中国实验地球科学研究进展与展望(2011-2020)

过去十年,我国的实验地球科学快速发展,已成为国际高温高压实验领域的一支重要研究力量.代表性研究进展主要体现在地球深部重要挥发分的赋存与效应、成矿过程和机制、壳幔物质的物理化学性质和相互作用等方面.本文综述了实验地球科学2011-2020年间取得的主要研究进展和平台与技术建设情况,并展望了该领域未来的发展方向.     

实验地球科学的前沿与发展战略

实验地球科学是利用实验装置和技术模拟地球内部的高温高压条件,开展地球内部物质的物理和化学属性与地球内部过程研究. 我国的实验地球科学在过去10年得到了快速发展,已成为国际高温高压实验领域的一支重要研究力量. 主要介绍了实验地球科学的定义与战略价值,简述了我国实验地球科学的发展现状与薄弱环节,提出了未来学科发展的思路和重要举措,并展望了学科未来的优先发展方向.      

实验矿物物理的发展现状与趋势:1.相变和状态方程、电导率、热导率

实验矿物物理是高温高压实验地球科学的重要分支学科之一,它主要是通过高温高压实验模拟地球内部的物理化学环境,并原位测定地球深部物质（矿物、岩石和熔/流体等）的相变和状态方程、电导率、热导率等物理参数,探讨地球内部的圈层结构、物质组成、地球动力学过程等地球物理性质相关的一系列重要科学问题. 综述了实验矿物物理的发展历史、近二十年的研究现状与趋势,并展望了该学科未来发展的方向、关键科学问题与面临的主要挑战.      

D-DIA装置与同步辐射源结合技术及其在矿物高温高压变形实验中的应用

高温高压变形实验是研究地球深部组成矿物流变学性质的重要技术手段之一.D-DIA(deformation-DIA)装置是最近10年来兴起的一种新的高温高压变形实验设备,通常可实现的最高压力为15 GPa和温度约为2 000 K;而同步辐射X射线衍射已经广泛地应用到物质结构科学的研究中,二者相结合,能够有效原位地研究材料物质在高温高压下的流变学性质.以美国布鲁克海文国家实验室配合有同步辐射源的D-DIA装置为例,介绍该装置的基本结构、工作原理及D-DIA装置与X射线结合技术如何实现矿物高温高压下变形过程的原位观测及相关定量力学数据的获取.这一技术突破了传统流变仪的压力局限,为在更高压力(P＞4 GPa)条件下研究地球深部组成物质的高温高压流变学性质提供了有效途径.      

高温高压装置研制和技术创新的发展现状与趋势

现代化的高温高压实验装置与表征技术是研究地球深部物质的赋存状态、属性及效应的关键手段. 近20年,国内很多科研单位先后建立了高水平高温高压实验平台,具有覆盖地表至地心温压环境的各类装置以及多种可进行原位/非原位观测的技术,在高压矿物物理、实验岩石学和地球化学等领域取得重要进展. 装置和技术的创新发展是当前我国“三深一系统（深地深海深空、地球系统科学）”科技战略领域中基础理论创新的驱动力之一.简要综述了高温高压装置研制、技术发展和面临的主要挑战,在此基础上展望了未来的发展方向.      

实验矿物物理的发展现状与趋势:2.弹性和波速

弹性性质和波速是矿物重要物理性质. 实验测量的弹性性质和波速与地震学观测结果的对比,是确定地球内部物质组成、理解地球内部圈层结构形成机制和揭示地球内部物质分布不均一性最为直接和重要的手段. 在过去20年,伴随大腔体压机、金刚石压砧、同步辐射X光、激光加热等技术的快速发展,在地球内部相应温度和压力下测量主要构成矿物的弹性性质和波速取得了巨大进展. 综述了矿物物理在地球内部矿物弹性性质和波速实验测量的发展历史、近20年的研究现状与趋势,并展望了该学科未来发展的方向、关键科学问题与面临的主要挑战.      

透射电子显微镜技术新进展及其在地球和行星科学研究中的应用

近年来,各种微束分析技术的快速发展及其在地球和行星科学领域的广泛应用,极大地推动了纳米地球科学和行星科学的学科发展和科学研究.透射电子显微镜（简称透射电镜）因具有空间分辨率高和综合分析能力强等优点,在地球与行星物质的微纳尺度到原子水平的形貌、晶体结构、矿物相鉴定、化学成分、原子成像和微磁结构等研究中发挥着巨大作用.在简要回顾透射电镜的发展历程、物理结构和工作原理的基础上,结合本实验室过去几年的工作内容,重点介绍了透射电镜的基本功能、样品制备方法及其在地球和行星科学研究中的应用范例.通过与其他微束分析技术的简单对比,还初步分析了透射电镜在地球与行星科学研究领域的应用现状和未来趋势.      

中国地球动力学研究的方向和任务

地球动力学是研究和探索地球内部物质在力源作用下,呈大尺度的运动行为及其在整体运动中物质与能量的交换、深部圈层耦合、介质与结构变异的物理-力学属性、深层过程和动力机制的一门边缘科学。地球动力学集成了当代众多相关学科和学科交叉领域的高、新学科研究成果,它涉及到成山、成盆、成岩、成矿、成灾和深化对地球本体的认识,它在地球科学研究中占有极为重要的地位。本文通过深入研究、综合集成与剖析讨论了该领域四个重要的基本科学问题,即:(1)地球动力学在地球科学研究中的地位和作用;(2)地球动力学研究的趋势和导向;(3)中国地球动力学研究的方向和任务;(4)地球内部物质运移的力源机制和综合研究。     

地球物质科学——一个新的综合性边缘学科

介绍了作为又一个前沿领域的“地球物质科学” 的学科特点， 详细阐述了地球物质科学的主要研究内容及其研究的技术路线， 说明了地球物质科学的发展现状及前景。     

大陆岩石圈流变动力学研究进展

综述了近年来宏观尺度上大陆岩石圈在流变结构、运动学和动力学研究方面的进展 ,简要介绍了INDEPTH ,KTB等科学工程的最新成果。固体地球科学的发展趋势表明 :查明岩石圈的物质组成和岩石圈的热结构是建立岩石圈流变结构模型的基础 ,高分辨率地球物理方法、大陆科学深钻和岩石学探针是研究岩石圈流变结构的重要途径 ;大地测量是研究岩石圈运动学的主要手段 ;定量计算岩石圈的流变学参数和模拟动力学演化过程是动力学研究的基本内容。     

Paterson高温高压流变仪及其在岩石流变学的应用

地球作为一个动态体系,其内部岩石在各种物理化学条件下变形,形成各种地质构造.在过去的几十年里,得益于相关测试分析手段的不断发展,地球材料的流变学研究取得了许多实验突破,加深了人类对地壳和上地幔岩石变形行为的理解.本文对实验岩石变形装置的技术发展做了扼要的回顾,重点介绍了Paterson高温高压流变仪(HPT).HPT是...     

"构造研究进展与趋势"专辑特邀主编寄语

构造研究是地球系统科学研究中最具有交叉学科性质的领域,是长期经久不衰的学科,尤其涉及到解决对人类社会至关重要的问题时凸显它的重要性,如青藏高原形成演化过程对资源能源、地表作用及其环境气候与灾害的影响,以及地震活动对人类社会的冲击等等。地质学家们经过长期的持续研究,在地质学、地球物理学方面,包括岩石圈流变学、实验岩石学和青藏高原构造变形等方面取得了一系列重大成果与重要认识。《地球学报》集中在2019年第1期刊发16篇文章作为"构造研究进展与趋势"专辑,专辑涵盖了四个方向的研究成果:(1)大陆岩石圈流变学;(2)青藏高原形成与构造过程;(3)断裂作用与地震活动;(4)地区构造样式与效应等。这些工作主要涉及目前大陆岩石圈流变学的发展现状与前景、青藏高原形成演化和帕米尔及喀喇昆仑断裂带等重要构造带的研究进展,以及目前人们关注的与地震活动相关的断裂活动、岩石记录和物理化学性质变化等方面的研究,包括8篇综述性文章和8篇研究性成果。本文将从这4个研究方向简要介绍收入本专辑论文的研究工作,呈现构造研究成果与趋势,为深入研究和认识地球系统科学提供重要的基础。     

实验地球化学的发展历史和研究展望

实验地球化学主要通过高温高压实验模拟,对元素和同位素在地球内部条件下的行为、性质和效应进行研究,从而对成岩成矿、岩浆演化、流体交代、壳?幔?核分异等地质现象和过程进行制约. 实验地球化学的最初诞生,主要是针对传统地球化学、岩石学和矿床学研究中遇到的难以解决问题进行正演辅助. 实验地球化学的发展,与高温高压实验设备和现代分析技术的成熟和完善密切相关. 近半个世纪以来,实验地球化学的不断成长壮大,极大促进了传统地球化学乃至整个地球科学相关领域的发展. 在未来的10到20年内,实验地球化学有望在以下3个方面进一步加强和取得重要科研成果:（1）深部地球和早期地球;（2）挥发分和地球宜居性;（3）行星形成演化实验模拟.      

深部岩石力学性质及其在大陆构造变形过程研究中的作用

在阐述了与深部岩石力学性质相关的岩石流变学基本模型的基础上,探讨了深部岩石力学性质对温度、压力和岩石化学组分等因素的依赖关系。根据目前对深部岩石力学性质的认识,讨论了岩石流变学在研究大陆构造变形过程中所起的重要作用。有关研究结果表明:在运用理论分析和数值模拟方法揭示大陆岩石圈中变形的动力学机制时,合理的选用深部岩石的流变学模型是必须考虑的一个重要因素。     

Review of Earth Critical Zone Research

Since the Earth Critical Zone put forward by National Research Council of America in 2001, it has got a lot of attention and some significant progresses have been made. This paper summarized those Earth Critical Zone projects and related research plans organized and implemented by the United States of America, Germany, Australia, France, China and the European Union, as well as main scientific problems and future development direction in the study of Earth Critical Zone. According to research status of China, the four main research contents should be strengthened including structure, formation and evolution mechanism of Earth Critical Zone, the coulpling interaction mechanism between migration and transformation of material and multi-processes, sevice function and evolution features of Earth Critical Zone and its support and effect on sustainable development, model simulation of process and system of Earth Critical Zone. In addition, our country should actively conduct cooperation and communication with the advanced countries, and enhance our involvement in international key research plans.     

“地球系统探测新原理与新技术”优先领域与地球系统科学

地球系统科学是研究组成地球系统的子系统之间相互联系、相互作用的机制，研究地球整体结构、特征、功能和行为，研究地球系统变化的规律和控制这些变化机理的科学。对地观测、探测与分析技术的发展是地球科学创新思维来源的技术保障，同时对地球科学基础理论研究水平的提高起着重要的作用。21世纪地球科学的发展将更加重视发展地球系统科学的理论、方法与技术体系。“地球系统观测、探测新原理与新技术”被列入国家自然科学基金委员会地球科学部“十五”优先资助领域。回顾“十五”期间的资助情况，探讨该领域和地球系统科学的关系，将有利于“十一五”对该领域资助工作的调整与完善。     

流变学:构造地质学和地球动力学的支柱学科

地球是一动态系统,其各层圈的构造运动归根到底就是多矿物复合岩石在各种物理条件(例如,温度、围压、差应力、应变速率、应变方式等)下和化学环境(例如,氧逸度和水含量)中的形变。流变学作为研究岩石力学性质和变形行为的科学,现已成为地球动力学和构造地质学的支柱学科。本文对国际上近年来岩石流变学的最新进展做些扼要的介绍,呼吁中国固体地学界加强流变学的研究,做出经得起时间淘洗、实践检验的原创性成果来,使中国的构造地质学研究迈进国际先进的行列。     

超高压高低温钻井液流变仪的研究现状及应用前景

分析了新钻探形势下对钻井液流变性测试仪器的技术要求,介绍了当前主流进口高温高压流变仪的研发及应用现状,介绍了由我国自主研发的超高压高低温钻井液流变仪Explore 97的研究进展、主要功能、技术优势和应用领域,并与Fann iX77型流变仪进行了技术对比。