行星地质资源与工程学导论

行星科学是近几十年发展起来的一门多学科交叉的新兴学科,如何利用行星资源、可持续永久开发太空成为行星科学的新兴前沿研究方向。在阿波罗号人类登月50周年之际,世界大国纷纷抢占深空探测的科技制高点,美国宣布重启太空计划,俄罗斯制定了一系列的月球战略,我国也制定了深空科学探测任务规划发展路线图,要达到这些宏伟的深空探测与开发目标,亟待发展行星地质资源与工程学,为太空的可持续永久开发提供基础理论与关键技术支撑。行星地质资源与工程学是行星地质学的分支,运用行星科学的基础理论,利用行星观测、探测及开发技术方法,研究行星地质资源形成演化规律,查明地质资源的类型、特征、储量和分布规律;进行行星地质资源的地质调查、岩石成分、结构与性能、开发地质条件评价与预测,解决行星工程中的各类地质问题,研发行星开发利用地质工程技术,为行星地质资源开发与人类工程活动提供基础理论与关键技术方法。行星地质资源与工程学的研究内容通常包括:行星地质资源探测理论与技术、行星地质资源成因演化与评价、行星地质工程。发展行星地质资源与工程学具有重要意义:从行星科学的视角进行研究,促进学科增长与拓展;开发行星地质资源,打破资源束缚,实现太空永久可持续开发;培养学科人才,提升行星地质资源与工程科技水平,为人类移居行星奠定基础。未来行星地质资源与工程学科应加强行星物理学、行星化学和行星地质学的交叉融合及理论应用,发展行星地质勘探方法与智能机器人工程技术,发展高/低温、高/低压、高辐照、低/微重力环境条件下样品采集、加工、多尺度测试分析理论与方法,培养行星地质资源与工程学科人才。     

太阳系天体的火山作用及其比较行星学意义

火山活动是太阳系内所有行星和多数卫星共同经历过的地质作用.类地行星及它们的卫星表面普遍分布着多种火山和火山岩.其中金星、火星和月球与地球上的早期(始太古代)火山活动有许多相似性.现在,火星与月球上的火山活动早已停止,而金星和地球上仍有火山活动.类木行星的卫星上主要活动的是"冰火山",它们之中有些还有十分强烈的活火山活动(如爱莪和海卫一).对太阳系天体火山作用的对比研究能够提供认识太阳系和行星演化、天体深部和浅部地质作用过程、矿产资源形成以及生命的起源和演化等重要信息,是比较行星学的重要组成部分.     

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。     

煤系矿产资源及其发展趋势

煤系中广泛存在与煤炭成因具有紧密联系的多种矿产,按照其特性和用途可分为煤系能源矿产、煤系金属矿产、煤系非金属矿产,其中一些矿产的经济价值甚至远远超过煤炭资源本身。但由于种种因素制约,长期以来忽视了对煤系矿产的综合评价和勘查,造成了资源的巨大浪费。通过对煤系矿产资源概念的厘定、煤系矿产赋存特征及资源分布特征的分析,提出了煤系矿产资源研究及勘查开发方向,为我国煤系矿产资源的综合勘查开发提供基础理论指导。     

太阳系探测的进展与比较行星学的主要科学问题

回顾了太阳系的探测历程,综合分析了太阳系探测的发展趋势。未来的太阳系探测将以月球与火星探测为主线,适度开展太阳系其他行星及其卫星、小行星和彗星的考察性探测。21世纪将是全面探测太阳系并为人类社会长期可持续发展服务的新时代。随着太阳系探测的进展,通过系统比较地球与类地行星的大气层与水体的形成演化过程、地形地貌与地质构造特征、岩石类型、热历史与内部结构等方面的共性与特性研究,表明行星的质量大小和行星与太阳的距离的相互耦合,制约了行星的形成和演化的复杂过程。比较行星学已成为指导太阳系探测的科学理论体系。     

行星地质工程原位测试方法

作为行星地质学与行星工程学的交叉学科,行星地质工程学科直接支撑行星探测、行星科研站与基地建设、行星资源开发与未来人类移居,相关研究已迫在眉睫。与地球相比,行星地质体在物质、结构与环境3个方面存在较大差异,决定着行星地质体工程特性与地球具有很大的差别,开展行星地质工程原位测试是准确获取行星地质体工程特性的最直接方式。文章把月球探测和火星探测任务中地质工程原位测试方法分为5类:触探试验、铲斗试验、钻探试验、地球物理探测和摄影测量,分别分析了各类原位测试方法的原理与科学载荷,对比各种方法中不同测试仪器的差异;利用月球工程特性原位测试结果梳理总结了月壤工程特性,包括粒度分布、密度、孔隙比、抗剪性、压缩性和承载力,分析了月壤和火壤工程特性的变化规律,并指出了与地球土壤物理力学特性的差异;未来应以行星探测任务为载体,结合地面低重力模拟测试平台和物理力学本构理论研究,研制小型轻量、自动智能的工程特性原位测试科学载荷,获取更加准确的行星土壤和岩石的工程特性参数,支撑月球科研站、基地建设和火星取样返回等深空探测任务。     

类地行星热物理条件与热演化影响因素分析——以火星地幔热柱演化为例

太阳系内类地行星具有相似的岩石层包围金属核的圈层结构,在行星幔的热演化历史起源方面具有同时性和同源性,并且都在早期变形重力位能加热的基础上随放射性热能衰减而冷却。但是,由于半径、密度、粘度以及表层构造属性等物理条件的差异,其热演化历史各具特色。依据基本的热对流和热传导方程,我们计算分析了类地行星热物理条件差异对行星幔热演化历史的影响。计算表明,类地行星热演化的早期,行星幔热对流是主要的散热方式。半径较大的行星表面热流密度大,平均散热量也大。半径较小的行星内部温差小,粘滞系数高,对流能力低,提早进入传导散热状态,且传导散热的岩石层也比大行星厚。不同边界层热物理条件下,类地行星幔热演化历史会分别出现逐渐冷却的平稳式、包含热柱上涌的波动式、行星幔幕次翻转的周期式等特点不同的热演化过程。火星内部曾经存在的地幔热柱构造与火星地幔热动力学演化过程密切相关。我们从火星地幔热动力学演化模型出发,定量计算与地幔热柱构造演化相关的地幔热动力学演化特征,通过三维球壳数值模拟,研究了火星地幔热演化历史上可能存在的热柱活动造成的火星热演化历史的非单调变化,火星地幔对流环结构随时间的演变方式,以及与边界相关的地幔热柱对火星地形的影响。     

“行星地质与化学”专辑序

正行星科学起源于天文学和地球科学,是伴随人类月球和行星探测工程快速诞生的学科,与全球板块活动理论同时期建立。经过半个多世纪的发展,行星科学已细分为行星地质、行星化学、行星物理、天体生物学等成熟的分支。其中,行星地质学使用多源遥感数据和模拟对比的方法,主要目的是了解天体的地质演化;行星化学起源于传统地球化学和陨石学,主要目的是了解天体物质的起源和演化。行星地质和化学从跨越天体的角度研究地质过程和地球化学的本质,为探索地球的起源和演化,尤其是地球早期演化、生命起源等重大科学问题提供了独特的视角。     

煤地质学研究进展与前沿

煤地质学是以煤的形成、组成、煤系伴生矿产、煤层瓦斯和煤层气为主要研究内容的地质学分支。近年来随着我国和世界对煤炭资源安全开采、洁净利用的要求逐渐提高,煤及煤层气资源的勘探与开发,煤地质学的研究重点也在逐渐发生变化。通过分析2011-2015年《国际煤地质学》杂志发表的717篇学术论文,总结了近期煤地质学最新的研究热点与前沿。研究发现:煤层气资源评价以及与煤层气开发关系最为紧密的煤储层物性研究是各国煤地质科技工作者最为关注的热点;煤中的矿物质和元素地球化学一直为人们所重视;与煤的形成、开采和利用相关的煤岩学及有机地球化学,煤的自燃、燃烧与环境,沉积环境与煤炭演化,地理信息系统与矿区环境监测,矿井瓦斯,矿井构造,矿井水和煤的热解等方面的研究一直在持续开展;页岩气资源评价与开发越来越受到人们重视。      

塔里木克拉通东北缘二叠纪镁铁质岩浆氧化物与硫化物成矿条件对比

塔里木克拉通东北缘坡北、磁海等地二叠纪幔源岩浆活动形成了镍钴硫化物矿床和铁钴氧化物矿床，两者赋矿镁铁 超镁铁岩体的年龄相近(290~260 Ma)，主、微量元素和Sr Nd Hf同位素组成相似，分配系数接近的微量元素比值分布于相同趋势线，揭示两者岩浆源区相同，可能为俯冲板片流体交代的亏损地幔或软流圈地幔。两类矿床镁铁 超镁铁质岩中Co与Ni含量正相关，Co主要富集在基性程度高的岩石中；块状硫化物与磁铁矿矿石中Co与Ni相关性差，Co和Ni具有不同的富集机制，Co热液富集作用明显。北山镁铁 超镁铁杂岩体是地幔柱相关软流圈上涌，诱发俯冲板片交代的亏损岩石圈地幔发生部分熔融，形成的高镁母岩浆演化过程中经历壳源混染、硫化物饱和富集镍钴形成铜镍钴硫化物矿床，富铁母岩浆氧逸度高、富水，岩浆分离结晶磁铁矿、叠加热液作用富集钴，形成铁钴氧化物矿床。     

中国地质科学的光辉成就

本文主要从区域地质与基础地质、矿床地质、水文地质与工程地质、矿产综合评价与综合利用、岩矿测试技术与方法、地质科技情报与图书工作6个方面较系统地论述了建国40年来我国地质科学的光辉成就;各类地质专业研究机构由解放前屈指可数的几个发展到今天的100多个,从事地质科学技术研究的专业研究人员已达约2万人,建立了一支专业学科比较齐全、能够联合攻关、独立作战的地质科技队伍,取得各类地质科技成果8000多项,其中获得国家级成果奖750多项、省和部级成果奖2500多项。为我国经济建设和地质找矿作出了重要贡献,为推动我国地质科学技木进步建树了历史性的功绩。     

月球探测与人类社会的可持续发展

1959年至1976年的18年是人类第一次月球探测高潮，美国和前苏联共成功发射了45个月球探测器，获取了382kg的月球岩石和月壤样品，这些探测资料和月球样品的系统分析与研究，大大促进了人类对月球、地球和太阳系的认识，并带动了一系列基础科学的创新，促进了一系列应用科学的发展。通过从1976年至1994年近18年浩如烟海的月球探测数据和资料的消化、分析与综合研究后，1994年Clementine环月探测器的发射，标志新的一轮探月高潮的开始。当前，国际探月活动刚进入重返月球、逐步建设月球基地的阶段，而逐步开发利用月球矿产资源、能源和特殊环境，建设月球基地，为人类社会的可持续发展服务，已成为新世纪月球探测的总体目标。本在系统分析已有的探测与研究资料基础上，论述了开发利用月球上具有的巨大能源库、丰富的矿产资源和独特的环境资源将对人类社会可持续发展所具有的深远意义。     

Laboratory technique for quantitative thermal emissivity measurements of geological samples

Thermal infrared spectroscopy is a powerful technique for the compositional analysis of geological materials. The spectral feature in the mid-IR region is diagnostic of the mineralogy and spectral signatures of mixtures of minerals that add linearly, and therefore, can be used as an important tool to determine the mineralogy of rocks in the laboratory and remotely for planetary exploration. The greatest challenge in the emission measurement lies in the measurement of the weak thermal photons emitted from geological materials in a laboratory setup, and accurately records the temperature of the rock sample. The present work pertains to the details of a new Thermal Emission Spectrometer (TES) laboratory that has been developed under the ISRO Planetary Science and Exploration (PLANEX) programme, for emission related mineralogical investigations of planetary surfaces. The focus of the paper is on the acquisition and calibration technique for obtaining emissivity, and the deconvolution procedure to obtain the modal abundances of the thermal emission spectra in the range of 6–25 μm using Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy. The basic technique is adopted from the work of Ruff et al (1997). This laboratory at the Department of Earth Sciences, IIT-Bombay is currently developing pure end mineral library of mineral particulates (<65 μm), and adding new end members to the existing ASU spectral library. The paper argues the need for considering Lunar Orbiter Thermal Emission Spectrometer (LOTES) for future Indian Moon mission programme (Chandrayan-II) to determine evidences of varied lithologies on the lunar surface.     

Accretion of Moon and Earth and the emergence of life.

The discrepancy between the impact records on the Earth and Moon in the time period, 4.0-3.5 Ga calls for a re-evaluation of the cause and localization of the late lunar bombardment. As one possible explanation, we propose that the time coverage in the ancient rock record is sufficiently fragmentary, so that the effects of giant, sterilizing impacts throughout the inner solar system, caused by marauding asteroids, could have escaped detection in terrestrial and Martian records. Alternatively, the lunar impact record may reflect collisions of the receding Moon with a series of small, original satellites of the Earth and their debris in the time period about 4.0-3.5 Ga. The effects on Earth of such encounters could have been comparatively small. The location of these tellurian moonlets has been estimated to have been in the region around 40 Earth radii. Calculations presented here, indicate that this is the region that the Moon would traverse at 4.0-3.5 Ga, when the heavy and declining lunar bombardment took place. The ultimate time limit for the emergence of life on Earth is determined by the effects of planetary accretion--existing models offer a variety of scenarios, ranging from low average surface temperature at slow accretion of the mantle, to complete melting of the planet followed by protracted cooling. The choice of accretion model affects the habitability of the planet by dictating the early evolution of the atmosphere and hydrosphere. Further exploration of the sedimentary record on Earth and Mars, and of the chemical composition of impact-generated ejecta on the Moon, may determine the choice between the different interpretations of the late lunar bombardment and cast additional light on the time and conditions for the emergence of life.     

矿业跨越式发展中的几个问题

进入21世纪，在矿业跨越式发展中，地学发展与地矿工作本身、地勘工作与环保工作、21世纪地矿人才的培养以及在建设循环型经济社会中促进资源有效利用等方面都为地学哲学工作者提出了新的课题.而以自律强化他律则是解决众多问题的关键。     

论地质信息科学

地质信息科学是关于地质信息本质特征及其运动规律和应用方法的一个综合性学科领域.其发生和发展,是地球信息科学与地质科学相结合的产物,内部条件是地质学定量化和地矿勘查信息化的自身需要,外部条件是计算机科学和地球空间信息科学兴起和发展的促进.其研究对象是岩石圈的地质信息,其理论框架的核心是地质信息机理,包括地质信息的本质、运动规律、传输机制和信息流的形成机理等.其方法论体系包含着主题信息管理法、信息分析综合法、行为功能模拟法和系统整体优化法.其技术体系由地质数据采集、地质数据管理、地质数据处理、地质图件编绘、地质过程模拟、地质资源评价、地质信息传播及其多S集成化技术所组成.     

面向21世纪的萧山国土资源调查工作

阐述了萧山地区地质演化简史和国土资源优势,分析了面临的历史性任务,提出了应该进行的基础地质、矿产地质、第四纪地质、工程地质、外营力地质灾害、地震地质、环境地质、旅游地质、农业地质和地球信息科学研究等１２ 个方面的工作,论述了旅游、环境和土壤地质研究的有关具体方法。     

SMART-1 after lunar capture: First results and perspectives

SMART-1 is a technology demonstration mission for deep space solar electrical propulsion and technologies for the future. SMART-1 is Europe’s first lunar mission and will contribute to developing an international program of lunar exploration. The spacecraft was launched on 27th September 2003, as an auxiliary passenger to GTO on Ariane 5, to reach the Moon after a 15-month cruise, with lunar capture on 15th November 2004, just a week before the International Lunar Conference in Udaipur. SMART-1 carries seven experiments, including three remote sensing instruments used during the mission’s nominal six months and one year extension in lunar science orbit. These instruments will contribute to key planetary scientific questions, related to theories of lunar origin and evolution, the global and local crustal composition, the search for cold traps at the lunar poles and the mapping of potential lunar resources