微束分析测试技术十年(2011~2020)进展与展望

现代地球科学研究的重大突破在很大程度上取决于观测和分析技术的创新。新世纪以来,我国地球科学领域引进了一批高性能新型微束分析仪器设备,建立了一批高规格的实验室。本文回顾了近十年来微束分析技术与方法的主要进展及其在地球科学研究中的应用实例,包括电子探针、扫描电镜、透射电镜、大型离子探针、纳米离子探针、飞行时间二次离子质谱、激光剥蚀等离子体质谱、激光诱导原子探针、原子探针技术、显微红外光谱、同步辐射等,这些分析技术的进步和广泛应用极大地提高了我们对地球和行星演化历史及许多地质过程的理解。今后,应加快微束分析的新技术、新方法和新标准的开发,特别是高水平人才队伍建设,提高创新能力并在国际学术舞台上发挥重要作用。     

“行星地质与化学”专辑序

正行星科学起源于天文学和地球科学,是伴随人类月球和行星探测工程快速诞生的学科,与全球板块活动理论同时期建立。经过半个多世纪的发展,行星科学已细分为行星地质、行星化学、行星物理、天体生物学等成熟的分支。其中,行星地质学使用多源遥感数据和模拟对比的方法,主要目的是了解天体的地质演化;行星化学起源于传统地球化学和陨石学,主要目的是了解天体物质的起源和演化。行星地质和化学从跨越天体的角度研究地质过程和地球化学的本质,为探索地球的起源和演化,尤其是地球早期演化、生命起源等重大科学问题提供了独特的视角。     

电子探针分析技术进展及面临的挑战

电子探针是研究地球与行星物质组成最基础的微束分析技术。近年来,固体地球科学和行星科学的不断发展,促使电子探针分析技术取得了一系列进展:矿物微量元素分析、稀土矿物测试方法完善、副矿物定年、富Fe矿物/熔体Fe~(3+)含量测定、场发射电子探针及软X射线分析谱仪的开发及应用等。同时,电子探针分析技术也面临着诸多挑战:微量元素测试在降低检测限的同时,还需要提高分析的准确度和精确度;降低二次荧光效应的影响;场发射电子探针在低电压下需要建立全新的分析条件和校正方式。基于这些挑战,电子探针未来在微量元素监测标样开发、二次荧光效应校正、场发射电子探针及软X射线分析谱仪应用、波谱仪完善和微区多种分析技术集成等方面具有发展潜力,以便为地学样品的研究提供更丰富、更准确的微米尺度成分信息。     

序言

正地球科学经过几百年的发展,在宏观和微观领域已经取得了重大进展.伴随着科技的巨大进步,地球科学正向超宏观和超微观的两个方向发展:行星地球科学和纳米地球科学.纳米地球科学指以纳米科学与地球科学为依托,以纳米技术与地学工具为手段,以地球物质为研究对象,对地球各圈层中纳米微粒和孔隙进行分析研究,从而揭示地学现象和过程中纳米尺度信息以及成因规律的科学.     

21世纪地球科学研究的重大科学问题

凝炼地球科学研究的重大科学问题,对推动地球科学基础研究的发展具有重要意义。美国国家研究理事会（National Research Council）2008年3月发布的研究报告《地球的起源和演化：变化行星的研究问题》提出了21世纪固体地球科学研究的10个重大科学问题：①地球和其他行星的起源;②地球早期的演化历史;③生命的起源;④地球内部的运动及其对地表的影响;⑤地球的板块构造与大陆;⑥地球的物质特性对地球过程的控制;⑦气候变化的原因与幅度;⑧地球—生命的相互作用;⑨地震、火山喷发等灾害及其后果的预测;⑩地球内外流体运动对人类环境的影响。这些重大科学问题对我国的地学发展战略研究及地球科学基础研究均将具有重要的借鉴和指导意义。主要依据NRC的《地球的起源和演化：变化行星的研究问题》报告,对这些重大科学问题进行了解读和分析。     

地球物质科学研究的新进展--第13届V.M.Goldschmidt国际地球化学会议一瞥

第13届V.M.Goldschmidt国际地球化学会议(简称Goldschmidt 2003)于2003年9月7～12日在日本仓敷(Kurashiki)召开.会议内容反映了当前地球物质科学研究的前沿,从地球的圈层到行星宇宙、从生命的起源到岩浆和变质作用地球化学、从宏观到纳米物质举凡地球科学的重大课题均有涉及;从会议的内容看出:①学科间的融合是地球物质科学研究的主流方向;②对行星和陨石等天体物质的研究是当前地球物质科学研究的一大亮点;③矿物的晶内扩散是了解变质过程中物质迁移规律的新手段;④生命的起源和早期地球演化仍是当前地球科学讨论的热门课题;⑤非传统稳定同位素已得到了广泛的应用.从学科发展的历史角度看,地球物质科学的新生长点存在于学科本身,学科间的融合交叉是学科得以发展的原动力.     

基于数据科学方法的岩石行星地幔储水能力的研究：地球、火星和系外行星

名义无水矿物(NAMs)是岩石行星地幔中水的主要载体，研究地幔中主要NAMs的水溶解度可以帮助我们估测岩石行星地幔理论上的储水能力，并间接约束其内部的实际含水量。通过统计和统计学习算法等数据科学方法，本文旨在介绍并总结前人对地球、火星和系外行星地幔储水能力的模拟研究工作。本文首先回顾了岩石行星地幔储水能力的热力学理论模型；然后围绕地球和火星的两个实例研究，探讨了如何使用包括稳健回归拟合、蒙特卡罗方法和自助聚集算法等方法，把原子尺度的水溶解度实验数据点和其测量误差转化成行星尺度的储水能力模型；接着介绍了系外行星观测的大样本数据是如何帮助我们理解系外岩石行星储水能力的统计学性质；最后讨论了数据科学方法在矿物物理学研究中的局限性，并对如何更好地将统计及统计学习算法与矿物物理数据研究相结合作出展望。     

同位素地质年龄测定技术及应用

同位素地质年代学是地球科学、物理学、化学和技术科学相互交叉发展起来的一门新兴学科,是地球系统科学中一个年轻而充满活力的分支学科.它根据放射性同位素衰变规律确定地质体形成和地质事件发生的时代,以研究地球和行星物质的形成历史和演化规律.本文对几种常用的精度比较高的同位素测年方法从理论、实验技术、应用范围、使用的注意事项等方...     

主编按语

古人对夜晚天空中出现繁多的星星和月亮,曾有过无数遐想,但由于只能够远眺而无法到达,留下多少遗憾和文学佳作.随着科学与技术的不断发展,人类离开地球,去外行星探索,已经成为现实.并且,类似古老的地球科学发展历程,形成了一门新的自然科学学科:行星科学,但两者的紧密联系毋容置疑.尤其,行星科学研究取得的大量新发现和新认识,使得...     

特约主编致读者

<正>在地球上,通过对地质构造的研究,我们可以掌握不同尺度构造运动的发生、发展和终止的过程,了解这一过程对地球地貌、矿产资源、环境和生物演化等所产生的影响。在以月球研究为代表的行星地质学中,研究方式和手段有很大的区别,但通过对行星表面构造现象的研究同样有助于我们了解行星的结构、形成和演化以及与地球的关系。在国家高技术研究发展计划"863"项目"绕月探测工程科学数据应用与研究"子课题     

试论月球科学与类地行星研究的学科属性

我国月球探测一期工程获国家批准立项和“嫦娥一号”卫星成功发射及运行这一历史性事件标志着我国已继人造地球卫星、载人航天阶段之后,开始进入人类航天活动的第三领域——深空探测。无疑此时探讨人类这一伟大社会实践活动的自然科学意义,特别是深空探测对象的科学内涵具有重要的现实意义。随着相关技术的开发、创新和成熟,工作重点将逐渐转移到深空探测对象本身的科学研究上来,即认识地球之外的行星体以及更深刻地重新审视地球。本文讨论了现阶段深空探测对象——月球及类地行星的基本物质属性,回顾美国和前苏联两国探月计划实施历史的启示,Apollo计划的演变．科学内容的纳入及宇航员地学素养的要求,Apollo登月计划的实施对月球科学本身的促进,以及对20世纪地球科学发展、人才队伍建设和分析技术进步等的重大影响,总结了前苏联探月计划的成败及其教训,并对我国月球探测工程立项历史等方面进行了分析。在此基础上,论述了月球科学及类地行星研究的地球科学属性,并强调指出地球科学家应将月球及整个类地行星研究纳入到地球系统科学的框架之中。     

低温高压微地质体中微米纳米级矿物相研究——以大冶葡萄石中绿纤石和多硅白云母为例

低温高压地质体因与地壳碰撞、俯冲等构造活动密切相关,长期以来一直是国内外地学界关注的研究对象。但由于受研究手段、分辨能力所限,对于呈微米纳米级微粒形式存在于低温高压微地质体（即矿物）中的成分、物相及其成因等问题的研究,至今仍是地学研究中的薄弱环节。随...     

岩石组构学研究的最新技术——电子背散射衍射(EBSD)

岩石组构分析是构造地质学研究的一项基础工作,对理解许多地质过程非常关键。岩石组构学的理论研究和测试技术手段都有很大发展,取得了许多重要成果。最近十几年来,装备在扫描电镜上的电子背散射衍射（EBSD）新技术日臻成熟,已经成为地球科学和材料科学组构分析的强有力手段。作为革命性的新技术,EBSD的量化显微构造数据在地质学研究中具有广泛的应用前景,例如相鉴定、变形机制、位错滑移系、结晶学优选方位（CPO）和变质过程研究等。本文介绍了池际尚教授在开拓我国岩石组构学教学和科学研究以及人才培养方面的重要贡献,同时阐述了EBSD的仪器组成、基本原理和应用范围及其与费氏台、X射线衍射、中子衍射和透射电镜优缺点的对比,并展示了该方法在大别-苏鲁超高压榴辉岩组构分析中的应用。     

Cosmic ray produced isotopes in terrestrial systems

Continuing improvements in the sensitivity of measurement of cosmic ray produced isotopes in environmental samples have progressively broadened the scope of their applications to characterise and quantify a wide variety of processes in earth and planetary sciences. In this article, I will concentrate on the new developments in the field of nuclear geophysics, based on isotopic changes produced by cosmic rays in the terrestrial systems. This field, which is best described as cosmic ray geophysics, caught roots with the discovery of cosmogenic¹⁴C on the Earth by Willard Libby in 1948, and grew rapidly at first, but slowed down during the ’60s and ’70s. In the ’80s, there was arenaissance in cosmic ray produced isotope studies, thanks mainly to the developments of the accelerator mass spectrometry technique capable of measuring minute amounts of radioactivity in terrestrial samples. This technological advance has considerably enhanced the applications of cosmic ray produced isotopes and today we find them being used to address diverse problems in earth and planetary sciences I discuss the present scope of the field of cosmic ray geophysics with an emphasis ongeomorphology. I must stress here that this is the decade in which this field, which has been studied passionately by geographers, geomorphologists and geochemists for more than five decades, has at its service nuclear methods to introduce numeric time controls in the range of centuries to millions of years.     

我国岩溶地区碳汇研究进展与展望

20世纪90年代,我国率先开展了岩溶作用与碳循环研究。文章在系统总结相关研究进展的基础上,阐明岩溶碳汇的原理,提出基于地球系统科学理念的岩溶流域6种碳循环过程模式,揭示了岩溶碳汇的稳定性并回答有关学者对岩溶碳汇的质疑,从四大圈层的碳循环角度提出发掘岩溶地区碳汇潜力的新理念。在综述岩溶地区碳汇人工干预研究进展的基础上,分析了石漠化综合治理、岩溶土壤改良、水生生物固碳、加速岩溶过程等人工干预措施的碳汇潜力及研究应用方面的不足。提出了下一步岩溶流域碳汇调查研究监测和技术创新发展方向,以及固碳增汇试验示范工作思路。     

Origin of uranium and rare earth minerals in bone detritus from rare metal deposits

In order to ascertain the forms in which uranium is present in ores of the Melovoe rare metal sedimentary deposit of uranium and rare earth minerals (South Mangyshlak), we investigated a series of typical ore samples that were collected earlier; both the uranium content and the total content of rare earth metals in them lay within 0.1–0.3%. The study was carried out by analytical electron microscopy using transmission electron microscopy and scanning electron microscopy, electron microdiffraction, and microprobing. It was ascertained that both uranium and rare earth elements are present in ore mostly associated with biogenic phosphate in the form of natural minerals, such as uraninite, ningyoite, coffinite, autenite, and churchite. Iron hydroxides and graphitized organic matter are present in some samples. It is assumed that the co-occurrence of uranium and rare earth elements, which is nontypical for the sedimentary process, resulted from secondary epigenetic processes and alternation of reducing and oxidizing environmental conditions.     

台湾瘦长红珊瑚的纳微结构特征

采用电子显微技术观察台湾瘦长红珊瑚,研究了其纳微结构。扫描电子显微镜观察到瘦长红珊瑚的特殊微结构形貌及其中方解石的晶体排布;透射电子显微镜发现了瘦长红珊瑚内部方解石晶体的形态、大小和两层结构及有机物的赋存;高分辨透射电子显徽镜显示了纳米畴、晶格和晶体结构的过渡。体现了瘦长红珊瑚的有机～无机复合结构特征,揭示了纳微尺度的生物矿化作用的机理和过程,启示了医用复合功能生物材料的研究及仿生合成。     

矿物学发展现状及我国矿物学前景展望

矿物学是地球科学的基础学科,历史悠久,为人类文明进步做出了巨大的贡献。近些年来,科学技术的长足进步以及相关学科的迅猛发展,也深深影响了矿物学本身。本文从多个方面总结了矿物学的发展现状,提出了我国矿物学的优先领域和重点发展方向,并对矿物学的发展前景进行了分析和展望。     

银同位素在行星和地球科学中的研究进展

系统梳理了放射性Pd-Ag体系银同位素在行星科学中的发展概况以及稳定银同位素在环境科学示踪和金银矿床中的研究进展.在太阳星云以及行星核的形成过程中,由于107Ag可由107Pd经β衰变产生,而挥发性元素的耗散又会造成早期Pd/Ag的分异,使得Pd-Ag同位素体系可以用于早期太阳系的活动历史研究,例如定义行星核的形成、限定行星形成时代.在稳定银同位素体系中,已探明银同位素组成（δ109Ag）变化范围为-1.0‰~+2.3‰.稳定银同位素组成在不同环境的样品中具有类似于“指纹”特性,可用于确定污染物来源,追溯污染物环境过程,还原真实的环境系统.在金银矿床研究中,具有显著变化的银同位素组成使其在贵金属矿床的形成及演化机制上具有直接的应用意义.目前银同位素在解答行星科学及地球科学等诸多领域问题上仍存在一些尚未解决的难题,例如放射性Pd-Ag体系中太阳系初期107Pd/108Pd比值的精确限定、环境及矿床中银迁移沉积的物理化学过程的复杂耦合同位素分馏机制的确定等.