俯冲带地球深部碳循环作用

在地球深部和大气圈之间的碳循环(即深部碳循环)作用对于全球气候的长期和短期变化都具有非常重要的影响.碳可以通过多种方式和途径从地球深部进入大气圈,但从地表返回地球深部的途径主要是板块俯冲作用.由于碳存在形式的多样性和碳酸盐特殊的物理和化学性质,俯冲带中碳及含碳矿物的物理化学行为会显著地影响俯冲带动力学、氧逸度结构以及壳-幔作用过程中其他元素的活化迁移.因此,俯冲带碳循环不仅是调节大气CO_2浓度、影响全球气候变化和维持地球宜居性的重要因素,同时也是影响地幔物理化学性质和不均一性的关键因素.本文从俯冲带碳循环的观察和示踪、俯冲带碳的迁移与变化、俯冲带碳循环通量以及俯冲带碳循环的效应等四个方面对俯冲带碳循环的研究现状和需要深入研究的科学问题进行阐述.     

氧循环与宜居地球

氧是影响地球宜居性的重要因素,其与复杂生命体的形成和演化有着千丝万缕的联系.研究全球氧循环有助于我们了解地球系统的演化过程,剖析地质历史时期地球宜居性的形成,从而帮助我们预估地球系统的未来变化.近几十年来,氧循环的研究在地质学、地球化学、地球生物学、海洋科学和大气科学等领域取得了重大进展,这丰富了我们对地球系统的认识....     

土壤-微生物-植物系统中矿物风化与元素循环

土壤是地球关键带的重要组成部分,土壤-植物系统是连接岩石圈、生物圈、大气圈和水圈的纽带.土壤作为地球上生物多样性最丰富的生境之一,在地球表层生物地球化学过程中担负重要的作用.本文主要从地球生物学的角度来探讨土壤生物在地球表层(风化壳)岩石矿物风化、物质转化与运输中的作用及其相关机制,包括土壤微生物对岩石矿物的风化,以及土壤-根系的相互作用和土壤-微生物-根系相互作用对岩石矿物风化的影响.     

高温高压实验和硅酸盐地幔中的水

硅酸盐地幔中的水是影响地球的气候、宜居性、地球化学演化、地球物理学性质和地球动力学过程等的重要因素之一,也是近20年来国际地球科学研究中的热点和前沿方向.高温高压实验是了解硅酸盐地幔中水的种类、分布、储量和效应等的强有力手段.近年来通过高温高压实验,人们对硅酸盐地幔中水的多种物理、化学和动力学性质及其影响取得了一系列显赫进展,极大地丰富了人们对时间和空间尺度上地球水循环(尤其是深部地球水循环)的认识.本文就硅酸盐地幔中水的研究现状和一些主要认识进行简要评述(偏重于高温高压实验相关的成果),主要包括硅酸盐地幔中水的起源、含量和分布以及水对硅酸盐地幔一些物理-化学性质的影响等方面.     

中元古代增氧事件

富含氧气是地球有别于太阳系其他行星的本质特征之一,也被认为是各种复杂生命诞生并不断演化的关键.长久以来,科学界一直认为,地球表层氧化是幕式的,其中两个关键时期是古元古代早期(2.45～2.10Ga)和新元古代晚期(0.80～0.54Ga)的两次大氧化事件,之间则是长达13亿年的低氧环境.但近年来,国内外多个团队基于中国...     

生物圈·生命圈

地球环境的演变决定了生命的起源与演化过程,而生命过程又影响看地球表层环境以及大气圈、水圈及岩石圈的物质循环生物多样性是地球演化的独特产物,对地球生命维持系统起着极为重要的作用,是人类赖以生存和发展的基础。因此,研究地球与生命的互动,研究生物多样性的起源和发展对人类可持续发展具有重要意义。     

地球表层系统非线性演化模式

本文运用结构、功能和历史相结合的系统方法,研究地球表层系统的环境、演化分期及各演化期的形成,提出一个强调突变在演化中起重大作用的地球表层系统非线性演化模式。     

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     

龙门山构造带深部动力学过程与地表地质过程的耦合关系

发生在地球浅层的2008年汶川地震驱动了龙门山及前陆地区的地表同震垂向位移.根据冲断带-前陆盆地弹性挠曲模型理论,在进行弹性挠曲模拟反演的基础上,结合对深部地球物理特征(泊松比、电性结构)的分析,发现龙门山前陆盆地现今岩石圈有效弹性厚度(T_e)具有自东向西逐渐减薄的趋势,自川中地区的30~40 km减至龙门山地区的10~20 km.在对晚三叠世以来前陆盆地各阶段盆地结构进行刻画的基础上,进行弹性挠曲模拟反演,推断龙门山前陆盆地的前渊地区(四川盆地西部)岩石圈的T_e值自晚三叠世以来具有逐渐减薄的趋势.这可能与松潘一甘孜地块下方广泛存在的软流圈热物质对四川盆地西部岩石圈下部的长期加热而导致的熔融有关,反映了地球深部动力学过程与地球表层盆地演化之间的耦合关系.     

大气漏气与地壳释气及其在构造运动中的意义

一、大气演化的背景 地球大气仅占地球总质量的10~(-6),而地球也仅占太阳总质量的10~(-6)。大气的演化显然从属于地球乃至太阳系的起源和演化。 在行星形成过程中,决定其有无大气,大气质量以及其成份的因子虽然很复杂,但主要因子有元素丰度、行星质量及行星到太阳的距离。     

大陆深俯冲过程中的熔/流体成分与地球化学分异

板块俯冲是地球内部系统最为宏伟的地质过程,是实现地球表面-内部物质和能量交换、大陆地壳生长以及壳/幔相互作用的重要场所,广泛深刻地影响着地壳的增生与消亡、火山和地震活动、地球表层物质循环、矿产资源分布、大陆造山运动、大陆的聚合及裂解等与人类生活息息相关的地质过程,因此一直是固体地球科学研究所关注的热点.20世纪80年代中期关于大陆地壳能够俯冲进入地幔深度并大部分折返地表的发现,是俯冲带研究和板块构造理论的革命性进展.相较于俯冲洋壳,大陆地壳具有较冷、较干、较轻的特点,同时,俯冲陆壳与地幔相比具有更加不均一的性质和化学成分以及同位素组成,因此在局部而言会对上覆大陆岩石圈和大陆板块汇聚边界的结构、组成、变形和演化进程造成巨大影响.在大陆俯冲过程中,拆离的地壳碎块和岩片在俯冲隧道内受到构造剪切,促使其经历变质脱水和部分熔融,产生各种流体和熔体.这些熔/流体的产生和演化在俯冲带壳/幔相互作用过程中扮演着非常重要的角色,是俯冲过程中发生元素迁移、同位素分馏以及交代上覆地幔楔的不可或缺的介质.本文综合国际上近年来有关俯冲带研究的最新进展,总结了有关俯冲带流体和熔体的类型、存在条件、化学组成、熔体/流体-地幔相互作用的特点,同时对于与大陆俯冲带流体相关的特征性元素(Nb-Ta-V)迁移和最新的非传统稳定同位素(Li-Mg)研究进行了系统介绍,期望为中国读者较全面地认识板块俯冲过程中的熔/流体活动和元素迁移以及了解并运用Li和Mg同位素作为新兴的示踪手段提供一定帮助.     

空间电场的原位测量

在地球和行星空间中探测电场有助于我们理解空间中的电场结构和等离子体波动.?通过分析电场测量数据,我们还能反演得出普通能谱仪不能直接测量的磁层中占绝大多数的冷离子.?这些冷离子的来源为地球的电离层,通过极区的双极性电场加速而逃逸.?它们从电离层中的损失是地球大气层和宜居性演化的重要因素.?本文总结空间探测中主要使用的两种...     

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.     

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.     

《全球扭动构造——-地球演化学说》简介

《全球扭动构造———地球演化学说(GlobalWrenchTectonics—TheoryofEarthEvolution)》是挪威古地磁学家K.M. Storetvedt2003年的新作,篇幅 397页,是他 1997年出版的《我们演化中的星球(OurEvolvingPlanet)》一书的续篇。印度的H.C. Sheth在 1998年《全球构造新概念通讯(NewConceptsInGlobalTectonicsNewsletter)》第 7期上,曾对《我们演化中的星球》一书作过较全面的介绍与评述。《全球扭动构造———地球演化学说》一书为了把新的全球框架置于正确认识地球科学的适当位置,在第一章和第二章中阐述了包括魏格纳大陆漂移和板块构造在内的,试图统一全球地质现象内在联系的研究史。第三章快速展示了有关地球起源、内部结构、以及能量转换过程的一些关键性问题。在第四、五章中勾画了新的动力-构造系统原理。最后第六、七章扩展了应用上述理论解释实际地质问题的能力,侧重研讨了阿尔卑斯时期印度洋—南极—东南亚区域的构造发育,以及从太古代到中古生代构造格局的变迁。Storetvedt教授的理论,与由地球地极游移和行星旋转速度幕     

原绿球藻病毒研究进展——从多样性到生物地球化学过程

原绿球藻(Prochlorococcus)是地球上体积最小、丰度最高的光合自养生物.作为贫营养海区及大洋的优势微生物类群,原绿球藻是海洋初级生产力的重要组成部分和碳循环的重要贡献者.病毒对原绿球藻的生长、碳固定、进化、环境适应及生物地球化学意义等方面具有重要的影响.文章综述了原绿球藻病毒研究在研究方法、遗传多样性及其与宿主相互关系方面的研究成果,分析了原绿球藻病毒潜在的生物地球化学作用,并提出了研究展望,为海洋病毒及碳循环研究提供参考.     

地核的热输运性质与地核对流的驱动机制

<正>地球之所以能成为宜居性行星的一个关键因素是其具有已存在约35亿年的全球性磁场（Tarduno et al., 2010）,它保护着地球上的有机生命体免受太阳和宇宙的有害射线。地磁场是由地心液态金属核的带电对流产生（Buffett, 2000）,需要持续的能量予以驱动和维持.一般认为,成分对流（chemical/compositional convection）和热对流（thermal convection）是驱动地核对流的两种主要方式.然而,     

板块俯冲中水分运移过程及其地球物理含义

流体/水分在地球演化过程中具有重要作用,它的存在可以提高地质体的扩散及蠕变,降低岩石/地幔的固液相限,对地质体的地球物理性质、地质灾害诱发、地质构造演化等都有着重要的作用.在板块俯冲区,流体/水分的影响贯穿了整个动力学过程,但板块深部脱水还存在着争议,且目前系统地研究水分在整个俯冲中的迁移过程及其地球物理意义的工作还较少.本次研究以我国东北地区为例,借助于地球动力学数值模拟,利用二维岩石化学-热-力学耦合的数值计算程序,建立西太平洋板块向欧亚大陆岩石圈俯冲的数值模拟模型,模拟了板块俯冲整个连续动力学过程中流体/水分的迁移过程.模拟与分析结果表明,板块俯冲过程中水分的迁移过程可分为三个阶段:洋壳水化、板块浅(中)部脱水、板块深部脱水.进一步揭示了洋壳水化过程中水分渗流通道形成、水分渗流以及板块及地幔物质水化反应的机制;解释了板块浅(中)部脱水过程对火山岛弧、弧后盆地及低速异常带形成的作用,以及对~410 km不连续带的影响;模型演化过程中观察到的板块深部脱水现象说明了存在板块深部脱水的可能性,而且板块深部脱水可以较好地解释部分内陆火山以及部分地区地幔柱(岩浆羽)和深源地震的成因.研究展示了板块俯冲过程中水分运移的地球物理意义.     

基于下一代三向车轮双星编队改善地球重力场空间分辨率研究

由于当前GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)串行式编队存在"南北向条带误差"等缺陷,因此本文基于星间速度插值法开展了利用下一代三向车轮双星编队ACR(Along-Cross-Radial)-Cartwheel提高地球重力场空间分辨率的可行性研究论证.第一,采用GRACE卫星轨道参数和关键载荷精度,利用三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演了120阶地球重力场.结果表明:基于ACR-Cartwheel-A/B双星编队反演地球重力场的模拟精度较德国波茨坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测精度平均提高2.6倍,从而检验了基于下一代三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B反演地球重力场精度优于当前GRACE串行式双星编队的可行性.第二,通过星间速度插值法,采用卫星轨道参数(初始轨道高度350km、平均星间距离100km、初始轨道倾角89°、初始轨道离心率0.0046)、卫星关键载荷精度指标(星间速度10-7 m·s-1、轨道位置10-3 m、轨道速度10-6 m·s-1、非保守力10-11 m·s-2)、观测时间30天和采样间隔10s,基于经向车轮双星编队Lo-AR(Longitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B、纬向车轮双星编队La-AR(Latitudinal-Along-Radial)-Cartwheel-A/B和三向车轮双星编队ACR-Cartwheel-A/B,分别反演了120阶地球重力场;在120阶处,累计大地水准面精度分别为5.115×10-4 m、4.923×10-4 m和3.488×10-4 m.结果表明:(1)由于La-AR-Cartwheel-A/B编队的轨道稳定性优于Lo-AR-Cartwheel-A/B编队,因此基于La-AR-Cartwheel-A/B编队反演重力场精度高于Lo-AR-CartwheelA/B编队;(2)由于ACR-Cartwheel-A/B编队可以同时获得轨向、垂向和径向的重力场信息,卫星观测数据具有各向同性优点,因此ACR-Cartwheel-A/B编队是建立下一代高精度和高空间分辨地球重力场模型的优化选择.     

一种弦频式钻孔应变仪

本文给出3ZX——79型弦频式钻孔应变仪的性能及主要指标.其灵敏度,日稳定度、内符合精度均已达到10-9.从两年多来的连续实测资料表明,所测到的日应变固体潮大潮幅度在4——510-8;小潮幅度在2——310-8.地球表层年应变幅为10-6数量级;震前地壳应变前兆信息在10-7数量级上.从而表明:采用我国自己研制的高精度钻孔应变仪,为地球科学各项主要参数的测量研究、探索地震预报,提供了一种可能.