地球深部物质和能量交换的动力过程与矿产资源的形成

地球深部物质与能量的交换和深层动力过程这一科学问题的提出,乃是近年来地球科学发展与逐步向量化“进军”的必然,它是探索一系列地学前沿课题的基础。地球表面所见到的一系列地球物理场异常,地质构造格局,地球化学组分变异,无一不受到地球内部物质与能量的交换和深层动力过程的制约。如地球圈层的形成与演化,大陆伸展与裂谷,资源与能源等,均为深部物质运移和物理学、化学效应及地质构造耦合的产物。本文讨论了金属矿产资源与地壳、地幔结构及深部物质运移的动力学响应。通过几个典型矿床和其形成要素分析了成矿作用的深层动力过程。文中主要讨论了五个方面的问题:第一,金属矿产资源成矿和分布与地壳、地幔结构及深部物质运移和成矿带。第二,金的形成与深层过程。第三,金属矿床的形成、演化和分布与深部物质及能量的交换。第四,地幔热柱与成矿作用。第五,地球内部深层动力过程与流体运移和必须深化研究的几个问题。     

地球内部物理和演化的几个核心论题：Ⅱ地球动力体系

生成于岩石圈底部的“大陆根”与地幔羽的形成过程有关,其主要证据来自3－D地震成象和实验、数值模拟结果。地幔上涌和地幔下涌分别代表高温、低速带和低温、高速带。长波长的地幔构造与表层构造特征相关,地球内部边界层－热边界层或化学边界层将对全球动力体系产生直接或间接的效应。因此,深入研究这些边界层的结构、形态、热力学和物理化学特性,对解决地幔整体对流与成层对流体系中某些相冲突的问题具有关键意义。全球地震成象和深源地震资料表明,某些破碎的早期俯冲板片可能连续或间断性地下沉到核－幔边界处,并返回到起源于该边界层的地幔羽中。今后的任务不是重提地幔整体对流或是成层对流的问题．而是如何建立两者的统一模式。整体地幔对流体系在时间和空间演化过程中与成层对流、局部小规模对流或次生对流相伴生的理论、实验和数值模拟将是地球动力学研究的主要趋势。     

地球内部物质、能量交换与资源和灾害

通过对凤凰山岩体接触带的变质与变形特征、显微构造及变形缩短量的计算 ,分析了凤凰山岩体侵位与接触带变形及区域变形的关系。通过接触带变质矿物变形特征的研究 ,揭示了热变质作用与侵位变形的同时性 ;接触带构造变形研究表明 ,岩体周围发育的流变褶皱、韧性剪切带、压溶缝合线等与岩体左旋上升与汽球膨胀侵位有关 ;围岩缩短量的计算结果表明 ,岩体侵位过程造成强烈的围岩缩短是一种强力侵位机制。研究表明 ,凤凰山岩体侵位是在区域NNE向水平左旋剪切应力场作用下完成的。岩体接触带变形是NNE向水平左旋剪切应力与横向推挤的侵位应力联合作用下形成的。     

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。     

地球内部各圈层的物质运动与动力学响应和力源

地球内部物质在动力作用下重新分异、调整,深部和浅部物质与能量进行着强烈的交换和运动,并导致成山、成盆、成岩、成矿和地震与火山等灾害的形成。地球动力学受到地球科学界的高度重视,并相继产生了诸多假说,如地球的收缩说、膨胀说、脉动说、自转说、涌流说、地幔对流说、地壳均衡说等,而问题是何为其力源?因为力源确是驱动地球内部物质运动的核心所在。本文通过对各种动力假说的分析和理解,讨论了1地球内部物质运动和动力学响应;2对历史上诸多动力学假说的分析和理解;3地球内部物质运动的深层动力学过程;4地球动力学研究中的几个重要科学问题的思考;5地球内部物质运动和动力学响应与力源及机制问题的探索。地球科学研究中的核心问题不仅涉及到地球内部的物质组成、空间特异结构与变异,而更为重要的却是如何深化认识地球本体,并厘定物质运动的动力学响应和力源机制。     

浅海底边界动力过程与物质交换研究

浅海底边界动力过程是能量分配、颗粒物输运和水—底边界物质交换的关键环节,深入研究浅海底边界动力过程是提高环境容纳量预测能力的重要前提。分析了国内外该研究方向的进展和现状,提出在黄海中部和长江口外两个典型海区,以集成先进设备的海床基观测平台和水体要素连续观测的研究策略,获得底边界流场结构、水体和底边界湍流混合特征、底耗散动力学参数、底颗粒物浓度和梯度变化等规律,建立潮汐、层化、海浪等不同动力条件下底边界动力过程参数化方案,研究沉积物启动、沉降等动力学规律,以数值模式探讨海底拖曳力变化对潮流和环流结构的影响;了解颗粒物组成的季节变化及对起动、再悬浮、絮凝等动力过程的影响,以颗粒物输运模型研究中国近海沉积物源汇分布;以同位素示踪研究底界面交换对动力过程的响应。为解决面临的2个科学问题：①中国近海底边界能量耗散在能量分配中的作用;②中国近海底边界动力过程、颗粒物输运与物质交换的多时空尺度变化规律,奠定基础。     

20世纪地球物理学的重要成就和21世纪的发展前沿

20世纪是地球物理学取得辉煌成就的重要历史时期。在这关键性的百年里实施了一系列大型且具全球性的研究计划。 2 1世纪必将在对地球本体的认识和解决水资源、矿产资源、自然灾害和环境 (包括空间环境 )方面继续作出新的重大贡献。只有深入研究地球内部物质与能量的交换 ,不同圈层的耦合及其深部动力过程才能深入探索地球系统的发展。为此 ,文中讨论三方面的问题 :(1)地球物理学的发展进程及其战略意义 ;(2 ) 2 0世纪地球物理学领域主要的重大成就 ;(3) 2 1世纪上、中叶地球物理学的发展前沿和导向。     

江西相山铀矿田山南矿区流纹英安岩和花岗斑岩的地球化学与Sr、Nd同位素特征

江西山南铀矿区位于相山铀矿田的北部,矿区内出露有大量的流纹岩和花岗斑岩,两者也是矿区内最主要的赋矿岩石。地球化学和Sr、Nd同位素研究表明,流纹英安岩和花岗斑岩具有高硅(SiO2质量分数为69.47%~72.19%和72.32%~78.6%)、富钠(K2O/Na2O为0.4~0.52和0.4~0.67之间)的碱性岩特征,具有过铝质特征;流纹英安岩和花岗斑岩富集Th、U、Pb等高场强元素和Rb、K等大离子亲石元素,相对亏损Zr、Ti、Ta、Ce等高场强元素和Ba、Sr等大离子亲石元素,表现出轻稀土元素富集,重稀土元素亏损(LREE/HREE分别为9.32~11.59和2.12~8.27),(La/Yb)N值分别为10.59~14.26和1.41~9.47,两者具有明显的负Eu异常(0.41~0.56和0.09~0.32),地球化学特征显示流纹英安岩和花岗斑岩形成于低压环境,属于板内环境;锆石饱和温度计得出两者具有较高的结晶温度,分别为812.5~904.9℃和772.1~826℃;流纹英安岩和花岗闪长斑均具有较大的I Sr含量,较小的εNd(t)值(-7.81~-8.93)。地球化学和Sr、Nd同位素特征显示山南矿区的流纹英安岩和花岗斑岩具有明显的S型花岗岩特征,形成过程中经历了部分熔融和同化混染作用。流纹英安岩和花岗斑岩及铀矿化具有强烈的壳源特征,区域内分布的元古代变质岩中的砂质岩和泥质岩很可能就是两者的源岩。结合前人年代学研究和本次地球化学、Sr-Nd同位素研究结果,说明相山矿田山南矿区内的流纹英安岩和花岗斑岩及相应的铀矿化形成与中生代华南地区岩石圈发生大规模的伸展减薄有关。     

动高压物理在地球与行星科学研究中的应用

综述了动高压物理应用于地球和行星科学研究中的一些最新进展,包括地球内部的物质组成与热力学状态,巨行星的物质组成模型,太阳系中的碰撞成坑与吸积相互作用等。依据铁的冲击波数据,结合其他热力学数据,可以得到一条统一的铁的熔化曲线,将动高压与静高压数据完全统一,初步解决了长期困扰高压界的动、静压关于铁的熔化温度存在系统偏差的诘难。外推到ICB处(330 GPa),铁的熔化温度(亦称锚定温度)约为(5 950±100) K。冲击Hugoniot 数据,结合地震学模型可以约束地幔与地核的物质组成。冲击压缩下钙钛矿型(Mg0 9,Fe0 1)SiO3的高压声速测量结果表明,1 770 km深度的不连续面不仅是一个相变界面而且是一个化学成分或矿物学分界面。低温可凝聚气体(H2、He)或冰(H2 O, CH4, CO2, NH3 和N2 )的冲击波数据,及Jeffrey 数等其他数据可以用来构建巨行星(如木星和土星)的物质组成模型。地球深部矿物的冲击温度测量可以用来研究它们的高压熔化行为,据此建立的高压相图可以为控制地幔对流的地幔物质的准静态蠕变提供约束条件。熔融硅酸盐在上地幔压力条件下的冲击压缩数据,可以约束地幔熔岩稳定存在的深度,在此深度地幔熔岩不会因固体围岩提供的浮力而向上运移到地表,从而在此深度形成稳定的低速带。冲击波数据在描写行?     

第二深度空间金属矿产探查与东北战略后备基地的建立和可持续发展

我国正处于快速工业化和经济腾飞的前夜,对金属矿产资源的需求必将日益增大,而第一深度空间（0~500 m）找矿、勘探和开发的资源量远远不足,且十分紧缺。为此,在多元利用世界资源的同时,必须立足本土,迅速强化进行第二深度空间(500~2 000 m)高精度地球物理找矿、勘探与开发,并从速在我国东北地区建立起金属矿产资源安全、可靠、稳定供给的战略后备基地,以保证我国社会与经济的可持续发展。这是因为金属矿产资源的形成与聚集取决于深部物质与能量的交换和其深层物理-力学-化学作用过程与其动力学响应。 为此,本文将讨论以下6个问题： （1）当今世界上各国对金属矿产资源的需求势态。 （2）我国在快速工业化和腾飞前夜对金属矿产资源的需求与对外依存度。 （3）我国必需金属矿产资源的保障途径之一,世界资源的多元化利用。 （4）中国在共享世界资源的同时,必须立足于本土。 （5）我国东北多金属矿产资源的深入找矿、勘探、开发和利用与我国东北地域金属矿产资源战略后备基地的建设。 （6）必须迅速强化开展地壳内部第二深度空间金属矿产资源的地球物理找矿、勘探与开发。