日本的综合大洋钻探计划(IODP)

对日本的IODP活动以及科学目标进行简要介绍。IODP核心技术支撑之一的立管钻探船“地球号”可在水深4 000 m的海底钻进7 000 m,钻达发震带和上地幔,实现日本的IODP科学目标。日本的IODP科学规划主要有三大科学主题和八项研究目标,三大科学主题包括地幔过程和地球系统演化,地壳作用过程和地球系统演化,俯冲带和地球系统演化过程中的动力学及物质循环。其八项研究目标为：①钻探西太平洋洋底高原,认识核—幔作用过程;②钻探太平洋白垩纪—新生代沉积物,详细研究地球温室期间的物质循环及从温室环境到冰室环境的转化过程;③钻探大洋岛弧,认识大陆地壳形成过程;④钻探扩张的弧后,认识洋壳岩石圈形成过程;⑤钻探亚洲边缘海及陆坡,认识陆壳—洋壳—大气圈关系;⑥调查增生楔中的碳循环及深部生物圈;⑦调查汇聚板块边缘大地震周期及形成机制、构造及物质循环;⑧研究生活于增生楔环境中极端微生物生物学。     

Thirty Years of the Seafloor CORK Borehole Observatories: Development,Applications and Future Perspective

In the past 50 years, we have witnessed remarkable progress in our understanding of the Earth and ocean system, as a result of the internationally integrated deep ocean drilling programs, the Deep Sea Drilling Program (DSDP), the Ocean Drilling Program (ODP), and the Integrated Ocean Drilling Program (IODP). One of the legacies of the deep ocean drilling programs is the development and applications of the CORK, Circulation Obviation Retrofit Kit. Earth and ocean sciences have been shifting from a traditional discontinuous, expeditionary mode toward a mode of sustained in situ observations today. The seafloor CORK observatories offer Earth, ocean and life scientists new opportunities to study multiple, interrelated deep marine subsurface processes, over time scales ranging from seconds to decades. Here, we first provided a concise examination of the development history of the CORKs, then described the first installations of ODP CORKs, the evolution of different models of CORK, and finally, summarized the scientific lessons learned in the installation and operation effort of the CORKs. In the end, we offered our perspectives on using CORKs to study geological, hydrogeological, microbiological, and biogeochemical processes in the deep marine subsurface biosphere, particularly pertaining to China’s efforts in establishing and enhancing its deep-sea and deep-biosphere research and monitoring programs.     

俯冲带形成机制的可检验假说和检验方案

五十年前板块构造理论的诞生是地球科学领域的一场革命,它为理解地球如何运作构建了基本框架。过去五十年对该理论的进一步研究告诉我们地质过程最终都是地球热损失的结果。例如,大洋岩石圈板块在洋中脊形成,其运动和增生以及最终通过俯冲带进入地幔导致地幔冷却降温,从而导致大规模的地幔对流。亦即,板块构造的直接驱动力是俯冲大洋岩石圈板块的下沉力。因此,没有俯冲带就没有板块构造,但是俯冲带如何开始仍然有争议。对俯冲起始的研究从未中断,有数值模拟也有地质推断。2014年在西太平洋用三个IODP航次(350、351和352)来检验“自发”和“诱发”俯冲开始的想法。所有这些努力都值得肯定,但这些是无法检验的想法。无法检验意味着没有结果。本文介绍至今唯一可用地质学方法检验的假说,亦即“岩石圈内横向物质组成差异导致的浮力差是俯冲带形成的起因”。这种浮力差位于海底高原的边部和被动大陆边缘,因此这些部位是未来俯冲带起始的必然轨迹。在远离这些部位的正常洋盆内因缺乏浮力差而俯冲带不可能起始。换句话说,“所有岛弧一定有大陆(或海底高原)基底”,这可以通过采集和研究岛弧基底岩石来验证。     

Towards the New Decade of Ocean Drilling: Preparing its Science Plan

At the IODP Forum 2017 in Shanghai, IODP-China proposed initiating the discussions on “IODP beyond 2023”, and the meeting supported China’s proposal to host and co-lead the activities for preparing the science plan of ocean drilling after 2023. The present paper started from an overview of the planning processes of ocean drilling science over the past decades, then analysed the scientific targets and perspectives of the future ocean drilling, and concluded with suggestions about how China should prepare the international discussions on “IODP beyond 2023”.Since half a century, the ocean drilling has played a role of locomotive in international Earth science community and of flagship in deep-sea research.China’s initiation and co-leadership in preparing its science plan for the next decade will promote the upgrading of Earth science in our country, yet the success of the endeavor heavily depends on active involvement of the scientific community , especially on its contribution with creative thinking.     

http://dx.doi.org/10.1016/j.gsf.2016.08.003

The primordial crust on the Earth formed from the crystallization of the surface magma ocean during the Hadean. However, geological surveys have found no evidence of rocks dating back to more than 4 Ga on the Earth's surface, suggesting the Hadean crust was lost due to some processes. We investigated the subduction of one of the possible candidates for the primordial crust, anorthosite and KREEP crust similar to the Moon, which is also considered to have formed from the crystallization of the magma ocean. Similar to the present Earth, the subduction of primordial crust by subduction erosion is expected to be an effective way of eliminating primordial crust from the surface. In this study, the subduction rate of the primordial crust via subduction channels is evaluated by numerical simulations. The subduction channels are located between the subducting slab and the mantle wedge and are comprised of primordial crust materials supplied mainly by subduction erosion. We have found that primordial anorthosite and KREEP crust of up to ～50 km thick at the Earth's surface was able to be conveyed to the deep mantle within 0.1-2 Gy by that mechanism.     

大洋钻探与西太平洋构造

菲律宾海的深海钻探证了弧间扩张和残留弧形模式。小笠原－马里亚纳弧前区的钻探表明，俯冲带初生时伴着海底扩张，形成了异常宽阔的火山活动带。有许多出上蛇绿岩形成于俯冲带初生时的海底扩张环境。日本海的钻探揭示了日本边缘盆地的打开和关闭，新近形成的日本海东缘板边界对华北地区的构造有重要制约作用，中国东海和南海占有独特的构造位置，布置大洋钻探意义重大。文章还强调了中国地质学家从全球地质学的观点研究问题（而不仅     

表生过程中铁的同位素地球化学

铁同位素地球化学已成为当前国际上地球化学领域的研究热点。表生过程涉及地球表层,包括大气圈、水圈、生物圈及岩石圈浅部,与人类生活密切相关,也是地球科学中的基本地质过程之一。本文对表生体系中的土壤、河流、海洋等主要储库的铁同位素组成特征及表生体系铁同位素分馏的基本过程进行总结。在此基础上,对表生过程中的风化作用、河流搬运作用、沉积作用、成岩作用及海洋铁的地球化学循环过程中铁的同位素地球化学行为进行介绍。表生过程中铁的同位素地球化学理论框架已经基本建立,并且显示出铁同位素是表生地球化学领域新的示踪工具。     

俯冲板片的脱碳机制及通量估算:问题与进展SCIEI北大核心CSCD

地球98%以上的碳赋存在地球深部地幔和地核中。地球深部储库(地幔和地核)中的碳以各类岩浆作用释放到地表,而地球表层系统(大气圈、水圈、生物圈)中的碳又可以伴随板块俯冲作用进入地球深部地幔。然而俯冲过程中不同的脱碳机制会将俯冲板片中部分乃至全部碳带出板片,而后经由岛弧岩浆作用、流体扩散作用等途径返回地表。因此,板片俯冲过程中的脱碳机制及其通量深刻地影响了地质时间尺度中地表系统的二氧化碳浓度,进而改变地球的宜居性。本文总结了目前主流观点认可的五种俯冲板片脱碳机制:变质反应脱碳、流体溶解脱碳、熔融脱碳、底辟脱碳和氧化还原脱碳。另一方面,目前对于俯冲板片各种脱碳机制对应的脱碳效率还有很大的争议,因此本文进一步梳理了板片俯冲过程中不同脱碳机制相关的通量估算的研究进展与存在的问题,建议将来综合多种方法对比研究俯冲带碳循环问题,以期在俯冲带深部碳循环过程和通量方面取得突破性进展。     

Early Precambrian Earth history: Plate and plume tectonics and extraterrestrial controls

The Hadean and Archean geologic history of the Earth is discussed in the context of available knowledge from different sources: space physics and comparative planetology; isotope geochronology; geology and petrology of Archean greenstone belts (GB) and tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) complexes; and geodynamic modeling review to analyse plate-tectonic, plume activity, and impact processes. Correlation between the age peaks of terrestrial Hadean-Early Archean zircons and late heavy bombardment events on the Moon, as well as the Hf isotope composition of zircons indicating their mostly mafic sources, hint to an important role of impact processes in the Earth’s history between 4.4 and 3.8 Ga. The earliest continental crust (TTG complexes) formed at 4.2 Ga (Acasta gneisses), while its large-scale recycling left imprint in Hf isotope signatures after 3.75 Ga. The associations and geochemistry of rocks suggest that Archean greenstone belts formed in settings of rifting, ocean floor spreading, subduction, and plume magmatism generally similar to the present respective processes. The Archean history differed in the greater extent of rocks derived from mantle plumes (komatiites and basalts), boninites, and adakites as well as in shorter subduction cycles recorded in alternation of typical calc-alkaline andesite-dacite-rhyolite and adakite series that were generated in a hotter mantle with more turbulent convection and unsteady subduction. The Archean is interpreted as a transient period of small plate tectonics.     

科学大洋钻探与全球气候变化研究

文章简要地回顾了科学大洋钻探的发展历程。深海钻探计划（ＤＳＤＰ）革命性地改变了地球科学家们对地球动力作用的认识。ＤＳＤＰ的后继者，即大洋钻探计划（ＯＤＰ）正在全球各大洋收集有关这些作用在几万至几十万年时间尺度上变化的高分辨率记录，并已在与全球气候有关的下述领域取得了重要进展：地质历史时期气候变化的幅度、速度及原因，按轨道调谐的新生代（１０Ｍａ前以来）地质年代表，高纬度地区冰盖形成及演化历史，造山运动与长期气候变化之间的相互关系，气体水合物与全球气候变化的相互制约关系。ＤＳＤＰ和ＯＤＰ的成就使地球科学家们相信，在全球年轻的大洋底实施钻探以取得连续的沉积记录和录井记录，是研究过去全球气候的长期、短期变化的有效而重要的手段，并将给未来全球变化的研究带来启示     

大陆俯冲带壳幔相互作用

由板块俯冲引发的深部物质循环过程是地球内部的一级运行机制,主宰了地球从内到外的演化进程,是地球科学研究的重要前沿.俯冲带化学地球动力学研究不仅需要确定俯冲带地壳物质再循环的机制和形式,而且需要确定俯冲带动力来源和热体制及其随时间的变化.为了识别不同类型壳源熔/流体对地幔楔的交代作用、寻求板片-地幔界面反应的岩石学和地球化学证据、理解汇聚板块边缘地壳俯冲和拆沉对地幔不均一性的贡献,我们必须将俯冲带变质作用、交代作用和岩浆作用作为一个地球科学系统来考虑.板块俯冲带变质过程中发生一系列物理化学变化,这些变化不但是导致板块进一步俯冲的主要驱动力,同时也控制着释放的熔/流体组成和俯冲到地球深部的物质组成,对俯冲带化学地球动力学过程产生重要影响.地幔楔作为俯冲系统中连接俯冲盘和仰冲盘的关键构造单元,在地球层圈之间物质循环和能量交换等方面起着重要作用.造山带地幔楔橄榄岩直接记录了俯冲带多种性质的熔/流体交代作用,以及复杂的壳幔物质循环过程.俯冲带岩浆岩是大洋/大陆板块俯冲物质再循环的表现形式,这些岩石样品记录了俯冲带从深部地幔到浅部地壳的过程,也为认识地球深部物质循环提供了理想的天然样品.尽管国际上在俯冲带岩石学和地球化学领域针对地球深部过程的研究方面取得了多项重要进展,但由于研究工作缺乏密切的协同配合,包括俯冲带熔/流体的物理化学性质、俯冲带壳幔相互作用的机制和过程、俯冲带幔源岩浆活动的物质来源和启动机制以及深部地幔过程对地表环境的影响等许多关键科学问题尚未得到根本解决.将来的研究需要聚焦俯冲带物质循环这一核心科学问题,进一步查明俯冲带变质作用、交代作用、岩浆作用等过程的各自特征和相互联系,包括挥发性组分在地球深部的迁移过程及其资源和环境效应,着力考察研究相对薄弱的古俯冲带,阐明板块俯冲与地球深部物质循环之间的耦合机制.      

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。     

发震带试验(SEIZE)

对发震带试验计划(SEIZE)以及南海（Nankai）海槽的发震带钻探计划（NanTroSEIZE）进行了综述。SEIZE作为大陆边缘计划(MARGINS)的重要研究内容和综合大洋钻探计划（IODP）的优先研究领域,重点对世界主要俯冲发震带进行研究。SEIZE的主要研究内容包括：①凸凹体的物理性质;②在地震周期里,应力、应变和孔隙流体成分随时间的变化;③在俯冲逆冲断层上,发震带上界和下界的确定;④引起海啸的发震带的特征;⑤大型逆冲带地震在物质转换过程中所起的作用。NanTroSEIZE将成为IODP第一个基于立管钻探的计划,也是科学大洋钻探历史上第一个分期实施的复合钻探计划;钻入发震带的复合钻探计划将最终验证关于发震带的各种假说。      

如何判定俯冲增生杂岩中的高度肢解的洋底高原-海山系统

巨型洋底高原或海山系统到达俯冲带发生俯冲以后会在俯冲过程中发生肢解,在增生杂岩带中形成面目全非的小型洋底高原-海山系统的断块或碎片,使得在增生杂岩带中识别古老洋底高原-海山系统变得十分困难.为此,本文提出了基于洋板块地层、岩石学和地球化学联合研究的新方法及其识别标志,重新审定增生杂岩中洋底高原或海山的成因.     

俯冲带流体作用的地球化学示踪

俯冲带流体包括俯冲带岩石脱水形成的水流体和熔融作用产生的熔体。俯冲带流体循环及伴随的化学作用是壳幔演化和物质交换的重要机制。岛弧火山岩地球化学研究可以示踪流体的性质、成分。造山带变质岩内高压脉是俯冲带流体活动的直接记录。通过高压脉及其主岩地球化学研究 ,可以示踪流体成分和来源。俯冲带水流体成分与流体释放深度有关 ,俯冲带深处 ( >5 0km)形成的水流体内溶质相当可观。水流体流动方式有大规模沟道式和小规模弥散式 ,与其相应的流体来源分别为外来的和内部的。俯冲带流体组分、流动方式、物质交换机制与俯冲带深度、热状态、物质结构的定量关系 ,以及矿物 /水流体间元素分配系数的高压实验可能将是俯冲带流体今后研究的重要课题。中国西天山高压变质带榴辉岩及蓝片岩中广泛发育高压脉 ,根据脉的矿物组合 ,高压脉可分成 4种类型。高压脉氧同位素研究表明 ,脉体与流体间氧同位素交换宏观与局部平衡 ,流体活动为大规模的 ;流体活动方式既有沟道式 ,又有渗透式 ;流体的δ18O值为 + 10 .8‰左右 ,流体来源于主岩经过海水低温蚀变的大洋玄武岩。西天山广泛发育的高压脉 (尤其是蓝片岩中的高压脉的发现目前在世界范围尚属首例 ) ,是研究古俯冲带流体作用良好的野外天然实验室。     

深部碳循环的环境气候效应SCIEI北大核心CSCD

地球表层温度主要由接收的太阳辐射能量及大气温室气体的保温能力共同控制。CO_(2)等温室气体通过对大气温度的调节影响着全球环境气候变化,工业革命以来全球CO_(2)排放量的增加被认为是全球变暖的重要原因,地质历史时期大气CO_(2)浓度的波动与温室和冰室气候的交替出现相对应。地球超过90%的碳赋存于深部,因此地球深部过程的些许波动便会影响到地表碳含量,进而深刻影响着地球的环境气候变化。以往的研究注重地表碳循环对环境气候的影响,对深部碳的贡献考虑不足。最近十余年全球开展了详细的深部碳循环研究,基于已经取得的重要成果,本文从大火成岩省、裂谷和俯冲带的视角对深部碳循环驱动的环境气候效应进行了系统回顾。认为未来的研究需要对地球深部碳循环通量和碳同位素组成进行更精确的定量,这是我们认识深部碳循环对地表环境气候影响的基础;除了碳元素本身我们还需要关注其他挥发性元素和有害金属元素的综合效应;俯冲带作为全球壳-幔相互作用和物质交换循环最重要的场所,应该是进行深部碳循环观察和环境气候效应研究的重点。     

地学发展若干问题及对策

一、目的 地学包括地质学、地理学、地球物理学、地球化学、大气科学、海洋科学,以及环境科学、空间科学、生态学和资源问题的一部分,其中大部分是自然科学中最早形成的一些学科,有着悠久的发展历史;而另有一些则是由于当代技术发展和人类面临要解决的重大问题的需要而应运产生的新学科。所有这些学科和它们的若干分支在当代都有着蓬勃的发展,起着越来越大的作用。     

Petrology and Rare Earth Elements Mineral Chemistry of Chadegan Metabasites (Sanandaj-Sirjan Zone,Iran): Evidence for Eclogite-Facies Metamorphism during Neotethyan Subduction

The metabasites of Chadegan, including eclogite, garnet amphibolite and amphibolite, are forming a part of Sanandaj–Sirjan Zone. These rocks have formed during the subduction of the Neo–Tethys ocean crust under Iranian plate. This subduction resulted in a subduction metamorphism under high pressuremedium temperature of eclogite and amphibolites facies condition. Then the metamorphic rocks were exhumed during the continental collision between the Afro–Arabian continent and the Iranian microcontinent. In the metabasite rocks, with typical MORB composition, garnet preserved a compositional zoning occurred during metamorphism. The magnesium (X_Mg) gradually increases from core to rim of garnets, while the manganese (X_Mn) decreases towards the rim. Chondrite–normalized Rare Earth Element patterns for these garnets exhibit core–to–rim increases in Light Rare Earth Elements. The chondrite–normalized REE patterns of garnets, amphiboles and pyroxenes display positive trend from LREEs to Heavy Rare Earth Elements (especially in garnet), which suggests the role of these minerals as the major controller of HREE distribution. The geochemical features show that the studied eclogite and associated rocks have a MORB origin, and probably formed in a deep–seated subduction channel environment. The geothermometry estimation yields average pressure of ~22 kbar and temperature of 470–520°C for eclogite fomation. The thermobarometry results gave T = 650–700°C and P ≈ 10–11 kbar for amphibolite facies.     

西太平洋地球动力学问题与未来大洋钻探目标

西太平洋区域是全球地质构造和海陆相互作用最活动的区域,经过50多年的大洋钻探研究,人们对西太平洋弧后海底扩张成因、俯冲工厂的动力学机制、地幔演化过程、发震带、热点岩浆活动、沉积古环境等都有了深入研究和分析,但是西太平洋边缘海盆具有很大的构造多样性和复杂性,仍然有很多的科学目标和科学问题有待进一步开展研究.本文详细分析了...     

地球系统科学与成矿学研究

在简述地球系统科学的基础上 ,文中提出了由地球系统科学引发的成矿学研究 3个观点 :(1 )成矿系统是一个特色的地质系统 ;(2 )成矿系统与其它系统的关联 ;(3)地质突发事件具有灾害和资源的两重性。针对地球系统科学要求和矿床学学科发展进程 ,提出了 5个亟待加强的研究领域或课题 :(1 )深部过程、浅表环境与成矿系统 ;(2 )重大事件与成矿 ;(3)生命活动与成矿 ;(4 )物理成矿作用和(5 )海洋成矿作用。在结语中 ,作者强调要从地球系统的大背景来研究成矿环境、成矿过程和成矿动力学 ,也即将传统的矿床成因研究提高到地球系统科学的层次 ,为矿床学的发展提供新的广阔的理论基础。