水星的探测与研究进展

水星是太阳系内距离太阳最近的类地行星。水星具有类地行星中最大的未压缩密度,这意味着水星有一个巨大的金属核和异常高的金属/硅酸盐比值,研究其形成过程和机制是一个巨大的挑战。近10年来美国NASA信使号(MESSENGER)对水星的观测和数据采集极大地促进了水星的研究进展。信使号对水星表面的观测揭示了水星和地球一样具有一个全球规模的偶极磁场,这是水星具有液态的金属外核的最有力证据之一;水星表面富含挥发分但却贫铁,暗示水星可能在非常还原的条件下形成;陨石坑和火山作用在水星表面广泛分布,褶皱脊和地堑等构造单元也是盆地中常见的构造单元。这些观测对研究水星的成因、热演化历史、形成过程中元素的分配行为和表面的火山作用等提供了一定的制约。鉴于水星在太阳系类地行星中的特殊性,研究水星的地质、化学、物理特征及形成过程将有助于人们理解早期太阳系物理化学过程及类地行星的形成过程。本次研究系统地综述近年来人们根据信使号数据对水星的研究进展,并简要探讨了关于水星研究仍然可能存在的一些重要科学问题。     

制约类地行星大气层和水体发育的主要因素

根据行星探测的资料,综合分析了水星、金星、地球(包括月球)、火星的大气层和水体的发育特征,对比了金星、火星的大气层与水体同地球的差异。类地行星质量小、体积小、密度大、旋转慢、卫星少甚至没有、挥发性元素较类木行星少、距离太阳较近,早期残留的原始大气层已经被早期太阳在金牛变星阶段的强烈太阳风所驱赶,加上巨大而频繁的撞击作用,使原始大气层被驱赶殆尽。现在的大气层是次生的,是由行星内部的去气作用形成的。类地行星的大气层、水体的发育和表生作用的特征与行星的质量大小(表征行星内部能量的大小和构造活动的强烈及持续时间)及行星与太阳的距离等因素有关。在类地行星中,地球和金星质量最大,逃逸速度最大,可将更多的气体“束缚”在它们表面,因此它们的大气有着复杂的组成和较大的密度。火星质量较小,逃逸速度不到地球的一半,在漫长的演化历史中,大气逐渐逸散进入太空,大气密度变得很稀薄。水星质量更小,而且最靠近太阳,不仅太阳风的驱赶作用强烈,而且表面温度高,气体分子的热运动更加剧烈,加剧了大气的逸散,所以水星的大气层极为稀薄,并且主要为太阳风成分。月球质量最小,几乎没有大气层,更没有水体的发育。行星的热演化历史对大气层和水体发育具有重要的制     

近南北向构造在塔里木盆地的踪迹

为厘清近南北向构造在塔里木盆地中的性质、地位和作用,笔者通过地质—地球物理分析,确认了以反转断层及相关褶皱为主导的挤压型构造是塔里木近南北向构造的主要表现形式。它发生发展于大陆内部,具有分布的广泛性和等距性、延伸的线性和断续性、纵深的陡倾性和穿透性、主断面的逆冲等特征。它的发育通常是基于先存的NS(—NNE)向张裂带和NNW(—NW)或NNE(—NE)向剪裂带,前者多演化为大、中型南北向构造,而后者多演化为中、小型南北向构造。近南北向构造的反转断层呈现为伸展—走滑—挤缩的演化顺序;最终定型于新生代;其驱动力主要源于太平洋—菲律宾板块向西的推挤动力。近南北向反转构造是种复合型的封闭性构造,对于石油和天然气地质研究,具有实际意义。     

兴地断裂构造特征及其演化历史

兴地断裂是塔里木盆地东北缘十分重要的大型控盆断裂,该断裂对塔里木盆地东北缘地层发育、构造古地理、库鲁克塔格断隆-满加尔坳陷的构造演化等具有重要的控制作用.根据断裂带中糜棱岩、构造角砾岩、构造透镜体、断层崖、断层三角面等不同构造形迹的性质,结合断裂对区域地层发育和构造古地理的控制作用,对断裂的变形期次和性质进行了划分,并讨论了断裂的演化历史及其形成的地球动力学背景.断裂经历了元古代—新生代漫长的构造演化历史,发生了多期次不同性质构造活动.其构造演化主要包括形成期(Pt2);伸展期(Pt3—O);挤压反转期(O2末期和O3末期);左旋压扭期(Pz2末期)、逆冲推覆期(E末期—Q3)和右旋张扭期(Q4)6个构造演化阶段.     

早期地球的热管构造:来自木卫一的启示

构造体制极大地制约着地球和其他太阳系类地天体（类地行星、岩石质卫星和小行星等）的地表散热、内部温度和物质演化。现有的少量地质记录表明，地球在板块构造启动之前就存在非常活跃的"前板块构造"运动并可能对其早期壳幔分异产生了重要的影响，在这些构造体制下，物质和能量循环的规模和速率可能是后续的板块运动无法比拟的。但受限于早期地质记录的稀缺以及研究手段不成熟等因素，对前板块构造运动的研究一直被学界所忽视，人们对其的认识主要局限于停滞盖层（stagnant-lid tectonics）等。长期以来的空间探测和地基观测表明，木星系统的木卫一存在大规模的火山活动，随之形成了极高的地表热流和地表更新速率以及活跃的造山作用。这些观测事实不同寻常，颠覆了人们对类地天体构造演化模式的一些固有认识，需要新的构造模式——"热管构造"（heat-pipe tectonics）予以解释，其涵义为：类似木卫一上的大规模火山作用可使类地天体的软流圈-岩石圈-地表之间发生快速的物质和能量循环，该循环以岩浆的形成-上升-喷发-冷却和沉降-折返为主要形式，可将天体内部的热散快速散发到外太空。上述过程涉及类地天体内、外部之间物质的大规模、快速迁移和相变，其导热原理与热管相同，因而被称为"热管构造"，其散热效率远高于现今大多数类地天体单纯依赖岩石圈进行内外热传导的停滞盖层构造，以及地球上以板块的形成和俯冲过程主导内部散热的板块构造体制。尽管早期地球与木卫一在内生热机制等方面存在显著差异，但二者的内部温度和内生热率较高，导致其岩浆作用总体均较为活跃，这些关键动力学特征的相似性暗示其构造体制可能类似。因此，研究木卫一的热管构造体制对揭示地球的前板块构造的性质和演化有重要的启示意义。本文综述了近40年来人类对木卫一的主要探测成果，论述了热管构造提出的必要性和依据，总结了该构造体制的特征和发生条件，讨论了早期地球发生热管构造的可能性。早期地球可能经历了热管构造阶段，期间地球通过大规模火山作用散发了内部热量、促进了壳幔分异，并在地球内生热作用减弱、热管构造不能继续维持时被板块构造等取代。由于热管构造的垂向物质循环较为强烈，不利于保留TTG等低密度的壳幔分异产物，我们依据TTG大规模形成的时间上限推测：地球发生热管构造时间可能限于冥古宙-始太古代时期（约38亿年以前）。由于前板块构造时期地球自身的地质记录十分有限，对其热管构造体制的性质和确切的形成条件等很大程度上需要从木卫一获得答案。     

放射性元素集中于上地壳的原因及其地球动力学意义

地热学和陨石学的研究都指出, 地球上放射性热源浓度随深度指数衰减.但为何会存在这样的分布特征仍是地球科学的疑谜.通过地球排气现象的研究指出, 正是类地行星及小行星演化中的排气作用, 将放射性元素带到了类地行星及小行星的表面; 而且演化时间越长的类地行星, 深部的放射性元素也越少.目前流行的地球动力学理论是以地球内部的热为根本动力的学说, 地球深部放射性热源数量的稀少对“热机动力机制”提出了质疑.由于地球动力学依靠的能源只有地球内部的热和地球自转动能2种, “地球自转动力机制”应更多地被重视和研究      

青藏高原东北缘活动构造与共和盆地高温热异常形成机制

构造作用是影响地球深部内热向地表传输和热能再分配过程的关键因素之一。青藏高原东北缘共和盆地发现高温地热资源,其热源成因机制一直是研究焦点。为理解构造作用对地热资源分布的控制过程,本文选取共和盆地高温地热异常区,分析边界断裂构造性质、活动期次、演化历程,结合钻井、大地电磁和背景噪声成像地球物理异常特征,提出新生代构造演化和地热异常形成的耦合关系。认为:1)青藏高原东北缘共和盆地及周缘变形区形成于昆仑断裂和海源断裂大型活动左旋走滑作用的滑动消减带;2)共和盆地新生代以来经历中新世(12–6 Ma)旋转泛湖盆凹陷、上新世—第四纪(6–3 Ma)盆内张扭变形两期主要演化阶段;3)共和盆地上地壳发育的与高温相关的地球物理低速-高导异常层(Vs<3.2km/s,R<10Ω·m)是主导热源;4)上新世持续左旋走滑变形导致的岩石圈隆起变形是深部热能向浅层传输的主要动力学机制,浅部热能聚集成热过程至少延续到了3Ma;5)预测青藏高原东北缘与共和盆地具有类似构造演化性质的次生盆地具有高温地热资源发育的条件。     

构造演化与成矿系统动力学——以胶东金矿集中区为例

成矿系统的形成、演化与区域构造演化和地球动力学行为有关,成矿系统动力学是确定成矿系统演化和最终结果的关键,其研究是对传统成矿理论的突破,具有重要的理论与实践意义。胶东地区长期处于大陆边缘,构造成岩成矿作用过程表现出复杂性和多样性：（１）太古宙—元古宙绿岩地体产生、形成———金的矿源系统雏形;（２）古生代构造环境稳定———金成矿作用间歇;（３）中生代绿岩带强烈活化改造———构造成岩成矿;（４）新生代构造继承性活动———后期构造破矿作用。胶东金矿集中区是典型的剪切带构造成矿系统,是区域尺度地质作用的产物,其形成、演化受大陆岩石圈和深断裂成熟度控制,与太平洋区板块俯冲碰撞及郯庐断裂带的形成、演化紧密相关,其发生和作用过程及演化受地壳演化和地球动力体制转换制约,与区域构造的形成、演化相互关联。“断裂阀地震泵吸周期性破裂愈合”的构造动力体制转换是成矿物质活化、运移、聚集、成矿的基本动力学保障,构造应力场转换是其重要表现形式,金的成矿作用发生于剪压变形构造岩相向剪张变形构造岩相转换的时空界面     

“地球动力学”的研究现状与展望——第32届国际地质大会研究成果综述

第32届国际地质大会通过按地域和构造作用过程等形式划分11个专题会场,展示了地球动力学的研究成果。其成果主要包括特提斯域构造演化及其不同阶段的块体裂解、拼合及后期改造的细节过程,地质历史中的超大陆分布和成因,俯冲—碰撞带深部构造和变质机制,安第斯山(Andes)缓倾角平坦式俯冲过程及其地壳变形和岩浆作用的响应,显微构造对动力作用过程的影响和控制,地壳和上地幔熔融、流变学和动力学意义,大洋岩石圈构造与演化,大陆地盾区构造和再活动,稳定大陆区地震,空间大地测量学和现代板块运动等方面。这些研究成果充分显示了地球动力学研究具有多学科、多手段(如古地磁、超深钻、地球物理、大地测量和GPS等)、多尺度(宏观、微观)和多时期、全面、综合、并逐步接近定时、定位和定量地探索和研究的特点,它从地球(主要为上地幔和地壳)的组成、结构构造入手,逐步认识地球(主要为地球岩石圈)的演化和动力学。     

超越板块构造——我国构造地质学要做些什么?

对近十年来全球构造学和构造地质学的重要进展进行了简要评述.30年前建立的全球构造理论改变了人们对地球及其演化的认识.作为固体地球统一理论的板块构造主要涉及刚性板块边界之间的变形、地震活动和火山作用.至今还没有完整理论阐明板块运动的驱动力和地幔对流机制.板块边界和板内变形等许多问题仍然无法回答.大陆岩石圈和大洋岩石圈在成分、厚度和力学强度方面有明显的差别, 因此现有板块构造不完全适合于大陆构造.大陆地壳和地幔流变学的综合研究是认识大陆构造和超越板块构造的最佳途径.流变学是大陆造山带几何学和动力学的桥梁.大陆岩石圈对构造作用、重力作用和热作用的响应在很大程度上取决于其流变强度.岩石圈流变性质是岩石圈分层和塑性流动的主导因素.大量透入性变形和巨型大陆造山带内部构造显示非刚性特征.大陆构造和力学行为主要由地壳强度而不是地幔强度所控制.从大陆岩石圈多层性和力学强度不均匀性表征看, 现在是抛弃传统“三明治”构造模式的时候了.面对地球系统科学和地球动力学新思维发展趋势, 多学科综合研究大陆构造(造山带)和加速高水平构造地质学人才的培养是我国构造地质学发展的最紧迫任务      

对南极类C1陨石成因和星云水化作用范围的几点看法

南极陨石的研究发现，有几个碳质球粒陨石富含与Ｃ１陨石类似的含水层状硅酸盐集合体及其角砾．其氧同位素比值也与Ｃ１接近，因而称之为类Ｃ１陨石。类Ｃ１陨石与Ｃ１陨石的区别是：类Ｃ１陨石中的含水层状硅酸盐既以基质的形式产出，也出现在球粒中；类Ｃ１陨石中含有球粒及有关组分，如球粒碎块、矿物集合体等。每个陨石中所含这些组分的数量不同，其矿物的成分也差别很大，从而说明它们形成的星云环境不同。因此笔者认为类Ｃ１陨石可能是小行星区星云盘外层的星云凝聚物受到不同程度水化作用后吸积形成的陨石。     

行星构造:寻求地球演化的踪迹

地质构造是记录地球内、外动力地质作用过程的标志。和地球相似,太阳系其他天体上也发育丰富的地质构造。以研究天体表面的地质构造及其动力学机制为目的的"行星构造学"是建立在构造地质学、遥感地质学和地球物理学等学科基础上的一门新兴前沿学科。由于天体的大小、组分和轨道位置不同,表面构造特征及其形成机制各异。对比研究地球和其他天体上的构造特征,是完善地球动力学的重要途径。水星和月球的热演化轨迹大致相同,内部持续冷却造成全球收缩,表面形成大量的挤压构造,而伸展构造仅局部发育。火星的岩石圈主要通过热传导散热,表面发育大量的挤压构造,且其形成时间可能呈单峰式分布。同时,火星表面的伸展和挤压构造和大火山群紧密相关,表明深部动力过程影响了火星上的区域构造。金星和地球的大小相似,但金星表面的最大年龄远小于地球大陆地壳的平均年龄,~80%的早期地质记录完全被后期的岩浆-构造活动抹去,表面发育大量的火山-深大裂谷系,说明"幔柱"活动对金星的构造演化至关重要,因此热传导可能也是当前金星岩石圈的主要散热方式。以上天体的岩石圈形变均以垂直运动为主。在外太阳系,一些卫星的表壳主要由冰水和其他挥发分组成,有些卫星存在下伏的液态水圈,潮汐作用可能是驱动其构造演化的主要动力。在特殊的应力来源和物质特性的共同作用下,在这些卫星上发育大量的走滑断层和疑似俯冲消减带。行星地质构造从能量和物质属性的角度探究构造运动的物理和化学过程,与地球动力学研究相辅相成,对揭示地球早期动力学过程的关键科学问题具有重要的指示意义。     

Differentiation of crusts and cores of the terrestrial planets: Lessons for the early Earth?

It now appears probable that all of the terrestrial planets underwent some form of global chemical differentiation to produce crusts, mantles, and cores of variable relative mass fractions. There is direct seismic evidence for a crust on the Moon, and indirect evidence for distinct crusts on Mars and Venus. Substantial portions of these crusts have been in place since the time that heavy bombardment of the inner solar system ceased 4 Ga ago. There is direct evidence for a sizeable core on Mars, indirect evidence for one on Mercury, and bounds on a possible small core for the Moon. Core formation is an important heat source confined to times prior to 4 Ga ago for Mercury and the Earth, but was not closely linked to crustal formation on the Moon nor, apparently, on Mars. The tectonic and volcanic histories of the surfaces of the terrestrial planets Moon, Mars, and Mercury can be used, with simple thermal history models, to restrict the earliest chemical differentiation to be shallow (outer 200–400 km) for the first two bodies and much more extensive for Mercury. Extension of these models to an Earth-size planet leads to the prediction of a hot and vigorously convecting mantle with an easily deformable crust immediately following core formation, and of the gradual development of a lithosphere and of plates with some lateral rigidity in Late Archean—Proterozoic times.     

Provenance of the terrestrial planets

Earlier work on the simultaneous accumulation of the asteroid belt and the terrestrial planets is extended to investigate the relative contribution to the final planets made by material from different heliocentric distances. As before, stochastic variations intrinsic to the accumulation processes lead to a variety of final planetary configurations, but include systems having a number of features similar to our solar system. Fifty-nine new simulations are presented, from which thirteen are selected as more similar to our solar system than the others. It is found that the concept of "local feeding zones" for each final terrestrial planet has no validity for this model. Instead, the final terrestrial planets receive major contributions from bodies ranging from 0.5 to at least 2.5 AU, and often to greater distances. Nevertheless, there is a correlation between the final heliocentric distance of a planet and its average provenance. Together with the effect of stochastic fluctuations, this permits variation in the composition of the terrestrial planets, such as the difference in the decompressed density of Earth and Mars. Biologically important light elements, derived from the asteroidal region, are likely to have been significant constituents of the Earth during its formation.     

中国前陆盆地构造地质基本特征及其控制下的油气分布

在综述前人认识的基础上,通过对中国前陆盆地的沉积充填特征、演化历程、构造成因及其空间分布规律、构造变形特征等的宏观研究和重点解剖,总结出中国前陆盆地构造地质的主要特征:(1)垂向上,前陆盆地表现出两种不同性质的原型盆地在正反转构造背景下的盆地构造层序相叠置;(2)平面上,分布在中国大陆内的前陆盆地或冲断带受统一的印度—欧亚两个大陆板块间的碰撞作用,形成构造变形的时空分布规律有序的环青藏高原巨型盆山体系;(3)时间上,不仅存在新近纪以来的喜马拉雅运动控制的再生前陆盆地,而且显生宙以来中国大陆共发生了4期前陆盆地或冲断构造的演化过程;(4)成因上,受青藏高原向北、向东的隆升挤压,基于小克拉通拼贴后的不均一陆内基底结构,古造山带继承性复活,在其前缘发育再生前陆盆地或前陆冲断带;(5)变形样式上,由于受边界力学条件和沉积地层介质的共同控制作用,可以将前陆冲断带的构造变形样式分为4类。正是因为上述地质构造的特殊性,决定了油气聚集与分布的规律性和勘探的复杂性。油气分布的规律性主要体现在:(1)油气相态分布的有序性;(2)成藏条件配置的有效性;(3)含油气目的层分布的空间有序性;(4)多期成烃、晚期成藏的普遍性。油气勘探的复杂性表现在:(1)4期前陆盆地和冲断带含油气地质特征的差异;(2)含油气层系与油气藏的改造与破坏;(3)陆相盆地的不均一导致储层相变大;(4)前陆冲断构造变形的复杂增加了圈闭落实的难度。     

The oceans and the physics of the Earth

The Earth is the only terrestrial planet to have seas, by which it is covered to the extent of seventy percent. The oceans determine the climate of the Earth and it is through them that life and civilization have evolved, but they also have major influence on physical processes in the solid Earth. Tidal friction leads to the Earth's spin slowing down with a consequent recession of the Moon from the Earth, while the presence of the oceans controls the tectonic evolution of the Earth through the formation of oceanic crust, the erosion of land and the accumulation of sediment, the formation of mountains and the establishment of isostatic balance.     

The split fate of the early Earth,Mars, Venus,and Moon

Plate tectonics shaped the Earth, whereas the Moon is a dry and inactive desert, Mars probably came to rest within the first billion years of its history, and Venus, although internally very active, has a dry inferno for its surface. Here we review the parameters that determined the fates of each of these planets and their geochemical expressions. The strong gravity field of a large planet allows for an enormous amount of gravitational energy to be released, causing the outer part of the planetary body to melt (magma ocean), helps retain water on the planet, and increases the pressure gradient. The weak gravity field and anhydrous conditions prevailing on the Moon stabilized, on top of its magma ocean, a thick buoyant plagioclase lithosphere, which insulated the molten interior. On Earth, the buoyant hydrous phases (serpentines) produced by reactions between the terrestrial magma ocean and the wet impactors received from the outer solar system isolated the magma and kept it molten for some few tens of million years. The planets from the inner solar system accreted dry: foundering of wet surface material softened the terrestrial mantle and set the scene for the onset of plate tectonics. This very same process also may have removed all the water from the surface of Venus and added enough water to its mantle to make its internal dynamics very strong and keep the surface very young. Because of a radius smaller than that of the Earth, not enough water could be drawn into the Martian mantle before it was lost to space and Martian plate tectonics never began. The radius of a planet is therefore the key parameter controlling most of its evolutional features.     

On the evolution of terrestrial planets:Bi-stability,stochastic effects,and the non-uniqueness of tectonic states

The Earth is the only body in the solar system for which significant observational constraints are accessible to such a degree that they can be used to discriminate between competing models of Earth's tectonic evolution.It is a natural tendency to use observations of the Earth to inform more general models of planetary evolution.However,our understating of Earth's evolution is far from complete.In recent years,there has been growing geodynamic and geochemical evidence that suggests that plate tectonics may not have operated on the early Earth,with both the timing of its onset and the length of its activity far from certain.Recently,the potential of tectonic bi-stability(multiple stable,energetically allowed solutions)has been shown to be dynamically viable,both from analytical analysis and through numeric experiments in two and three dimensions.This indicates that multiple tectonic modes may operate on a single planetary body at different times within its temporal evolution.It also allows for the potential that feedback mechanisms between the internal dynamics and surface processes(e.g.,surface temperature changes driven by long term climate evolution),acting at different thermal evolution times,can cause terrestrial worlds to alternate between multiple tectonic states over giga-year timescales.The implication within this framework is that terrestrial planets have the potential to migrate through tectonic regimes at similar‘thermal evolution times'(e.g.,points were they have a similar bulk mantle temperature and energies),but at very different'temporal times'(time since planetary formation).It can be further shown that identical planets at similar stages of their evolution may exhibit different tectonic regimes due to random variations.Here,we will discuss constraints on the tectonic evolution of the Earth and present a novel framework of planetary evolution that moves toward probabilistic arguments based on general physical principals,as opposed to particular rheologies,and incorporates the potential of tectonic regime transitions and multiple tectonics states being viable at equivalent physical and chemical conditions.     

陨石含水矿物成因评述和地球水来源的探讨

简要介绍了球粒陨石中含水矿物的种类和主要特点，根据陨石中含水矿物与无水矿物，有机质的关系，太阳星云凝聚模型中有关水蒸汽与无水矿物反应的理论，以及有关的同位素资料的综合分析，推断形成含水矿物的水化作用是太阳星云凝聚作用的一个阶段，通过不同类型球粒陨石氧同位素组成和含水矿物数量的比较，论证了太阳星云盘中发生水作用的范围，从而对地球水的来源进行了讨论。