中国物理海洋学研究70年:发展历程、学术成就概览

本文概略评述新中国成立70年来物理海洋学各分支研究领域的发展历程和若干学术成就。中国物理海洋学研究起步于海浪、潮汐、近海环流与水团，以及以风暴潮为主的海洋气象灾害的研究。随着国力的增强，研究领域不断拓展，涌现了大量具有广泛影响力的研究成果，其中包括:提出了被国际广泛采用的“普遍风浪谱”和“涌浪谱”，发展了第三代海浪数值模式；提出了“准调和分析方法”和“潮汐潮流永久预报”等潮汐潮流的分析和预报方法；发现并命名了“棉兰老潜流”，揭示了东海黑潮的多核结构及其多尺度变异机理等，系统描述了太平洋西边界流系；提出了印度尼西亚贯穿流的南海分支(或称南海贯穿流)；不断完善了中国近海陆架环流系统，在南海环流、黑潮及其分支、台湾暖流、闽浙沿岸流、黄海冷水团环流、黄海暖流、渤海环流，以及陆架波方面均取得了深刻的认识；从大气桥和海洋桥两个方面对太平洋–印度洋–大西洋洋际相互作用进行了系统的总结；发展了浅海水团的研究方法，基本摸清了中国近海水团的分布和消长特征与机制，在大洋和极地水团分布及运动研究方面也做出了重要贡献；阐明了南海中尺度涡的宏观特征和生成机制，揭示了中尺度涡的三维结构，定量评估了其全球物质与能量输运能力；基本摸清了中国近海海洋锋的空间分布和季节变化特征，提出了地形、正压不稳定和斜压不稳定等锋面动力学机制；构建了“南海内波潜标观测网”，实现了对内波生成–演变–消亡全过程机理的系统认识；发展了湍流的剪切不稳定理论，提出了海流“边缘不稳定”的概念，开发了海洋湍流模式，提出了湍流混合参数化的新方法等；在海洋内部混合机制和能量来源方面取得了新的认识，并阐述了混合对海洋深层环流、营养物质输运等过程的影响；研发了全球浪–潮–流耦合模式，推出一系列海洋与气候模式；发展了可同化主要海洋观测数据的海洋数据同化系统和用于ENSO预报的耦合同化系统；建立了达到国际水准的非地转(水槽/水池)和地转(旋转平台)物理模 型实验平台；发展了ENSO预报的误差分析方法，建立了海洋和气候系统年代际变化的理论体系，揭示了中深层海洋对全球气候变化的响应；初步建成了中国近海海洋观测网；持续开展南北极调查研究；建立了台风、风暴潮、巨浪和海啸的业务化预报系统，为中国气象减灾提供保障；突破了国外的海洋技术封锁，研发了万米水深的深水水听器和海洋光学特性系列测量仪器；建立了溢油、危险化学品漂移扩散等预测模型，为伴随海洋资源开发所带来的风险事故的应急处理和预警预报提供科学支撑。文中引用的大量学术成果文献(每位第一作者优选不超过3篇)显示，经过70年的发展，中国物理海洋学研究培养了一支实力雄厚的科研队伍，这是最宝贵的成果。这支队伍必将成为中国物理海洋学研究攀登新高峰的主力军。     

西藏甲玛铜多金属矿床磁黄铁矿标型矿物学特征及其地质意义

甲玛矿床位于冈底斯成矿带东段,是西藏地区最大的铜多金属矿床之一。磁黄铁矿是甲玛矿床最常见的金属矿物之一,其标型特征不仅反映其自身形成环境,对其形成机制和矿床成因也具有指示意义。文章选取产于不同岩性中的磁黄铁矿矿石样品,利用矿相学、X射线衍射和电子探针分析等手段对磁黄铁矿的形态、成分和结构进行了分析研究。研究表明,甲玛矿床的磁黄铁矿主要分布在距离岩体中心较远的矿区远端矽卡岩和角岩中。磁黄铁矿的晶胞参数和粉晶X射线衍射曲线显示矽卡岩中的磁黄铁矿主要为高温六方磁黄铁矿,角岩中的磁黄铁矿为高温六方磁黄铁矿和低温单斜磁黄铁矿的交生体,但主要以低温单斜磁黄铁矿为主。通过对矽卡岩和角岩中的磁黄铁矿进行电子探针测试,结果显示:矽卡岩中的磁黄铁矿中w(Fe)为60.09%～60.71%,平均为60.38%,w(S)为38.18%～38.69%,平均38.35%,化学分子式为Fe_8S_9～Fe_(10)S_(11);角岩中的磁黄铁矿中w(Fe)为59.05%～59.57%,平均为59.10%,w(S)为39.28%～39.95%,平均39.59%,化学分子式为Fe_5S_6～Fe_7S_8。根据以上矿物学特征,笔者进一步探讨了该矿床磁黄铁矿的沉淀机制:炽热的岩浆热液上涌,与碳酸盐岩地层和碎屑岩地层接触发生相互作用,并有大气水的加入,使得成矿流体在角岩中先快速降温,形成高温六方磁黄铁矿和低温单斜磁黄铁矿的交生体。同时,大量的含矿热液形成,并充填于有利的成矿空间(主要为层间破碎带)沉淀成矿,形成矽卡岩矿体,然后流体在矽卡岩矿段中经历缓慢降温,形成高温六方磁黄铁矿。结合矿床地质特征和相关元素地球化学特征,认为甲玛矿床类型为斑岩-矽卡岩型。     

南秦岭早古生代玄武岩的岩浆源区及演化过程

南秦岭地区早古生代玄武岩中发育的大量单斜辉石斑晶为研究火山岩的深部演化过程及源区属性提供了重要的载体。本文通过对早古生代玄武岩及其中的单斜辉石斑晶进行矿物学、岩石学及地球化学分析,讨论火山岩的演化历程及源区属性。电子探针分析结果表明玄武岩中单斜辉石斑晶属于透辉石,其成分与全岩成分并不平衡,暗示岩石经历了单斜辉石的堆晶作用。通过质量平衡计算得到了与单斜辉石斑晶平衡的熔体并计算了单斜辉石结晶的温压条件,结果显示单斜辉石斑晶结晶压力为7.6～14.0kbar,温度为1201～1268℃。高压下的分离结晶作用导致了单斜辉石成为主要的结晶相。重建后的玄武岩具有高镁、高钙、富钛,富集高场强元素Nb、Ta,亏损Rb、K、Sr和P,Dy/Yb比值高的地球化学特征,指示其源区为含单斜辉石、磷灰石及石榴石的交代岩石圈地幔。同地区发现的玄武质角砾也具高镁及高钙的特征,其富集Ba、Nb、Ta、Ti及低Dy/Yb比值表明源区为含单斜辉石、角闪石及尖晶石的交代岩石圈地幔。     

卡里马塔海峡水体交换的季节变化

Four trawl-resistant bottom mounts, with acoustic Doppler current profilers(ADCPs) embedded, were deployed in the Karimata Strait from November 2008 to June 2015 as part of the South China Sea-Indonesian Seas Transport/Exchange and Impact on Seasonal Fish Migration(SITE) Program, to estimate the volume and property transport between the South China Sea and Indonesian seas via the strait. The observed current data reveal that the volume transport through the Karimata Strait exhibits significant seasonal variation. The winteraveraged(from December to February) transport is –1.99 Sv(1 Sv=1×10~6 m~3/s), while in the boreal summer(from June to August), the average transport is 0.69 Sv. Moreover, the average transport from January 2009 to December2014 is –0.74 Sv(the positive/negative value indicates northward/southward transport). May and September are the transition period. In May, the currents in the Karimata Strait turn northward, consistent with the local monsoon. In September, the southeasterly trade wind is still present over the strait, driving surface water northward, whereas the bottom flow reverses direction, possibly because of the pressure gradient across the strait from north to south.     

毕节地区6月份降水特征及典型异常年大气环流分析

利用毕节市1980—2016年月降水资料,分析毕节6月降水特征、周期性、降水与环流指数的相关性以及异常年份大气环流特征,得出结果:近37a中毕节6月降水量出现8次异常,其中6月降水在1993年和2003年出现两次降水突变,小波分析发现降水序列存在2—3a,6—7a的周期变化,在2002年左右振荡幅度最为明显;降水异常年西太副高特征指数的副高北界指数及副高脊线指数和降水有显著相关性,其余特征指数相关性差;降水偏多年南亚高压位置偏西,500hPa上高纬地区冷空气较强,经向环流明显,有利于南北空气交汇,在贵州西北部多切变辐合;降水偏少年南亚高压位置偏东,强度强,经向环流弱,副热带高压较平均场偏弱明显。     

泾阳县地质灾害时空分布规律与形成条件研究

泾阳县位于关中平原腹地泾河下游,渭北中部。区内总体地势为西北高,东南低,该县面积792km2,有地质灾害点93处,地质灾害隐患点60处。地质灾害在降雨、地质构造、人类工程活动等外力作用下,有增强趋势。本文分析了该县地质灾害的类型、规模、发育特征、分布特征及形成条件。结果可知:受地形地貌、地质构造、地层和岩土体结构、大气降雨、地表水和地下水、地震、人类工程活动等因素的影响,该县地质灾害类型主要为小型滑坡、崩塌、泥石流和地面沉降及地裂缝,地质灾害的类型和时间-空间分布规律存在显著的地域性特点。     

ScCO2-H2O作用下不同煤级煤化学结构变化的实验研究

超临界二氧化碳（ScCO₂）–H₂O–煤地球化学反应可造成煤物理结构和化学结构的改变,对煤层注CO₂增采甲烷的有效性尤为关键。为了探讨ScCO₂-H₂O-煤反应对不同变质程度煤化学结构的影响,选择3个不同煤化程度煤样,在自主研制的ScCO₂-H₂O-煤地球化学反应模拟实验装置中模拟1000m埋深条件下煤样与ScCO₂和去离子水反应240h,并对反应前后的煤样分别进行了X射线衍射和拉曼光谱实验,对比分析了反应前后煤样晶体结构和碳有序度的变化特征。测试结果表明:ScCO₂-H₂O反应破坏了煤的晶体完整性和碳有序度,改变了煤的大分子结构,且对低阶煤和中–高阶煤具有不同的影响,反应提高了低阶煤的平行定向程度,使其结构更加紧凑,减小了面网间距,而使中–高阶煤中无序单元增加,面网间距增大。该研究结果为CO₂-ECBM项目实施中ScCO₂-H₂O作用对煤储层吸附解吸特征和孔渗特征影响的研究奠定了微观尺度基础。      

沁水盆地南部中高阶煤高压甲烷吸附行为

煤层气吸附作用是发生在煤基质内表面的物理过程,而煤岩复杂孔裂隙网络为高压甲烷吸附提供了丰富的空间。开展沁水盆地南部高阶煤30℃高压甲烷等温吸附实验,结合煤岩煤质参数与孔隙特征参数,通过改进的D-R模型分析了煤岩性质、孔隙特征与吸附参数的相关性。煤岩性质对最大吸附能力和吸附热参数的影响是多因素叠加的综合效应,而最大吸附能力与微孔体积,吸附体积校正参数与大中孔比表面积呈较好的正相关性,表明甲烷分子在煤基质内表面会根据孔径尺度大小呈现不同的吸附方式。据此提出高压甲烷在煤基质微孔中呈紧密堆积状态而在大中孔中呈多层分子堆叠状态的新认识,为进一步研究煤层气吸附机理提供了新的思路。      

江南钨矿带桂林郑富钼白钨矿稀土元素的富集机制及其地质意义

桂林郑钼钨多金属矿床位于江南钨矿带北部,其矿石矿物以富钼白钨矿为主。研究显示,该矿床富钼白钨矿中富集稀土元素。为探究其富集机制,文章对不同世代的富钼白钨矿进行原位LA-ICP-MS微量分析和面扫描分析。结果显示,富钼白钨矿的总稀土元素含量（∑REE）在28.59×10^-6~4863.82×10^-6之间,均值为789.21×10^-6（n=122）,从第一世代（Sch-Ⅰ）28.59×10^-6~1059.18×10^-6（平均值为203.19×10^-6,n=55）→第二世代（Sch-Ⅱ）533.54×10^-6~2536.51×10^-6（平均值=928.79×10^-6,n=30）→第三世代（Sch-Ⅲ）117.21×10^-6~4863.82×10^-6（平均值=1547.13×10^-6;n=37）逐渐增高。从Sch-Ⅰ→Sch-Ⅱ→Sch-Ⅲ,轻重稀土元素比值（LREE/HREE）13.99~143.90（平均值=53.53）→22.38~70.08（平均值=33.74）→7.44~69.86（平均值=27.54）逐渐降低。桂林郑富钼白钨矿形成于高氧逸度、富F的岩浆热液系统,REE主要以Ca²⁺+Mo⁶⁺=REE³⁺+(1-x) Mo⁵⁺+xNb⁵⁺(0≤x≤1）为主导方式进入富钼白钨矿中。成矿流体中Cl降低、F增高、氧逸度降低等是REE进入富钼白钨矿的有利条件。通过对江南钨矿带代表性矽卡岩型矿床综合对比分析显示,富钼白钨矿床相比贫钼白钨矿床具有更高的REE,说明桂林郑矿床富钼白钨矿在后续开采中具有稀土元素的综合利用前景。     

西藏甲玛矿床磁黄铁矿微量元素特征及其与金富集沉淀的耦合机制

【研究目的】甲玛矿床是西藏冈底斯成矿带最重要的斑岩成矿系统之一,具有斑岩、矽卡岩、角岩、脉状金矿四位一体矿体结构,形成了丰富的矿物种类和多样的金属矿化。其中,磁黄铁矿作为重要的金属矿物之一,其矿物地球化学特征以及与金矿化的耦合关系一直不明确。【研究方法】此次,以甲玛斑岩成矿系统外围和远端的不同产状的磁黄铁矿为研究对象,基于详细的野外地质调查和镜下鉴定,通过激光剥蚀电感耦合等离子质谱分析方法（LAICP-MS）对不同产状的磁黄铁矿开展测点分析和扫描分析,详细揭示其地球化学特征。【研究结果】结果显示,甲玛矿床磁黄铁矿主要富集Co、Ni、Cu、Zn、Ge、Se,弱富集Pb、Bi、Sb、Te、Ag、As,而Mo、Cd、In、Sn、Ba、W、Au、Tl、Th、U等元素含量较低。其中,矽卡岩中的磁黄铁矿具有较高的Co/Ni比值,能有效揭示其岩浆热液成因,而角岩中磁黄铁矿可能继承了一定的沉积特征。【结论】甲玛矿区磁黄铁矿的Cu、Zn、Pb含量变化特征与矿床空间矿化规律一致。矽卡岩中的块状磁黄铁矿与金矿化关系密切,金主要呈他形、不规则的独立金矿物产于磁黄铁矿的孔隙和粒间。同时,金的富集和沉淀可能与富铋的熔体有关。创新点：磁黄铁矿是甲玛超大型斑岩成矿系统中典型的金属矿物之一,其微区原位分析清晰揭示其微量元素地球化学特征和矿物成因,同时,证实矽卡岩中磁黄铁矿的高品位金与成矿流体中的富铋熔体有关。