生物地球物理:地球物理方法在研究生物地球化学过程中的应用和发展

微生物广泛参与了其所处地质环境的物理和化学性质改造过程.监控微生物与地质介质之间相互作用的过程并了解其机制对近地面环境工程中土壤及地下水污染整治等实际应用有着至关重要的作用.地球物理勘测成像技术不仅能够在传统应用中测量和表征地表以下的物理特性变化,大量直接有效的证据表明这些方法还可以捕获孔隙介质中的生物地球化学变化的动态过程,包括监测微生物、微生物活动以及它们与矿物之间的相互作用.生物地球物理(Biogeophysics)作为勘探地球物理的一个新兴分支学科,包含了微生物学、生物地球科学以及地球物理勘测等多个学科,侧重于研究微生物与地质介质相互作用对地球物理场的影响.过去十几年在生物地球物理领域的研究充分表明和验证了地球物理勘测方法的独特优点(最小化侵入、时空连续及跨尺度运用),并为将传统勘测方法用于探索跨时间空间各尺度的地下生物地球化学动态过程提供了理论及实验依据.本篇综述将系统介绍生物地球物理学科的理论背景、发展和研究前沿.首先讨论微生物及其活动引起的孔隙介质中物理化学性质的变化.其次,将侧重于探讨微生物活动对包括地电法、电磁法、探地雷达以及地震法等不同地球物理场的响应.最后将讨论生物地球物理领域的机遇、挑战和潜在应用.     

地球自转速率变化及其与地球物理现象关系研究的进展

作为地球的基本运动形式之一的地球自转变化表征着地球的整体运动状态和地球系统各圈层之间的相互作用过程,其变化形式非常复杂．研究表明,地球自转速率的变化与众多地球物理现象有密切联系,与地震活动、EN-SO事件等重大自然灾害存在一定的相关性．因此,对地球自转速率变化及其与地球物理现象之间关系的研究长期以来就受到天文学家、地球科学家和从事灾害研究领域专家的重视．本文主要介绍了该研究领域近年来的研究进展,并认为在此基础上开展更深入的研究对天文学和地球科学的发展都是有意义的．     

原地应力测量在地震地质研究工作中的应用

原地应力测量是研究地壳应力状态的重要手段,在地震地质的研究工作中逐渐受到地球科学家的重视。本文介绍了近年来原地应力测量在地震区构造应力状态的研究、活动断裂带附近构造应力场特征和注水诱发地震的研究方面所取得的成果。     

GPS观测结果的精化分析与中国大陆现今地壳形变场研究

20世纪60年代以来板块构造理论解释海洋地壳构造与形变取得极大成功并被全球地球科学家所接受。但是人们也意识到,大陆内部构造形变并不能完全被板块构造理论所解释,因此板内构造与形变的研究一直是地球科学探索的热点之一。在过去20多年的大陆动力学研究过程中,人们提出了多种理论和假设。针对中国大陆内部的形变模式,     

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.     

台湾地区的随机噪声瑞利波层析成像研究

台湾地区复杂构造、高速率的地壳变形以及强地震活动,使其成为地球物理学家关注的热点.层析成像技术是应用较多的一门地球物理方法,Roecker(1987)很早就利用P波和S波走时成像技术研究台湾地区的结构.随着CWBSN地震台网大量三分量数字地震台站的架设,许多科学家利用这些台站记录的P波和S波走时数据先后反演了该地区的三维P波和S波速度结构.     

地壳和上地幔地震活动性的地球动力学和地球物理标志

无论地壳还是地幔都发育着地震过程,地震与地球内部过程关系的理念早就成为地质学原理。下面以天山地震成因带和毗邻地区为例,分析研究可以识别孕震带的最佳标志。4.1地球动力学标志通过对天山造山带地壳的地质发展、构造体制、巨大构造带和地震活动性的比较分析,查明了地震活动性的地球物理的共同和特殊标志,共同标志有:——构造运动的总方向和特征改变,最新发展阶段的构造图式重新调整;——最新构造运动具有强度和差异性特征。在这方面,天山新构造不均匀性是最佳的地震活动标志。天山造山带最新地球动力学的重要特性归纳如下:中生代发生地…     

青藏高原东部深部构造与动力学机制研究进展——来自第9届与第10届WTGTP研讨会的启示

青藏高原深部构造与动力学机制一直是深部地球物理与大陆动力学的重点研究领域.青藏高原东部地形起伏剧烈，地震活动频繁，金属与油气矿床丰富，揭示出青藏高原东部极为复杂的壳幔结构与深部变形及非常强烈的深部物质运动.近年来，随着地球物理综合观测技术、深部结构成像方法、地球动力学模拟等研究的快速发展，围绕青藏高原东部的深部构造、块体运动、深部动力模式、强震活动与深部蕴震机制及成矿深部构造等方面进展显著.青藏高原东部构造与地球物理研讨会（WTGTP）是围绕青藏高原东部深部结构与动力学机制、资源开发、地质灾害等相关地球科学问题按年度召开的学术交流研讨会.本文基于2021年和2022年召开的第九届和第十届WTGTP的会议报告，结合近年来的相关研究成果，围绕印度—欧亚板块碰撞、构造变形特征与动力学机制以及强震活动与深部蕴震机制等主要内容，介绍了青藏高原东部的地球物理结构及深部构造变形与动力学机制的研究进展.初步展望了青藏高原深部构造与地球物理研究前景，期望能给相关科研人员提供一点有益的参考.     

21世纪全球三次MW9.0左右地震的孕育过程研究

系统分析了21世纪以来全球范围内发生的三次M_W9.0左右地震的孕育过程.验证了实际地震孕育过程与岩石力学实验揭示的应力积累过程和后续的临界状态(或亚失稳阶段)特征具有一致性.研究中利用视应力和b值分析构造应力动态变化,以描述地震活动与地球自转之间的相关性的统计检验参量P值评价震中及其附近地区地壳介质的临界状态.得到的结果显示,三次M_W9.0左右地震前震中及附近地区构造应力都表现出明显而连续的增加过程,持续6～10年左右.通过对应力增长期间震中附近较大区域内的b值下降幅度空间扫描,发现震前在破裂区及其附近存在一个b值下降幅度高值区,其相对下降幅度比其他地区都大,反映的是这个地区的应力增加幅度比其他地区都大.低P值(<5%)表示地震活动与地球自转之间的相关性显著,即,与地球自转相关的地震活动所在区域地壳介质处于临界状态.P值随时间变化表明,一般低P值在震前约4年内出现.在P值达到最低值期间,低P值(<2%)在空间上的分布与未来强震震中关联性较好.低P值区是极不稳定区,初始破裂一般在其内及附近发生,这是完全可以理解的.文中也给出了其他一...     

地震预报的科学基础和方法

地震动力学过程最强烈地发生于活动不均匀层范围内,从地震学观点来看,位错过程扩展具有本质意义,其含义就是断块沿“原始”断裂或构造层之间的界面位移。前面已指出,现代位错过程伴随着岩石物理性质、各种地球物理场、流体动态和其他现象以及地壳内构造不均匀性几何尺度的异常变化,虽然,这些异常在自然噪声背景上很难识别,但在地面有镶嵌式地表现,在不同地震活动带地震前发育情况不一样。地震预报研究应根据下列原理。1)选择研究对象,引入了“地震成因带”、“孕震区”和“震源区”概念(第1章),地球内部起源和地球外(宇宙)起源的能量对地球…     

第29届IASPEI大会概况及其主要专题讨论会和研讨会内容汇编

国际地震学与地球内部物理学协会（ＩＡＳＰＥＩ）第２９届大会于１９９７年８月１８～２８日在希腊塞萨洛尼基举行。来自６２个国家和地区的１０５１位科学家参加了这次大会。国家地震局有近２０位科学家出席了会议。本届大会共安排了４６个学术专题报告会和研讨会,会上宣读论文７１６篇,张贴展示论文６９５篇。本届ＩＡＳＰＥＩ大会的学术报告涉及广泛的地震学和地球内部物理学研究的问题,内容包括：地震预测;地球内部构造和地球动力学;不同构造区的强地面运动;地震孕育过程：定量模型和假设检验;岩石圈结构、动力学过程和各向异性;火山地震学;地震早期预警系统;地震危险性与地震危害;地震危险性和地震危害评估中的新的地学信息技术;触发／诱发地震;与构造过程有关的电磁信号;岩石圈结构的长周期研究和工程地震学;估计地震大小的新方法;地球的结构和演化：地球物理观测、实验约束和模似;地震成核、动力破裂及其终止：观测和物理模拟;今后的地震仪器的发展;地震灾害与危害的公众教育,等等。     

南京地区地球物理场与地震构造稳定性

岩石圈的不均衡状态是地球物理场存在差异的原因,对区域地球物理场进行分析,可以了解岩石圈的不均衡及其构造活动的背景.本文在对南京地区地震地质环境分析的基础上,通过重力异常、地热场、深部速度结构、天然地震层析成像等地球物理资料进行系统分析,研究它们与本区地震构造稳定性的关系;分析研究地震活动,从现今地壳运动速度场与地壳形变...     

青藏高原深部地球物理探测70年

青藏高原是全球海拔最高、规模最大、时代最新的陆-陆碰撞造山带.几十个百万年以来高原隆升、喜马拉雅山系崛起是地球演化史上最为壮观的构造事件之一.青藏高原壳幔结构和深部过程备受国内外地球科学家关注.近七十年来的地球物理研究与探索表明:(1)青藏高原地壳巨厚,岩石圈较薄;(2)壳内存在软弱层,但厚度和联通性有限;(3)高原下地壳及Moho面广泛发育叠瓦状反射特征,存在明显的脆性变形;(4)喜马拉雅和拉萨块体南部存在双Moho现象/迹象;(5)印度大陆岩石圈向高原下方俯冲的形态存在显著的东西向差异;(6)高原主体上地幔各向异性以NEE向为主;(7)青藏高原布格重力异常四周高、中间低,异常场边界与地形梯度变化密切相关;(8)高原内部磁异常较弱,周边地区较强,其分界与区域构造边界基本一致;(9)青藏高原水热活动强烈,大地热流值高,主要来自加厚地壳的贡献.但是,有关青藏高原深部过程,诸如是否存在中/下地壳流、印度与欧亚大陆岩石圈的俯冲模式等重大科学问题目前仍存在争议.青藏高原地球物理和动力学研究是一个复杂的系统工程,以科学问题为导向,结合国家重大需求,在关键区域组织实施综合地球物理探测,可望在地学领域取得创新与突破.     

断层土壤气氡的应用综述

氡是揭示构造活动的重要化学示踪元素。研究断层土壤气氡及其同位素的地球化学特征,可以揭示流体在构造活动研究中的作用。本文简述了断层土壤气氡的地球化学特征及目前在断裂带上开展的土壤气氡观测的研究成果,归纳了氡的理论及实验研究以及形成运移机理等方面所取得的进展,分析了氡气在地壳中浓度变化的影响因素。探讨断裂带中氡浓度空间分布特征有助于深入理解地壳深部流体、构造活动与地震孕育之间的关系,对提高地震短临预报水平具有重要意义。     

山西断陷带地球物理场特征与强震活动

从重力场、地磁场和地热场等方面分析了山西断陷带地球物理场所具有的特征,论述了地球物理场特征及其揭示的深部构造与强震活动的关系,初步建立了山西断陷带强震发生的模式,指出,与强震活动密切相关的区域地球物理场特征及深部构造,是进行地震预报和地震区划等不可缺少的依据,也是今后进一步研究地震成因必须十分重视的问题.     

地磁活动对气候要素影响的研究进展

地磁活动是太阳爆发现象引起地球近地空间磁场扰动的重要空间天气过程之一.地球磁场的变化具有多种时间尺度,其中从数十年到数世纪的长时间地磁场变化主要是由地核磁场引起的,而从数秒到数年的短时间地磁变化与太阳活动有关.近年来,越来越多的统计研究表明,地磁活动与太阳活动和地球气候变化之间存在着显著的相关性.地球磁场和地球大气系统的耦合现象驱动着人们探索地磁活动对地球天气和气候系统影响的研究.本文的目的就是综述国内外地磁变化对气候影响的研究进展,介绍我们最新的研究成果,探索地磁活动对气候要素的影响特征和可能机理过程,为深入研究地磁活动对地球天气和气候的影响提供基础和依据,以期对地磁活动和气候要素关系有进一步的认识.     

俯冲构造vs.地幔柱构造——板块运动驱动力探讨

板块构造是指地球外壳岩石圈块体在地球表面的(水平)运动及其相互作用.自50年前板块构造理论建立以来,对板块运动的动力来源这一问题一直存在争议.早期的观点认为是"自下而上"机制,即板块运动受控于板块之下的地幔对流系统,特别是起源于核幔边界的地幔柱作用于板块底部,促使大陆裂解,并驱动板块运动.而现今较为普遍接受的观点则是"自上而下"机制,即认为板块运动的驱动力主要来源于板块自身的负浮力(即重力大于浮力),板块构造和地幔对流均受控于板块的俯冲作用,因此板块构造又被称为俯冲构造.这一观点得到了众多地质和地球物理观测的支持.进一步研究表明,个别板块增速、减速与单一地幔柱活动在百万年时间尺度具有耦合关系;多个板块内稳定克拉通地区地表隆升、沉积速率与地幔柱相关的岩浆活动在亿年时间尺度存在时空相关性;而全球范围的超大陆聚合、裂解与超级地幔柱活动在二十亿年以来的地质历史时期表现为周期性耦合关系.这些不同时空尺度的耦合现象均表明,板块构造与地幔柱构造在地球演化过程中是紧密联系、相互作用的,地幔柱构造对板块运动产生了不可忽视的影响.因此,需要将板块构造和地幔柱构造这两大地球构造体系加以联合,开展综合分析与研究,才能获得对板块构造和整个地球动力系统运行机制的全面认识.     

卫星大地测量用于东亚大陆地球动力学与地震学研究回顾

王仁先生是中国地球动力学研究的开创者,他所引领的有关潮汐和板块运动造成的地壳应力场演化研究使得有关活动构造、断层形变和地震危险性的研究从定性走向定量,并在过去半个世纪中不断丰富发展.卫星大地测量方法从20世纪80年代开始用于精密定位和运动测量,为地球动力学和地震学研究提供了不可缺少的观测资料,极大促进了相关学科的发展.本文结合本人研究经历回顾卫星大地测量方法用于东亚大陆地球动力学、地震构造学和地震物理过程研究带来的一些重要发现,作为对王仁先生在相关领域开创性贡献的纪念.     

全球变暖、构造运动与沙漠化

采用统计分析与综合分析方法，研究了全球变暖、构造活动、地球（以及月球和行星）轨道效应、太阳活动等对降水的影响。认为构造活动、地震、气候变暖与降水或洪涝灾害有一定关系；地球的轨道效应是地球气候变化的重要因素，从而与旱涝相关；月球行星轨道效应和太阳活动均与旱涝有明显的对应关系。气候变冷和构造活动弱是沙漠化的主要原因，人类活动则加速了沙漠化的进程。     

2010年青海玉树7.1级地震发生的构造背景及其动力学分析

为了解2010年4月14日青海玉树7.1级地震活动背景和构造背景,探讨其发震的动力学过程,综合历史和现代地震资料,通过对玉树地震发震前的青藏高原东部地震活动特征分析,探讨了地震活动的大尺度时-空图像与玉树地震孕育发生的关系,研究其发震构造、震源机制解、余震分布和余震序列特征,从而综合探讨玉树地震发生的动力学背景和过程.结果表明,玉树地震的发生不是一个偶然事件,而是地震活动和构造运动的必然结果,是地震孕育和地球动力学过程的必然表现.