板块俯冲和岩浆过程中碳循环及深部碳储库

地球内部可能存储了地球上大部分的碳,地球的整个地质演化历史都伴随着碳循环。岩浆过程是重要的CO_2释放途径,引起地表碳的增加。板块俯冲起动之后,俯冲带成为地表碳重返地球内部的基本途径。板块俯冲和岩浆过程构成了地表过程和地球内部之间的碳循环,在地质历史时期影响着地表的碳总量,对于宜居地球环境和一些重要矿产资源的形成具有重大意义。然而,相对地表过程的碳循环而言,国际上对深部碳循环的研究程度和取得的认识远远不足。对于地球深部碳的富集机制、赋存部位,以及碳在地球内部各圈层之间的交换规律,还存在很大争议。本文对与深部碳循环密切相关的深部碳储库、岩浆中的碳组成及其对岩浆成因的影响,以及板块俯冲过程中碳行为进行了总结。结果表明,无论是洋中脊玄武岩或洋岛玄武岩,其源区CO_2组成都存在高度不均一性;与地幔柱有关的深源板内火山岩相对洋中脊具有异常高的CO_2组成,显示深部地幔比上地幔或软流圈更富集碳。地球的地幔转换带(410～660 km)、大陆岩石圈,甚至下地幔可能是重要的碳储库。碳酸岩熔体与岩石圈橄榄岩存在化学不平衡,长期的碳酸岩熔体交代作用可能导致大陆岩石圈是个重要碳储库;地幔转换带的高压还原环境可能使得来自上涌地幔或俯冲板片中的碳以金刚石形式存储。地幔转换带或更深的碳在上涌减压过程中通过氧化还原熔融可以转化为CO_2,对地幔初始熔融和板内火山岩的成因(尤其是碱性火山岩)可能具有至关重要的作用。综合认为,导致地球内部富集碳的地质作用最可能是长期板块俯冲,但是目前国内外对与板块俯冲过程相关的碳行为和碳通量估算还存在很大的不足,未来有必要针对岩浆过程的CO_2活动行为、俯冲板块中碳的转化行为以及脱碳规律重点开展研究。     

北大西洋秋季“三极子”海温结构对冬季大气环流场的影响

利用NCEP再分析资料、Hadley中心的海表面温度(SST)资料等,从北大西洋秋季海表面温度异常(SSTA)变化入手,对其影响后期冬季大气环流场的机制进行了分析。研究结果如下:(1)北大西洋SST异常与大气环流异常之间存在着相互作用;(2)秋季北大西洋SSTA具有较好的持续性,"正负正"海温异常空间分布导致12月巴伦支海上空500hPa位势高度异常偏高;(3)异常环流形势对应的海表面风异常场(SSWA)通过阶段性风-蒸发-SST异常反馈机制(WES机制)利于海温异常分布的持续及对上空异常大气环流的反馈;(4)三极子海温结构中负异常海温自10月份开始有自西向东的移动,风作用下蒸发加大,伴随上升运动自欧洲西部爱尔兰群岛出现自西向东移动的降水正异常区,潜热释放有利于冬季巴伦支海上空的异常高压脊发展。研究表明,北大西洋秋季SSTA通过阶段性海气相互作用机制影响海洋温度分布和大气环流异常,对后期冬季中国东北部的气候变化产生影响。     

九州-帕劳海脊南段的深部结构探测及对板块俯冲起始机制的可能启示

板块俯冲起始机制是板块构造理论发展的关键和新方向,九州-帕劳海脊是研究俯冲带起始机制的典型地区。在回顾板块俯冲起始机制研究历史的基础上,对九州-帕劳海脊及邻区研究现状和存在问题以及对板块俯冲起始机制的指示进行了概述。计划通过在九州-帕劳海脊南段及邻区开展海底地震仪为主的深地震探测,获得研究区高分辨率的岩石圈固体-流体结构,以了解古太平洋板块向西菲律宾海盆俯冲不同阶段的板块深部行为,并在动力学模拟实验及与实际对比的基础上,建立九州-帕劳海脊及邻区从俯冲起始-岛弧裂离-弧后伸展的完整演化历史,揭示板块俯冲起始机制、动力学过程及其控制因素。     

苏拉威西俯冲带结构与俯冲起始机制的三维地震观测

苏拉威西海具有独特的演化过程—位于北婆罗洲及苏禄岛弧下的苏拉威西海板块停止俯冲后,其俯冲板块的另一侧开始向苏拉威西岛俯冲,形成了诸如俯冲转换边缘、对向俯冲系统等独特的地质现象。针对这种同一板块一侧俯冲停止后在板块另一侧发育新俯冲的过程,科学界提出了众多的板块初始俯冲机制模式,如前陆盆地碰撞后发育新俯冲、大陆/岛弧边缘重力失稳后解耦后俯冲、岩石圈浅部小范围的地幔对流活动导致俯冲等14种初始模式。由于难以获得处于俯冲初始阶段俯冲带的深部岩石圈的地震观测资料,造成这些板块活动模式仍止步于推测。苏拉威西海区的天然地震观测资料不仅是研究苏拉威西海俯冲系统岩石圈深部构造及演化的基础,而且也是认识俯冲过程初始机制的关键一环。本文重点介绍了国家自然科学基金委员会重大研究计划"西太平洋地球系统多圈层相互作用"所属重点项目"苏拉威西海与古南海对向俯冲系统的三维地震观测与板块活动机制"在苏拉威西海区针对北苏拉威西海俯冲板片结构所开展的三维地震观测研究。该项研究实验以揭示俯冲系统深部结构与板块活动机制为目标,通过多边国际合作,于2019年8月15—25日在苏拉威西海区成功投放了27台国产宽频带海底地震仪(BBOBS),拟采集10个月的天然地震数据。同时计划利用印尼合作方的陆区地震台站数据,与OBS数据一同开展研究区岩石圈三维结构的地震学研究与数值模拟,认识俯冲下插板片的变形形态与特征、上覆地壳增厚程度及与俯冲系统持续作用过程之间的关系,讨论该地区独特俯冲系统的初始机制。     

大洋岩石圈板块俯冲构造背景下流体的地质作用

地幔中存在着大量的“水”(存在形式:H₂O、H+和(HO)?)已是不争的事实,这些“水”既可以以流体或熔体的形式存在,又可以存在于含水矿物、名义上的无水矿物和致密含水镁硅酸盐中。在本文中,“流体”是指以水为主体包括溶解于水中或随水迁移的元素和化合物。在俯冲带的地震作用、地幔部分熔融、岩浆作用以及海底热液活动等重大地质作用过程中,流体都发挥着重要的作用。俯冲带是水化了的大洋岩石圈板块俯冲进入地球深处的关键部位,也是壳幔相互作用的重要地带。在俯冲带,流体随俯冲的岩石圈板块进入地球深部,部分在挤压和摩擦热的作用下脱逸俯冲的岩石圈板块,连同岩石矿物变质所产生的水进入上覆地幔楔,从而降低上覆地幔物质的熔点,产生岩浆;岩浆上升一方面加热了沿裂隙或物质间隙下渗的海水,另一方面也会因岩浆冷却产生岩浆作用后期热液流体,这些加热的下渗海水和岩浆作用后期流体构成了现代海底热液活动的物质基础;海底热液活动不仅将大量地下元素或物质输入大洋水体从而影响了大洋海水的物质组成及生态环境,而且在海底形成了具有重要经济价值的热液多金属矿体。因此,流体是贯穿板块俯冲及其所产生的各种重要地质作用过程的介质,从而成为研究这些重要地质作用的示踪剂。本文在分析了大洋岩石圈板块俯冲构造背景下流体的主要地质作用过程的基础上,探讨了流体在俯冲带地震发生机制、岩浆作用过程、现代海底热液活动模式及俯冲带流体成矿作用等方面的作用,并进一步提出近期研究工作应主要集中在4个方面:(1)进一步准确地定量评估通过板块俯冲作用进入地球深部的“流体”通量,为最终解决全球地球化学或物质循环问题作出贡献;(2)全面、准确地描述俯冲作用中流体的物理和化学行为,建立俯冲带流体地质作用的理论模型;(3)充分利用现代化的测试分析手段,重点获取矿物原位微区分析、矿物流体包裹体物理化学指标测试、稳定和放射性同位素分析等方面的精细准确数据,用于查明当前取样观测手段无法触及的地下深处物质状态和作用过程;(4)发展数值模拟技术,建立俯冲带流体地质作用的理论模型。     

卡罗琳海板块实验:初始俯冲、初始扩张与流固耦合

西太平洋具有全球最活跃的板块构造与海陆相互作用过程,西太平洋的卡罗琳(Caroline)海盆形成于特提斯海与太平洋之间,处于印尼海道的咽喉区域,海盆范围正好对应了西太平洋暖池的大部分海域。其内部地形复杂,具有特征的隆起和残留洋中脊,而周围具有年轻活跃的俯冲带和洋中脊,并且与菲律宾海、太平洋、Ontong-Java大火成岩省、众多深海沟等相互作用,是研究俯冲带和洋中脊初始形成机理与动力学以及固体地球与海水相互作用的理想场所。过去对Caroline海盆的研究主要是美国和日本科学家在20世纪70—80年代完成的,在很多构造单元的成因和属性的解释上存在很大争议,很少涉及多圈层相互作用方面的研究。国家自然科学基金委重大研究计划"西太平洋地球系统多圈层相互作用"的实施推动了西太平洋基础海洋科学研究的步伐,通过综合地球物理和地球化学分析,对Caroline海盆的构造边界过程和海盆岩石圈蛇纹岩化程度等开展详细研究,探索深部过程与海底过程之间,特别是在水和热流通量方面的联系。Caroline海盆是提出典型海洋微板块演化模式和未来进一步深入研究(包括科学大洋钻探)的关键区域,其复杂多样的边界发育初始俯冲边界、初始扩张边界以及火山链和张裂中心,其板内地质构造也曾存在复杂的海底扩张和构造转换,并且显示强烈的板块边界和板内构造耦合过程。     

2003年北极科考期间一次极涡个例天气学分析

2003年9月3日到14日,"雪龙"号考察船进入北冰洋楚科奇海观测期间,正值一次典型的北极极涡环流过程形成和发展。以往研究大多集中于极涡的平均水平环流特征和季节变化,该例为我们研究它的瞬时环流形势和特征提供了条件。利用NCEP全球分析资料及第二次北极科考资料对这次个例进行天气学分析,通过描述极涡个例的发展情况,平流层、对流层的环流特征以及二者之间的关系,并分析卫星遥感图像及"雪龙"号考察船的气象资料,分析结果发现:2003年中国第二次北极科考期间经历的极涡形成和发展,典型地表现出极地冬夏环流型的转换过程。首先在平流层发生,然后向对流层传播,该个例是一次在平流层西退加强,在对流层东移南下的过程。     

菲律宾海构造地貌特征

菲律宾海地处西太平洋边缘,位于两大俯冲带之间,四周被深海沟所环绕,陆源物质较少汇入,海底保存了较为原始的构造地貌特征。通过收集的精细水深测量数据,结合已有研究成果,以板块构造为基础对该区域划分四级构造单元,并对主要构造地貌进行系统研究。研究结果表明,菲律宾海地貌的形成、分布受构造活动控制,西菲律宾海盆因以中央裂谷带为中心的海底扩张形成了一系列NW—SE向的大型构造地貌;其东侧因太平洋板块的俯冲形成了近南北走向的"沟-弧-盆"体系。西菲律宾海盆中央裂谷带线状海岭、海山,海盆内不断转向的海岭,帕里西维拉海盆雁形裂谷等特殊地貌形态的存在,都与其形成过程中的特殊性有关,能与其复杂发育史相印证。     

俯冲带水圈-岩石圈相互作用研究进展与启示

俯冲带系统是研究地球水圈-岩石圈相互作用的天然实验室。俯冲板片所携带的水进入俯冲带系统,显著影响俯冲板片上地幔蛇纹石化程度、岛弧岩浆活动以及俯冲带地震机制等构造动力学过程。沿着环太平洋俯冲带,由主动源地震探测得到的板片含水量结果可以很好地解释区域相关地震观测,同时由被动源地震探测到的上地幔低速异常区域都与俯冲板片断层发育区相一致。多道反射地震探测与数值模拟都揭示了俯冲板块正断层广泛存在,可穿透莫霍面,深度可达海底下至少20 km。俯冲板块正断层为流体进入地壳与上地幔提供了重要通道,导致上地幔蛇纹石化程度达到1.4%,甚至更高。在洋壳俯冲过程中,随着温压增加,在不同深度脱水形成不同性质流体与地幔反应。通过俯冲带流体包裹体和交代成因矿物等的研究发现水岩相互作用广泛存在。本文旨在回顾俯冲板片含水量探测及水岩相互作用研究,简述近年来取得的重要进展以及对将来相关研究的启示。     

使命莫霍:大洋岩石圈的形成与演化

大洋岩石圈的形成与演化主要是地球化学变异和物理变化的过程,板块构造每100～200 Ma可以完全更新大洋盆地.而岩石圈则是地球的地幔到地壳、地壳到海洋与大气的物质和能量传递与转换形成的产物,独立的阳光与演变的洋壳提供了生命在独特的海底和次海底的类似地球早期生态系统的生长环境.洋壳的形成到重新俯冲到地幔,始终伴随着海水的相互作用,海水与其他物质最终经循环又重新进入了地幔.     

“南海深海过程演变”重大研究计划2011年度学术研讨会暨研究计划启动会议将在同济大学举行

<正>深海过程是当今海洋研究的前沿和地球系统科学的突破口。南海是西太平洋、也是全球低纬区最大的边缘海,将其现代深海过程与地质演变相结合,就有可能通过"解剖一个麻雀",揭示边缘海的演变规律及其对海底资源和宏观环境的影响。为     

西太平洋侏罗纪海洋地壳断裂特征及其成因机制*

侏罗纪洋壳为现存最古老的海洋地壳, 残留在地球表面上很少, 目前对于侏罗纪洋壳的断裂特征和构造变形了解很少。本文利用高分辨率的反射地震剖面精细解释了位于西太平洋的侏罗纪洋壳基底、沉积地层和断裂结构, 发现在研究区存在基底断层、沉积断层和垮塌断层三种类型的断裂构造, 并对其走向、倾角、断距等几何参数与变形特征进行了推测和定量研究。研究还发现, 基底断层是洋壳受到板块伸展拉张而产生的, 在后期海底沉积过程中持续发育并错断上覆沉积物, 在海底形成明显的断层陡坎。沉积断层是沉积地层自身重力作用的产物,受到沉积地层岩石性质的控制。垮塌断层是岩浆侵出或者侵入形成海山, 导致洋壳及其上覆沉积局部抬升并向两侧推移, 引起先存的基底断层和沉积断层重新错动产生的。研究区内切断洋壳基底和上覆沉积的活动断层的推测走向大体符合侏罗纪洋壳基底面起伏、重力异常骤变界面以及地磁异常条带等的走向, 表明这些断裂从侏罗纪洋中脊的海底扩张中演变而来, 并且持续活动至今。这些发育在古老洋壳上的断层能够长时间让水进入岩石圈并进入俯冲带及地球内部, 从而促进地球水循环。尽管目前尚未发现这些断裂产生大地震, 但这些断层可能随着板块俯冲而演变成俯冲带地震大断裂, 今后研究应该关注这类断层在靠近海沟之前的演化规律和潜在地震风险。     

新几内亚-所罗门弧俯冲体系动力过程:板块起始俯冲的制约

新几内亚-所罗门弧(PN-SL)位于印度-澳大利亚板块与太平洋板块汇聚边界、新特提斯构造域东端。晚白垩世以来,逐渐演化形成复杂的沟-弧-盆-台、俯冲时序完整的俯冲构造体系。受多期次、多类型板块俯冲起始作用的制约,PN-SL俯冲体系深部结构呈现出明显的空间差异性:板块俯冲深度由500 km减小至不足100 km,板块俯冲角度则由70°减小至30°。俯冲体系东侧毗邻的翁通爪哇海台作为世界上最大的海台,其显著的"凸起"构造以及低密度结构,重新塑造了PN-SL俯冲体系的构造格局,但不同于低密度结构俯冲诱发海沟位置后移、俯冲极性反转二元经典模式,弧后所罗门海盆发生反向俯冲的同时,中新世以来呈现出NW向、NE向和SW向的多向俯冲过程。这意味着翁通爪哇海台与PN-SL俯冲体系汇聚形变过程并非仅依据板块密度变化来简单解释,需要考虑其复杂的构造环境和诸多的构造要素。特别是作为岩石圈强度的重要影响因子—俯冲体系流体活动,导致岩石圈强度减弱、熔点降低的同时,伴随板块俯冲向地球深部运移,促使板片脱水并与地幔楔发生水化交代作用,进而改变壳幔物质组成及流变学性质,诱发地幔楔部分熔融和岛弧岩浆活动,是理解板块俯冲构造动力的关键切入点。     

浅谈“蓝色文明”的发展历程

海洋覆盖地球表面的 70.8%,海水的平均深度为3 870 m.如果把地球表面削高填低使其变成一个光滑的椭球面,整个地表会被2 500 m深的海水所覆盖.人们生活的地球表面就是一个完整的"水圈".所以从太空俯瞰地球是一个蔚蓝色的"水球".     

全球气候视野中的南极洲

地球上之所以有适合生物和人类生活的气候,极地系统功不可没。极地系统是地球整体系统的一部分,它直接影响全球大气环流、大洋环流和气候变异,因而它成为全球气候变化的响应器和驱动器之一。也就是说,在人类活动对极地产生影响的同时,极地也反作用于人类。     

西太平洋若干沟-弧-盆体系及板内岩浆成因研究进展

板块俯冲和板内岩浆作用都是导致地表和地球内部物质大规模循环的重要地质过程。但是,两个地质过程的岩浆成因机制,以及成因上的内在联系都存在很大争议。西太平洋是全球沟-弧-盆体系最发育的地区,也是全球板内火山作用(海山和洋底高原)分布最集中的场所。为阐明西太平洋海盆的上地幔软流圈性质、岛弧岩浆形成的控制机制、以及板块内部火山作用(碱性火山岩)的成因机制,在中国科学院战略性先导科技专项(A类)"热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响"项目的资助下,本文对西太平洋马里亚纳-雅浦俯冲系统、汤加-科玛迪克俯冲带及其俯冲前缘海盆的成因机制、南中国海扩张期海盆玄武岩和板内火山作用、西太平洋海盆上地幔的Dupal异常分布和成因机制等展开了系统的岩石学和地球化学研究,并取得了新的科学认识和成果。主要认识包括:(1)雅浦岛弧主要由变质岩-角闪岩组成,其形成于3—6Kbar温压条件下,代表岛弧下部来自帕里西维拉海盆的变质基底;(2)加洛林洋脊主要由玄武岩组成,其不是一个岛弧,而可能是一个地幔柱形成的洋底高原;(3)汤加-科玛迪克岛弧岩浆组成体现了西南太平洋俯冲板片俯冲速率的直接影响;(4)厘定了汤加-科玛迪克俯冲前缘板块的年龄(103.7Ma),并认识到其代表古太平洋扩张中心并消耗了Ontong Java超级地幔柱的组分;(5)首次在南海发现了碳酸盐化的硅酸岩岩浆向碱性玄武岩转化的现象,提出了板内碱性玄武岩成因的新链条;(6)西太平洋海盆的地幔广泛存在Dupal异常,该异常从西太平洋岛弧俯冲带一直延伸至南海海盆,其中南海海盆的Dupal异常主要受到大陆裂解和海南地幔柱作用的双重影响。通过以上认识,进一步揭示了西太平洋沟-弧-盆体系和板内岩浆体系作用机制,以及俯冲板片物质与板内火山活动之间的成因关联,这对于深刻理解板块构造导致的地球内外物质循环规律有一定的推动作用。     

第二届“全球季风研讨会”将在同济大学召开

<正>人类对季风的研究可追溯到350年以前,但"全球季风"这一概念的提出却是最近几年的事情。由于遥感等新技术的应用,气候学家注意到了全球尺度上大气翻转和降雨的季节性差异,发现地表不同部分的季风活动与这一过程密切相关。在短短的几年里,"全球季风"作为地球系统的一个子系统受到了气候学家的广     

双重极球面投影的极区投影误差分析

针对现有研究中未充分考虑地球扁率对极区极球面投影误差影响的问题,研究了双重极球面投影下极区投影误差与各重基准纬度的关系,以更加系统准确地反映极球面投影误差的极区分布规律和总体水平。结果表明:双重极球面投影能与极区地球椭球面更好地吻合、有效控制投影误差,可以满足高精度极区航海图编制及其导航应用需要。     

全球海洋生态系统动态研究计划正在发展

人类赖以生存的地球环境正在以前所未有的速度发生变化。在今后的年代里,人类活动的影响幅度将大于自然界的影响幅度。因此,80年代以来,研究全球变化成为国际科学活动的重要内容之一,产生了许多与海洋科学有关的大型国际合作研究计划,如国际地圈-生物圈计划(IGBP)、热带海洋与全球大气计划(TOGA)、全球海洋环流实验(WOCE)、全球海洋通量联合研究(JGOFS)、海洋科学与生物资源(OSLR)和全球海洋观察系统(GOOS)等。在这些计划的发展过程中,科学家们发现海洋物理过程与生物资源变化相互关系研究方面出     

西太平洋—北印度洋及其洋陆过渡带:古今演变与论争

西太平洋-北印度洋及其洋陆过渡带是国家发展战略"一带一路"的海洋丝绸之路核心区,从地球科学的视野,科学地深度思考认知"一带一路"相关的地学基本问题,尤其相关两洋及其洋陆过渡带的地质与海洋的科学基本问题及其自然生态环境、灾害、资源能源状态、潜力、发展趋势,是当前地球科学界服务于国家重大需求的重要任务。因此,本文主要就西太平洋和北印度洋及其洋陆过渡带的相关固体海底科学的几个重要问题进行讨论:1、现代有关两洋突出的大洋地质问题。从两洋及其洋陆过渡带研究现状与发展需求思考,主要包括,(1)两洋及其中板块的起源、起始与生消演化问题,主要有,(1)初始三角型太平洋域板块起源、过程,包含Galapagos和西Shatsky等微板块差异成因等;(2)古今太平洋域的诸板块对东亚大陆作用时空演化过程和现今状态与趋势;(3)印度洋起始、演化与超大陆裂聚问题。(2)洋中脊研究最新进展与问题:(1)洋中脊-热点相互作用和洋中脊增生方式问题,如何思考洋中脊0 Ma处的千万年垂向增生行为与百万年侧向扩张关系问题;(2)弧后盆地扩张与正常大洋洋中脊的成因机制差异;(3)印度洋超慢速和太平洋快速扩张与差异扩张的根本动因,是否有主动与被动扩张之分,及其关于洋中脊推力问题等;(4)洋中脊跃迁死亡:洋内板块重建、洋中脊终止活动和空间跃迁的原因;(5)洋中脊-地幔柱相互作用。(3)洋内俯冲和洋内构造问题:(1)洋内俯冲带起因与洋内弧、洋中脊俯冲与陆缘板片窗、转换断层与转换型大陆边缘;(2)大火成岩省与海山链、洋底高原等。(4)印度洋海洋核杂岩与洋壳流变学问题等。(5)大洋板块驱动力问题研究进展,包括地幔对流、负浮力、海沟吸引力、洋中脊推力等新的评述讨论。2、两洋的洋陆过渡带问题。包含:(1)陆缘基底属性:冲绳海槽、鄂霍茨克海、新西兰东侧海底地壳是陆壳还是洋壳及洋内微小陆块的成因和来源;(2)洋陆过渡带的洋陆交接转换与耦合过程如何:西太平洋海山链记录的洋内重大转折事件与大陆边缘重大事件对比、洋陆转换带与地幔剥露、弧后盆地转换断层成因、转换型陆缘的形成与消减等问题。(3)西太平洋与东亚大陆的洋陆过渡带有无巨大平移转换断裂作用,其时空、规模如何,意义何在。(4)两洋交接转换与洋陆过渡带深浅部关联,即欧亚、太平洋和印度-澳大利亚三大板块汇聚,及其从深层地幔、岩石圈到地壳与地表系统效应问题,及在此背景下两洋的洋陆过渡带相关问题。3、古今太平洋板块与特提斯带、欧亚大陆板块、印度洋域板块关系,尤其现今它们的关系及其发展动态趋势。最后对"两洋一带"有关海洋地质、洋陆过渡带与深部地质作了瞻望。