥搅拌桩支护技术的作用机理,归纳分析了重力式水泥搅拌桩挡土墙的设计方法和施工技术特点。结合工程实例,对重力式水泥搅拌桩挡土墙的土压力计算、墙体稳定性验算等方面进行了探讨,对比分析了公式计算与电算结果,同时体会到深基坑支护工程除了优化设计外,采用信息化施工,对工程进行监测,及时反馈信息指导施工是工程成功的关键之一。实例表明无支撑重力式水泥搅拌桩挡墙作为7m以内基坑的围护结构具有显著的优越性,值得推广运用。     

旋挖钻机在深厚卵砾石层超深大直径桩的应用

在桥梁超深大直径钻孔灌注桩施工中,国内通常采用大扭矩全液压回转钻机配备滚刀钻头钻进成孔,气举反循环排渣清孔。但对于深厚卵石地层,回转钻机钻进时需要破碎卵石,存在着钻进效率低、施工成本高、钻杆易堵塞、卵石层漏浆易坍塌等不足。本文针对深厚卵石层回转钻机施工中存在的不足,选用旋挖钻机钻孔,利用膨润土泥浆护壁,针对卵石层漏浆采取了可靠堵漏措施,通过气举反循环两次清孔,确保了孔底沉渣厚度,施工效率大幅提高,施工工期大为缩短,节约了施工成本,确保了桩基质量。     

基坑支护的混凝土芯搅拌桩有限元分析

介绍了一种新型的基坑支护形式,即混凝土芯水泥土搅拌桩,它是一种融合了复合地基和桩基础优点的地基处理方法,是一种结合围护挡土结构和防渗止水帷幕功能于一体的支扩结构.笔者还采用有限元方法分析了基坑支护中的混凝土芯水泥土搅拌桩的位移大小分布和方向分布、应力大小分布和方向分布、塑性区的分布和临空面的水平位移.分析结果表明,采用门型结构的混凝土芯水泥土搅拌桩进行支护,既安全可靠,又经济可行.     

金刚石与深部碳循环

深部碳循环是全球碳循环研究中不可或缺的部分。较之表层碳,人类对地球深部碳储库的储量、碳的迁移方式和交换量都缺乏清晰认识。作为来自地球深部的碳单质矿物,金刚石是研究深部碳循环的绝佳样品。近年来原位微区分析技术的突飞猛进为研究金刚石及深部碳循环提供了良好条件。文中对表层与深部碳交换、深部碳储库及金刚石矿物学性质进行了介绍,并通过金刚石及其包裹体的稳定同位素组成,探讨了金刚石的形成机制及含碳流体/熔体的性质与来源问题。     

成矿定量预测与深部找矿

成矿预测是在不确定条件下制定最优决策的工作。成矿预测作为一种地质系统,与其他技术、经济系统存在重要区别。由于矿床类型的多样性,矿床成因的复杂性,控矿因素的隐蔽性和找矿信息的多解性,成矿预测结果具有不确定性并常常因人而异。探索成矿预测过程客观化、定量化和精确化一直是成矿预测学的前沿课题。文中以个旧锡矿为例展示致矿地质异常与矿体空间产出及分布的密切关系,强调以"求异"准则为指导的成矿定量预测的重要性。当今地质勘查工作面临深部找矿问题,论文从深部找矿的概念、类型、目标、效益等方面简要介绍了国外理论研究和找矿实践概况。强调深部找矿中要加强地壳深部结构的研究,要重视深部找矿的经济"回报率"和勘查项目的"转化率"的重要性。     

深部储层勘探、研究现状及对策

本文介绍了深层油气勘探、研究现状,较系统地阐述了深部储层与中浅部储层质的差异。深部储层主要受地球动力学、热力学控制,中浅部储层理论也不完全适用于深部储层这一新领域。作者提出了解决问题的技术思维和技术路线。     

大洋地幔橄榄岩-铬铁矿中的金刚石和深地幔再循环

全球多地蛇绿岩型地幔橄榄岩和铬铁矿中发现微粒金刚石,并在中国西藏南部和俄罗斯乌拉尔北部的蛇绿岩铬铁矿中发现原位产出的金刚石,认为是地球上金刚石的一种新的产出类型,不同于金伯利岩型金刚石和超高压变质型金刚石。它们与呈斯石英假象的柯石英、高压相的铬铁矿和青松矿等高压矿物以及碳硅石和单质矿物等强还原矿物伴生,指示蛇绿岩中的这些矿物组合形成于深度150~300 km或者更深的地幔。金刚石具有很轻的C同位素组成（δ13C-18‰~-28‰）,并出现多种含Mn矿物和壳源成分包裹体。研究认为它们曾是早期深俯冲的地壳物质,达到>300 km深部地幔或地幔过渡带后,经历了熔融并产生新的流体,后者在上升过程中结晶成新的超高压、强还原矿物组合,通过地幔对流或地幔柱作用被带回到浅部地幔,由此建立了一个俯冲物质深地幔再循环的新模式。蛇绿岩型地幔橄榄岩和铬铁矿中发现金刚石等深部矿物,质疑了蛇绿岩铬铁矿形成于浅部地幔的已有认识,引发了一系列新的科学问题,提出了新的研究方向。      

深基坑复合喷锚支护技术探讨

工程实践表明,复合喷锚支护是一种有效的深基坑支护型式,它可用于土层条件差、安全性要求高、变形控制严格的基坑工程中。复合支护中锚杆为主要受力构件,竖向花管为辅助受力构件,可起到限制、减小土体变形的作用。由于竖向注浆花管的加入,花管及注浆体抗剪作用加强,使基坑的整体稳定性得以大幅度提高。探讨了复合喷锚支护整体稳定性分析方法,建议将滑动区域分为加固土和原土两部分,将锚管注浆形成的注浆体等效为一层加固土,按喷锚支护模型计算复合喷锚支护整体稳定性。     

深基坑稳定性的模糊随机分析

基坑稳定性分析中的不确定性主要表现为随机性和模糊性,随机性体现为将各种设计参数作为随机变量, 而模糊性主要体现在其失稳的判断标准上,这与深基坑失稳破坏的模糊特征相吻合。重点阐述了深基坑稳定性分析中的模糊性, 并采用模糊随机方法,推导出基坑稳定性的广义模糊随机计算模型, 该模型可以考虑分析中所涉及到的计算力学参数的随机性和失稳判断标准的模糊性。同时还对基坑失稳概率的标准进行了讨论。最后实例分析了坑底隆起失稳的模糊概率。计算结果说明,模糊随机方法能够更全面、合理地反映基坑的实际稳定性。     

深部地球中水的分布和循环

深部地球中的主要物相(橄榄石、辉石、石榴石等及其高压相变产物)是理想化学式中不含H的“名义上无水矿物”,以缺陷形式存在于它们结构中的OH/H2O(统称为结构水)的发现是近二十年来地球科学领域最重要的进展之一。从天然样品的观察和高温高压实验结果来看,深部地球矿物中普遍含有结构水,其总量可能远远超过了水圈。水在深部地球不同层圈中的分布可能具有时间上和空间上的不均一性。在板块俯冲过程中,即使温压条件超过了含水矿物的稳定范围,名义上的无水矿物(如石榴石、辉石等)也可以携带大量的水(质量分数至少数百10-6)进入深部地球,构成了壳幔之间水循环的重要途径。