揭秘地质历史时期最大碳同位素负偏事件的本质

<正>碳循环通过大气-海洋的酸碱及氧化还原过程对地球表层化学环境起着关键控制作用,是地球表层环境演化的“发动机”.因而,弄清地球碳循环演化对于理解地球宜居性演化至关重要.作为地球宜居性演化过程中由前寒武纪向显生宙-现代地球系统转变的关键期,埃迪卡拉纪(635～539Ma)在全球范围内发生了地质历史上最大的一次沉积碳酸盐碳同位素组成(δ¹³C_carb)的负偏事件,     

湖泊流域生态系统演化对人类世研究的重要意义

人类世可能成为一个全新的地质时期,以描述人类活动对地球环境造成极为深远的影响,目前已被广泛讨论。湖泊及流域生态系统作为与人类社会最密切的地球单元之一,受到人类活动显著影响,相关研究成果能为理解人类世做出贡献。本文从湖泊流域生态系统和人类世本身特征为切入点,讨论了湖泊及流域生态系统演化对人类世研究的重要意义。我们认为,湖泊具有相对独立的整体,清晰的内部作用关系、完备的理论支持和时空数据支撑,能够为人类世地球各圈层交互作用提供研究框架。湖泊流域生态系统演化的稳态转换与地球环境进入新的地质时期具有诸多相似之处,相关研究成果能够更好地界定人类世开始时间、总体特征以及演变过程和机制。本文指出人类世湖泊及流域生态系统演化研究依然面临诸多挑战,并提出了对未来相关研究的展望。     

人类圈与地球系统

作为最新地球圈层的人类圈和地球系统是现代地球科学中两个重要的基本概念。正确而深刻地认识这两个概念对全球环境变化和持续发展等问题的研究具有重要的意义。目前对它们及其相互关系尚缺乏统一的认识。本文主要讨论：（１）对地球系统的三种理解；（２）人类圈与人类活动、生物圈和智慧圈等的基本区别；（３）人类圈与地球系统的关系，并主张人类圈是现代地球系统中五个地球圈层之一。     

地磁倒转与生物灭绝因果关系研究五十年

地磁场源于地球内部的地核发电机,经由近3000 km厚的地幔和地壳到达地面,穿过生物圈、大气层和电离层后延展至太空形成磁层.地磁场对生物圈有双重保护作用:阻挡了高能粒子向内入侵,也避免了氧和水等挥发性物质向外逃逸.尽管地磁场在几十亿年的时间里帮助维持了地球的宜居性,人们仍认为地磁倒转所导致的保护作用削弱会给生物圈带来深刻的负面影响,甚至是生物灭绝.本文梳理地磁倒转与生物灭绝因果关系研究的五十年发展历程,结合历史背景评介早期"一对一"假说的得与失,并着重阐述空间环境变化在最新提出的"多对一"假说中的重要作用.这些研究成果已经清晰地说明,从地核到磁层的地球各圈层是一个耦合的复杂系统,地球演化中的重大事件应当从地球系统科学的角度来看待,并借助比较行星学来研究和理解.     

专题：地球生物学前沿

地球生物学（geobiology）研究地圈．生物圈耦合系统,即生物圈与地球其他圈层如大气圈、水圈和岩石圈的相互作用机制及其过程．地球生物学、地球化学和地球物理学分别构成了研究地球系统的生物过程、化学过程和物理过程的学科体系．地球生物学的核心是生命与地球环境的相互作用与协同演化．我们过去讲地球与生命的关系,主要强调的是地球环境影响生命,生命适应地球环境,这是一个单向作用的关系．但地球与生命之间应为相互作用的关系,而且是协同演化的．生命演化能否影响地球环境演变,生物过程能否影响地球环境,这是一个重大科学问题．地球生物学对此作出了肯定的回答．生命与地球的协同演化这一概念符合地球系统科学的总体观,也符合人与自然协调发展的科学发展观．     

编者按

正地球生物学(geobiology)研究地圈-生物圈耦合系统,即生物圈与地球其他圈层如大气圈、水圈和岩石圈的相互作用机制及其过程.地球生物学、地球化学和地球物理学分别构成了研究地球系统的生物过程、化学过程和物理过程的学科体系.地球生物学的核心是生命与地球环境的相互作用与协同演化.我们过去讲地球与生命的关系,主要强调的是地球环境影响生命,生命适应地球环境,这是一个单向作用的关系.但地球与生命之间应为相互作用的关系,而且是协同演化的.生命演化能否影响地球环境演变,生物过程能否影响地球环     

地球生物学前沿:进展与问题

地球生物学是地球科学与生命科学的交叉学科,其核心任务是探讨生物与环境的相互作用和协同演化.在分析国际地球生物学的研究进展、中国科学院学部地球生物学前沿论坛成果以及本专辑代表性论文的基础上,本文简要评述了重大地质突变期的地球生物学、地质微生物与全球环境变化以及极端环境地球生物学这三大主题的主要研究进展和存在的科学问题.在重大地质突变期的地球生物学方面,人们已经认识到生命的起源、辐射、灭绝和复苏等重大生命事件的发生与地球深部过程以及受其影响的海-陆-气环境过程密切相关;但对于地质历史时期生物与环境是如何协同演化的,其具体的机制和动力学过程是什么,还知之甚少.在地质微生物与全球环境变化方面,各类地质微生物功能群不仅灵敏地响应地质环境的变化,而且通过元素循环和矿物转变对地质环境产生重要影响;但人们对不同地质微生物功能群是如何通过协同作用而改变地质环境的,还了解得很少.在极端环境地球生物学方面,人们从深海、冰川冻土、地下水、洞穴和热泉等极端环境中发现和分离出一些重要的微生物,并开展了许多生物学的研究;但真正能上升到极端环境地球生物学的研究很少,极端环境微生物的地球化学功能还远未查明.地球生物学将大大拓展生物过程研究的时空范畴,在资源领域和全球变化领域有广阔的应用前景.地球生物学需要多学科的协同研究,包括加强地质微生物的研究,加强生物地球化学循环的数据库建设和定量化模型研究,加强各类典型地质环境条件的研究,加强生物过程与物理化学过程的耦合研究.     

谈地质科普中对地球的认识

地球,人类赖以生存的家园,是地质学的研究对象。人类不断认识、探索、改造地球。地质科普,先从认识地球开始。本文以较通俗易懂的语言,带领读者认识熟悉而又陌生的地球。文章从地球的诞生说起,介绍了地球多灾多难而又顽强成长的童年,地球的形状,内部圈层和外部圈层结构等。地球同世界上任何有生命的物体一样,也有生老病死,有始有终。46亿岁的地球虽然还处于青壮年期,但保护地球是人类永恒的使命。     

北极地区的地震活动、结构和构造

"北极"地区,即北极点位于北冰洋的中心。一直以来,北极地区影响着地球从地质时期到现在的环境变化。然而,该地区的地震活动并未得到足够的监测。因此,通过对地震现象进行长期监测并将其作为可持续参数,我们可以更深入地理解地球的构造演化和地球表层的低温层与岩石层之间的动态相互作用。本文研究了北极地区地震活动与结构的联系,特别着眼于欧亚大陆及其周围海洋,以及其与地球历史时期地区演化的关系。目标区涵盖了北极欧亚区有代表性的构造区,例如西伯利亚的广袤地区、贝加尔裂谷带、俄罗斯远东地区、北冰洋,以及格陵兰和加拿大北部。基于对地震活动特征等的讨论,本文总结了北极地球表面的地壳和上地幔的非均匀结构、大地构造史和最近的动力学特征。     

地球系统科学

地球系统科学（earth system scierce）是从整体论的观点出发,研究地球这个大系统内具有有机联系的子系统,即各圈层内部以及图层之间的相互作用和运动变化的全过程、形成机制以及可能发生的发展变化趋势。     

20世纪地球科学的发展

20世纪地球科学经历了大陆漂移、海底扩张和岩石层板块大地构造的发展过程 ,通过研究的深化和认识的更新 ,使得许多孤立的地质现象进一步得到规律性的认识 .岩石层板块大地构造理论的基本内涵是活动论 ,查清地球的形成和演化历史 ,才能更深刻地认识它     

基于月球动力学演化的地质年代划分

月球地质年代表将月球的地层按形成的时间顺序划分为不同的时代,能够清晰地表达月球的整体演化历史.在地基望远镜观测和阿波罗时代早期,由于当时所用数据的空间覆盖度和分辨率有限,所建立的月球地质年代划分存在部分缺陷.在阿波罗时代结束以来的几十年里,人类对月球进行了更广泛的研究,拓展了对全月地质演化的认识和理解.基于对月球动力学演化的综合性分析,本文对当前的月球地质年代表进行了更新,特别考虑了内动力地质作用和外动力地质作用在月球早期演化中所发挥的作用.首先,根据内动力和外动力在不同时期对月球改造的效应,提出了三阶段月球动力学演化模型,并建立了三个相应的“宙/宇”级别的年代及地层单元.其次,为了更清晰地反映月球的演化历史,以南极-艾肯(SPA)盆地的形成为界线将前酒海纪划分为了岩浆洋纪和艾肯纪,其中较年轻的艾肯纪是以SPA盆地的形成为起点.本文识别了SPA盆地的溅射物地层,即达斯建造,其沉积在月球的原始月壳上,是岩浆洋结束后保存下来的最古老的外动力成因地层.更新的月球地质年代表系统综合了阿波罗时期以来月球探测和研究的成果,构建了一个描述月球演化历史的系统框架,能够更方便地开展月球地质研究,对其他类...     

金星:认识早期地球的窗口

无论在行星大小、质量还是轨道速度等方面,金星都是太阳系中与地球最相似的行星.自1960年代初期开始,金星一直是人类深空探测的重要目标.本文简要地回顾了人类探索金星的历史,总结了对金星已有的认识,梳理了金星的主要科学问题,最后介绍了未来的国际探测计划,并建议了我国的金星探测目标.早期对金星的探测以苏联的金星计划(Венера)和美国的水手系列(Mariner)为代表,后期的探测器以欧盟、日本等国家的“金星快车(Venus Express)”、“拂晓号(Akatsuki)”为代表.这些探测结果为我们认识金星大气成分、地表地形和内部结构提供了重要的数据.金星的大气组成以CO₂为主,含少量N2,与现在地球的大气组成显著不同,类似早期地球的大气组成.虽然金星地表目前没有液态水,但部分理论模拟工作表明金星地表可能曾经有液态水.一系列探测器对金星地表成分的分析表明,金星地表主要由玄武岩组成.在地形地貌方面,由于金星特殊的地表环境,金星表面风化作用对地表地貌影响很小.金星的地表主要受控于比较年轻的火山作用,发育了许多不同于地球的地貌特征,主要包括区域平原、盾状火山平原、冕状地形以及瓦片状地形等,其动力学机制可能是地幔柱—岩石圈相互作用或地幔对流,至今未发现与板块构造相关的地貌.现阶段金星没有太多大型的、活跃的火山热点,虽然无法估测准确的火山活动速率,但相比地球来说火山活动速率小很多.在内部结构方面,金星具有与地球类似的核幔壳结构.金星的内部组成也与地球类似,例如金星地幔很可能是与地球相似的橄榄岩成分.不存在内部磁场和缺乏板块构造是金星区别于地球的两个重要特征.关于金星为什么没有自身磁场,主流观点是金星地核缺乏对流,无法演化出磁场.而针对金星为什么没有演化出板块构造,目前认为主要有三个可能的原因:地表温度过高,没有软流圈,金星缺乏液态水,其中液态水的缺乏接受度最广.从大气组成、地表岩石组合、构造作用等角度来看,金星都与早期地球非常相似,是我们理解类地行星演化的天然实验室.研究金星和地球为什么会朝不同方向演化,是深入理解包括系外行星在内的行星的宜居性形成与演变的重要途径。因此,金星一直是优先级别最高的深空探测目标之一.近几年,美国、俄罗斯以及欧洲等国家和地区分别针对金星目前主要的科学问题,例如金星是否存在早期海洋、金星的宜居性以及结构和重力场等,先后提出各自的金星探测计划.我国在新的国际竞争中应该、也必然有所作为.     

美国国家科学基金地球科学领域的研究新机遇

引言地球有一套复杂的动力地质系统,它控制着这个星球及整个人类所经历的过去的演化、现在的状态和未来的状况。由于地球科学在过去两个世纪已变得成熟,发展中的各分支学科可以稳步完善地解答构造、作用和历史等各方面的具体问题,各个动力地质系统的多学科特性受到越来越多的关注。持续的理论和技术改进使得地球科学的所有分支学科有能力解释地球变化的地质记录,并可观测今天的地球从地表到内核正在发生的作用,更逼真地模拟复杂的动力作用,所有这些工作都还需要继续进行。但是本次报告所     

差异抬升:青藏高原新生代古高度变化历史

青藏高原地表抬升历史是新生代以来众多地质事件和气候环境事件的边界条件.高原古高度变化历史将地球深部动力学、地表过程和气候变化等不同圈层的相互作用有机地联系在一起.各种古高度计的发展和在青藏高原的广泛应用推动了对高原隆升历史的进一步认识:早始新世时青藏高原主体由南部的冈底斯山(~4500m)和北部的羌塘中央山脉(~5000m)及夹于其间的低海拔盆地(~2500m)组成,而南部的喜马拉雅山仍处于接近海平面的位置,北部的可可西里盆地海拔高度也不超过1500m.具有"世界屋脊"之称的青藏高原直到中新世以后才基本形成.尽管如此,青藏高原各块体的隆升历史仍然不清,进而制约对整个青藏高原抬升历史的重建.只有尽可能运用不同的古高度计对同一地区进行研究,获得更多的不同地区精确的古高度历史,才能从整体上认识青藏高原的抬升和扩展的形式和过程.     

构造微生物学:地球生物学研究的新理念

地球微生物学是地球生物学的核心分支,主要研究微生物与环境之间的相互作用.其中,一个非常重要的科学问题是在现代板块运动的理论框架下,微生物在驱动生物地球化学循环过程中如何与地球构造活动紧密相关.构造微生物学概念的提出就是要聚焦微生物活动与构造活动过程的协同研究.这样的视角能进一步加强固体地球科学家与微生物科学家之间的交流,使得双方可以更加有效地探索和理解构造和微观尺度上的地球系统的演化与发展.     

地球系统中的天然气水合物-天然气体系研究展望

虽然目前国外已有很多学者研究了天然气水合物及其分解产生的气体在地球系统各圈层中的循环转化过程,但国内基本上还没有开展相关方面的研究,况且其中的很多问题尚不清楚.本文的目的是通过分析国内外相关的研究进展,提出天然气水合物-天然气体系这个概念,并归纳总结天然气水合物-天然气体系在地球系统各圈层中的循环转化问题,希望能为研究天然气水合物在全球碳循环和气候变化中的作用提供一定的参考.通过分析发现,天然气水合物-天然气体系在地球系统各圈层中的循环转化过程是非常复杂的,而各个圈层对于天然气水合物-天然气体系在地球系统中的循环转化过程都十分重要,这个体系可能是影响全球碳循环和气候变化的一个重要组成部分.     

原始地壳成分的初步探讨

原始地壳物质组成的研究一直是地球化学家所关注和重视的领域.然而,由于地球缺失了最初7亿年左右的地壳,这一地质记录的中断大大加难了人们对原始地壳成分的研究,从而亦影响人们研究壳幔演化的历史.根据球粒陨石形成环境、氧同位素值、FeO/(FeO+Mgo)比值以及地球核幔质量比和地     

地震层析成像板块构造及地幔演化动力学

地震层析成像技术的飞速发展给人类提供了一个探测地球内部结构的强有力的工具，也给人类展示了一片新的天地，使人类更加清晰地在两个层次之上（地球的层圈构造和内部横向不均匀性）了解地球内部，特别是对幔内部非均匀结构，从全球和区域的尺度上揭示出地球内部特别是地壳和上地幔横向不均匀结构。呈现出全新的地球，特别是地幔结构的三维图像框架，很容易理解，这一基本框架正是地幔演化热动力学过程的现代表现，如此，我们可以利用该框架去追溯、探讨全球构造特别是地幔构造演化的历史，从而深化对于我们这个星球演化过程的理解。     

板块构造与地幔温度和变质属性之间的关系

板块构造的启动时间及其在地球历史时期的演化过程,是地球科学的两大基本挑战.通过一个整体研究方法来分析地球历史时期的构造范式,可以解释自太古宙以来两种范式的板块构造.在这些解释中,早期的热俯冲与晚期的冷俯冲之间存在不同的变形和变质特征.汇聚板块边缘不同特征的区域变质作用记录了这两种不同范式的板块构造,这与太古宙和显生宙地幔温度的差异有关.以蓝片岩相变质作用出现为特征的现代范式板块构造出现在新元古代.这与表明古代范式的板块构造在太古宙早期已经启动的地质证据相吻合.地幔在地球演化史上的不断冷却可解释幔源熔体地球化学特征随时间的演化规律,而这个过程可能让无数小的板片数量逐渐减少并演变成更大的板片,改变洋壳、增生-碰撞造山带中岩石圈的厚度和保留程度,从而导致地球表面氧化作用,为孕育生命提供合适环境.