设立“地下明灯研究计划”的建议

20世纪末，空间对地观测技术的发展，获得了地球表面清晰的图像，使人们可以实时地观测地球水圈和大气圈的结构、状态和运动过程，及其与生物圈的相互作用，这是地球系统科学革命性的进展。介绍的“地下明灯研究计划”，其目标是获得地球内部不同深度情况下不同尺度的图像，这些图像是新型的地球内部“三维地图”，它将完善和改变我们对大陆动力学、岩石圈结构和状态的认识。     

主编致辞

正构造物理化学,是研究地壳物质受构造作用产生物理化学变化的学科,是研究构造力改变地壳岩石压力、温度等物理化学条件,由此影响地球化学作用的理论和方法。构造物理化学,是物理学-化学-物理化学交叉的地质学科领域,是地质力学和构造动力成岩成矿理论的发展。"构造影响物理化学条件而控制地球化学过程"的研究思路,是构造物理化学的理论基础,也是构造物理化学的主要研究方法。     

角闪石高温高压实验研究进展及其地球物理意义

高温高压实验作为地球科学研究的重要方向之一,通过模拟地球深部的温度和压力条件,了解地球深部物质的物理化学性质、地球内部结构和动力学演化。角闪石属于双链硅酸盐矿物,为地幔岩石圈的重要组成,广泛分布在海洋地壳、俯冲板块、变质岩和火成岩中。作为俯冲带的重要含水矿物,角闪石的广泛分布和高温高压下的脱水对于理解俯冲带水含量以及水迁移具有重要作用,同时在俯冲带的地震活动、高电导率异常、地震波速异常和岩浆活动中扮演重要角色。在过去的近百年时间里,国内外学者对角闪石高温高压物理化学性质进行了大量的研究。角闪石具有非常复杂的元素组成和结构特征,由此也导致了不同角闪石物理化学性质存在显著不同,包括脱水与脱羟基反应中元素迁移的差异、角闪石形成与分解过程中碱性元素(K+Na)和H2O含量对热稳定的影响、不同空间群结构下的高压结构相变、原位条件下不同结晶方向的电导率异常、不同结晶学优选方位(CPO)下的波速异常等。已有的研究对于角闪石的物理化学性质以及其在俯冲带中发挥的作用有了比较清楚的认识,但仍然有许多问题需要进一步研究,如角闪石的高压脱水动力学、热物性和变形机制等。     

新一代对地观测系统的发展

对地观测系统(EOS，Earth Observation System)是获取空间对地信息、促进地球系统科学和空间信息科学等学科发展的支柱。长期以来，人们就期望着对自己居住的地球有一个全面深刻的了解，研究这种从几十年到几百年时间尺度的全球变化，依赖于观测系统和观测技术的发展。因此有必要建立一个对地球整体的观测系统，利用空间优势，获取有关地球体系及其各个组成部分的详细数据或信息。 近50年来，世界对地观测技术得到了迅猛的发展。NASA针对全球变化研究对建立长期的数据采集系统的实际需求，于20世纪80年代初开始规划地球观测系统（EOS）计划，并于90年代初实施。它包括一系列卫星、自然科学知识组成和一个数据系统，支持一系列极地轨道和低倾角卫星对地球的陆地表面、生物圈、大气和海洋进行长期观测。地球观测卫星系列是EOS计划的最基本和最重要的环节。EOS卫星系列计划在今后的10年内陆续发射一系列的太阳轨道环境遥感卫星，构成连续15年的数据采集系统，其规模在地球观测卫星发展史上是空前的。在EOS计划的基础上NASA规划了ESE战略计划，将继续发展国际新一代对地观测系统。迄今为止，Terra、Aqua和Arua卫星已经发射成功，引起地球遥感科学界的瞩目，为地球科学研究提供重要的数据资源。     

外核液态铁粘滞度的分子动力学研究

地球外核液态铁的不断流动造成了地球磁场 ,决定这一流动的基本性质之一是剪切粘滞度。研究外核液态铁的剪切粘滞度对认识地球磁场的运转机制具有非常重要的意义。地震波和大地测量研究表明地球内部除了剪切衰减外 ,还具有体积衰减。研究外核液态铁的体粘滞度对认识地球内部非弹性性质具有重要意义。由于外核所处的温度和压力状态 ,目前还无法从实验的角度对外核的粘滞度进行测量 ,因此必须采用实际观测和理论模拟计算相结合的方法。在考察了地球外核的主要成分和所处的温压状态后 ,简要介绍了研究外核的一种有效的理论方法———分子动力学。在此基础上 ,重点评述了国际上对外核液态铁剪切粘滞度和体粘滞度的研究现状。在剪切粘滞度方面 ,理论计算值位于实际地球观测值区间的下限。在体粘滞度方面 ,理论计算与实际地球观测之间均存在巨大的差别。这一巨大差异的解决将加深人们对地球内部非弹性性质的认识。     

云南个旧锡-多金属成矿区硫化物-碳酸盐阶段成矿作用的地球化学研究

云南个旧锡—多金属成矿区内的矿床,是燕山晚期花岗岩岩浆上侵定位于中三叠统灰岩后形成的气成—热液型矿床。本文试图对其硫化物阶段和碳酸盐阶段的成矿作用及围岩蚀变作用的某些地球化学行为和物理化学特征进行一些探讨。 一、成矿作用的地球化学特征及其物理化学探讨 本次工作从锡的元素地球化学性质、岩石矿物的地球化学特点和矿床地球化学特点三个方面对成矿作用的地球化学特征进行了研究,并对含矿热液的演化、成矿作用的影响因素、及围岩蚀变作用,进行了一些物理化学分析。     

钒同位素地球化学综述

钒是一个重要的第一行过渡族金属元素,由于其独特的多价态性质,且在地球的各个圈层广泛分布,因此钒元素的丰度变化被广泛用来研究和氧化还原反应相关的地球化学过程。随着基于多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)的同位素分析技术的发展,钒同位素地球化学的研究也取得初步进展。目前的观测已经初步确定硅酸盐地球的钒同位素组成及其和陨石钒同位素组成的差异,这个差异为了解地球最初的物质来源和形成过程提供了新的制约。对高温岩石样品的测量发现钒同位素在岩浆分离结晶过程中存在显著分馏,因此钒同位素是潜在的研究高温岩浆过程的物理化学条件特别是氧化还原状态的新工具。推测低温下同位素的分馏应更显著,因此钒同位素在环境和生物地球化学领域也有望得到更广泛的应用。     

地球内部构造和动力学的地震学研究

扼要论述地震学研究在地球内部构造和动力学领域中取得的新进展。我国人工震源的观测在青藏高原、下扬子、大别造山带、华北地震区等获得了一批地壳细结构的成果,已广泛地用于地球动力学研究中。天然地震观测资料的层析成像取得了我国大陆地壳上地幔三维结构的图像。虽然大多数结果提供了地球动力学的背景,但就其分辨率而言还不足于进行有效的大陆动力学研究。笔者认为,提高最终三维模型的分辨率是当前地震学研究的关键之一。美国的两个地震学研究小组根据各自研究工作,揭示了地球内核自转比地幔和地壳部分快,是地震学对地球科学的重大贡献。     

土的比电导在排水蠕变中的变化

笔者从物理化学的手段出发,测试了土样在开放体系中蠕变时的比电导变化,初步获得了它随蠕变的发展而变化的特性。进而告诉人们,土在蠕变中其结构发生变化,也会反映在其相应的物理化学特性上。     

从矿物粉晶表面反应性到矿物晶面反应性——以黄铁矿氧化行为的晶面差异性为例

地球系统中各种矿物相的物理化学反应大多是从矿物表面或界面开始的。要揭示矿物表面反应性的本质,就需要从控制其反应性的表面结构入手。由于实验条件的限制,绝大多数关于矿物表面物理化学性质的研究主要采用粉晶作为研究对象。尽管粉晶方法在研究诸如硅酸盐、碳酸盐溶解和沉淀结晶等过程中被普遍采用,但这种基于矿物粉晶的研究方法还是有一定的不足。因为形成粉晶的破碎研磨过程会导致晶体高能面的出现,高能面所具有的高活性可能会加速其反应过程,应用于地球化学反应的计算结果就可能高估了实际的地球化学反应速率。本研究以黄铁矿表面氧化反应的晶面差异性为例,从晶面结构制约反应性的角度出发,重新审视了黄铁矿氧化的相关问题,弥补了传统"粉晶研究"中对黄铁矿氧化速率和氧化机理认识的缺陷。黄铁矿宽范围的氧化速率实测值很可能是由不同晶面间较大的反应性差异导致;水在黄铁矿的氧化过程中同时扮演着传递电子的催化剂和反应物的角色,也是黄铁矿氧化反应速控步(rate-limiting step)的核心物质。这些认识首次明确了黄铁矿不同晶面反应性差异的重要性,并提示我们应将传统表面矿物学的研究推向更为精确的晶面矿物学水平。这一从晶面角度考察发生在矿物表面的地球化学反应的研究方法可为构建更为精确的地球化学模型提供理论基础。     

天然气水合物及其地球物理识别方法的研究进展

天然气水合物的研究涉及地球物理、地球化学、地质等多种学科 ,其中地球物理方法在天然气水合物的探查和研究中发挥着重要的先导作用。对水合物的类型及物理化学性质、自然赋存和成藏条件、资源评价、勘探开发手段以及水合物与全球变化和海洋地质灾害的关系等进行了综合论述 ,较为系统地论述了天然气水合物及其地球物理识别方法研究的进展 ,并结合中国水合物探查研究的实际 ,初步预见中国南海北部海域具有水合物成藏的良好前景。     

一种全新的大地电磁解释法

求得更接近真实的地球物理模型是地球物理工作的最终目的.地球物理学家近几十年来为此作了不懈的努力,其中包括改进和试制新的仪器设备以取得更精确、更完善的观测数据,以及研究更好的反演方法以求得最佳的地球物理模型.大地电磁测深法也不例外.在观测数据的点数和精度一定的情况下,如何获得更好的地球物理模型,就成了地球物理学家,特别是反演问题专家十分艰巨的任务.近十多年来,各种反演方法像雨后春笋拔地而起,层出不穷,在不同的约束或近似条件下,各种方法都取得了能拟合观测数据的特定模型.反演方法之众多,恰好从反面说明解的非唯一性的严重.因此,如何缩小和判断解的非唯一性,提高其可靠性,就成了当今反演问题专家的最为重大的课题.     

高温高压成岩成矿实验在金属矿床研究中的若干应用

顾名思义,高温高压成岩成矿实验是在矿物学、岩石学、地球化学和矿床学等的研究基础上,根据物理化学的基本原理,应用高温高压实验设备和技术,在人工控制的接近于自然界的条件下,对与矿床形成密切相关的成岩成矿作用和地球化学作用进行实验研究的科学.其目的和任务就是查明有用元素在地质作用和地球化学作用过程中的分散富集规律,研究形成矿床的物理化学条件,阐明矿床的成因机理,指导找矿评价工作.因此,它是地质科学中的一门很有生命力的实验学科.近十几年来,随着生产的发展和需要,近代科学技术的进步,特别是高温高压实验资料在解决地质科学若干重大课题中广泛而有效的应用,因而这一学科也获得了迅速发     

地球内部高温超高压流体的水热金刚石压砧原位观测

地球内部极端条件下流体原位观测实验研究有了巨大进展。使用金刚石压砧结合各种谱学方法及同步辐射光源技术,在高温超高压条件下原位直接测量水和水合物结构性质,已经获得关于地球内部流体的分子-原子尺度信息的新实验数据。本次研究通过金刚石压砧对高压(10GPa)和高温高压(800℃/3GPa)NaCl-H_2O和NaCl-D_2O-H_2O的红外谱原位直测,研究了高压和高温高压下水分子结构。发现高压高温水分子OH振动频率随温度升高向高波数变化,而且,在临界态区域时水分子间的氢键网络破坏。水分子OH振动频率随盐度升高向高波数变化。水分子的其它方式运动的频率也随温度改变。实验说明了水分子在极端条件下的结构和运动方式。地球内部由深到浅,不同深度上的流体性质不断变化,如水的密度、介电常数等物理参数随温度压力改变,水的性质在临界态会出现突变。这些变化可以用高压高温的水的各种谱学特征来表征。水的性质取决于水的分子结构(键态)、分子振动方式。在跨越临界区时的水性质异常涨落与水分子结构变化、分子振动形式变化和氢键网络破坏有关。高温超高压流体原位红外谱观测实验是从分子尺度认识地球内部流体性质。水分子尺度的信息有利于我们深入理解地球深部流体性质、活动及物质相互作用,有利于理解岩石圈和地球深内部过程。     

海底CORK观测30年:发展、应用与展望

过去50年深海钻探计划(DSDP)、大洋钻探计划(ODP)及综合大洋钻探计划(IODP)等国际间综合深海钻探计划的实施,使我们对地球和海洋的认识取得了显著进步。海底井控观测装置(CORK)的研发和应用是上述深海钻探计划带给我们的最宝贵财富之一。目前地球科学和海洋科学已由过去的间断性观测模式升级为现在的连续性原位观测模式,海底CORK观测系统为地球科学、海洋科学与生命科学领域的科学家对海底洋壳复杂而又相互关联的深部过程进行数秒至数十年时间尺度的研究提供了新手段和新机遇。通过对海底CORK观测系统的发展演变、在ODP和IODP航次中的使用以及在此过程中获得的科学经验和教训进行总结,对CORK系统如何应用于我国洋壳地质学、水文学、微生物学及生物地球化学过程研究提出看法。     

人工震源地下介质变化动态监测

成像地球内部介质结构及其动态变化是地球物理学家的主要任务.相对于对地球介质静态结构的认识,对于地下介质性质随时间变化的了解明显不足.近年来随着观测资料的增加,已经开始利用重复地震和噪声等震源研究地下介质变化.受到源位置和时间等因素制约,基于地震和噪声等被动震源的观测结果的时间和空间分辨率有限.利用人工震源主动向地下发射...     

基于吸附等温线的表面分形研究及其地球科学应用

矿物岩石的表面微形貌和孔隙结构是影响其地球化学行为的关键因素，从纳米尺度上表征这一特征对地球化学动力学研究和材料研发有着重要的意义。重点介绍了基于吸附等温线的分形研究方法，以表征纳米尺度上矿物或岩石表面的不规则性和微孔隙结构。从该方法的物理化学原理出发，对比分析了其适用范围和样品限制。在综合当前煤岩学、土壤学、材料学等领域的应用研究成果的基础上，提出了该分形研究方法在地球科学研究中的应用前景和发展趋势。     

异常结构三维综合系统的开发和应用

地球化学异常结构三维综合系统的开发和应用是为了满足地球化学多维异常体系的研究而逐步展开的。应用于深部找矿预测的多维异常结构方法,从钻孔岩芯直接采样,获得了具有真三维属性的地球化学数据,研究者迫切需要在三维场景下对所获三维地球化学数据进行解读和表达。异常结构三维综合系统(3D-MDAS)是利用三维可视化和地质体三维建模技术,在MapGIS K9平台上进行二次开发获得的。本系统实现了地上、地下数据模型的一体化显示,实现了实体模型与属性模型的耦合一体化显示,在此基础上还可以对异常结构进行空间分析,建立三维地球化学找矿模型。笔者详细阐述了三维异常结构3D综合系统的三维建模思路和技术,并用安徽马头矿区的实际应用成果给以说明。     

月基InSAR观测地球大尺度形变能力的初步研究——以固体地球垂向潮汐形变为例

从合成孔径雷达干涉测量的原理出发,针对月基InSAR观测地球宏观物理现象的大尺度、连续性、长期性、动态观测等特点,首次以固体地球垂向潮汐形变为例对月基InSAR观测地球大尺度形变现象进行了仿真模拟,分析了该技术的远程大范围观测能力。根据固体地球垂向潮汐形变的大尺度分布特征和月基雷达的超大幅宽的观测特点,采用简化月基雷达观测几何模型,选定经纬跨度均为50°的中低纬区域为模拟测区,并计算了月基雷达重访周期与雷达波束扫过选定模拟测区内各点时的垂向潮汐形变,将形变计算结果进行时间差分,得到差分相对垂向潮汐形变,即是月基InSAR可观测到的垂向潮汐形变。模拟数值结果表明,月基雷达的重访周期约为24.8 h,在30天内各点的差分垂向潮汐形变可达30 cm。鉴于目前月基InSAR的理论形变观测精度达到厘米级,因此理论上用月基InSAR技术能够观测到模拟测区固体地球大范围垂向潮汐整体形变,也能利用观测数据研究地球潮汐大范围时间和空间变化特征;另一方面模拟结果也可为月基SAR观测其他地球宏观物理现象的参数设计与模拟提供参考。     

岩石圈的组成、结构、演化及其动力学

前言 岩石圈动力学是地球系统动力学的一个重要组成部分。岩石圈动力学通过地质、地球物理、地球化学与大地测量等地球基础学科开展对岩石圈的组成、结构、演化与动力学的理论、实验与野外观测研究;也开展岩石圈动力学对石油、天然气、煤、金属矿等重要矿产资源的形成、富集、演化和分布规律的评价与预测的应用研究;以及开展地震、水库地震等自然的和人为的地质灾害的成