地球圈层相互作用中的深海过程和深海记录（Ⅰ）：研究进展与成果

由五大系统11个实验室组成的项目组，2000-2005年开展了以“地球圈层相互作用”为主题的深海基础研究。项目以“热带碳循环”作为核心问题，依靠国际大洋钻探和国内“大洋专项”两大支柱，对西太平洋暖池和南海等海区进行深海过程和深海记录的研究，已圆满完成计划任务。一方面在南海大洋钻探的基础上，围绕热带海洋在地球系统中的作用向纵深发展，在“热带碳循环”研究中取得了原创性的成果；另一方面依托国内大洋专项和国内外合作航次，在深海研究和圈层相互作用上朝横向发展，取得了一系列国际性成果，在我国形成了与国际接轨的深海研究力量。对该项目的设计和进展做了简单而又全面的阐述，对于古环境研究中取得的突破性进展将另有续篇介绍。     

黄土沉积与地球圈层相互作用

黄土是地球上分布最为广泛的沉积物之一,黄土的分布区也是旱作农业起源地和古文明的发祥地,养育了地球上数以亿计的人口。作为一种风力搬运的沉积物,黄土也是古气候变化的重要信息载体。长期以来,中外科学家已经对黄土的物理学、地球化学、沉积学、古气候学等开展了多学科的综合研究,取得了瞩目的成就。本文旨在从地球系统科学角度出发,将黄土物质的产生、搬运、堆积及沉积后的成土过程与地球岩石圈、水圈（包括冰冻圈）、大气圈、生物圈的演化联系起来,将黄土作为一个窗口,揭示出看似单一的地质事件（黄土沉积）与地球圈层相互作用之间的内在关联。

     

地球圈层之间相互作用对白垩纪大洋缺氧与富氧过程的制约

白垩纪诸多地质事件中,以黑色页岩为特征的大洋缺氧事件和以红层为特征的大洋富氧环境尤其引人关注。本文探讨了白垩纪大洋从缺氧到富氧转化的过程与机制,认为上述沉积事件是地球圈层之间相互作用的结果。白垩纪岩石圈剧烈的岩浆活动,是缺氧、富氧事件发生的源动力,水圈、大气圈、生物圈的共同作用是沉积事件发生的结果。具体过程为:白垩纪大规模的火山喷发,改变了海陆面积的对比,并引起地球内部大量热能释放和大气中CO_2气体浓度的升高,最终导致大气温度的升高。海水温度的升高和CO_2浓度的增加导致海洋环境中溶解O_2的降低,缺氧事件随之而产生。同时,海底岩浆喷发在海底产生大量的富含铁元素的基性和超基性岩石,通过海底风化和热液活动,铁元素从岩石圈进入水圈。海水中的铁元素是海洋浮游植物宝贵的营养盐类,其含量的增加可激发浮游植物的大规模繁盛,而这一生命过程可以吸收海水中大量的CO_2,并且产生等量的O_2。随着海水中O_2浓度的不断升高,以富含Fe3+的红色沉积物为特征的海洋富氧环境出现。藏南和深海钻探、大洋钻探典型剖面的数据证实大洋缺氧和富氧发生的韵律性,即缺氧事件之后往往伴随富氧环境的出现。研究认为,白垩纪大洋缺氧和富氧事件是同一原因导致的不同结果,地球圈层相互作用是其根本制约因素。由岩浆活动引起的缺氧事件和同样由其造成的富氧环境,其机制存在明显的差异,前者以物理、化学过程为主,后者除此之外还演绎了更为复杂的生物-海洋地球化学过程。     

地球圈层相互作用中的深海过程和深海记录（II）：气候变化的热带驱动与碳循环

地球轨道变化驱动冰期旋回的理论是气候演变研究在20世纪的最大突破。然而以65°N太阳辐射量为准的传统轨道理论，忽视了低纬区和碳循环的作用。本项目以“西太平洋暖池”为重点，通过地质资料和气候数值模拟的结合，揭示了“西太平洋暖池”和东亚季风发育的阶段性，发现了暖池海区冰消期表层水升温超前于北半球冰盖的融化。在南沙海区发现了碳同位素有40~50万年长周期，经过全球对比和对意大利上新世地层的实测与分析，证明这是世界大洋碳储库对于地球运行轨道偏心率长周期的响应，并推测是通过浮游植物群改变有机碳在海洋碳沉积中的比例所致。研究表明热带驱动和碳循环在气候演变中重要性，其正确认识是预测气候长期演变趋势的前提。是“深海973”项目总结报道之后的续篇，对上述成果作专题讨论。     

动态岩浆系统与圈层相互作用

岩浆岩的成因研究在新时期需面向系统地球科学做些转变。单一的封闭体系下岩浆岩成因研究无法协调当前最新的高精度定年结果,也无法满足新形势下对地球系统科学和圈层相互作用深度研究的需求。岩浆系统的动态演变过程是当前岩浆岩研究的薄弱环节,也是恢复和构建岩浆系统、探索地壳结构与组成、进一步深入了解地球圈层相互作用机制等的重要内容。将岩石类型的定性描述纳入整个岩浆系统的研究中,将原位微区的时间-成分-温压分析与岩相学、全岩成分分析和实验模拟进行有机相结合,是未来研究圈层相互作用下的动态岩浆系统过程、不同批次熔体复杂相互作用、熔体成分演化,以及岩浆系统环境效应的有效途径。     

浅谈固体地球科学与地球系统科学

地球科学在20世纪的诸多进展中,对后来科学发展具有深远影响的基本认识之一是地球演化的行为具有整体性,其不同的圈层确实通过多种途径相互作用,且人类活动已成为地球演化的重要营力之一。这些认识导致地球系统科学思想的产生和发展,并使不同圈层相互作用的过程和机理、人与环境的相互作用研究成为21世纪基础科学研究的前沿。地球系统科学强调地球不同圈层、不同单元相互作用的整体性和关联性,因而科学研究必须从"整体地球系统"的视野出发,但研究过程又必须从关键区域入手。我国是地球系统科学研究的关键地区之一,未来研究应立足地域优势和特色,攻克全球性重大科学问题,解决社会对地球科学的知识需求。     

核慢相互作用与地球发电机理论

Important role of the Geodynamo theory playing in the Study on the Earth's Deep Interior in discussed briefly. The study of geomanetic field and its temporal-spatial change is one of the main tools obtaining knowlege about the Earth's deep interior especialy the coer一mantle interabtion. It is the key to advancing the Geodynamo theory to bring to light implication of core-mantle, particularly thermal and chamical , interaction on the model of Geodynamo.     

区域地球多圈层交互带调查探索研究

地球系统科学已成为国际地学研究的热点之一,也是目前解决复杂生态环境问题的主要途径。本文以冀东地区为例,将区域地质调查与地球多圈层交互带研究相结合,以1:5万水文地质调查为依托,构建出一套地球多圈层交互带生态地质调查与填图体系,为冀东地区农作物重金属离子超标、土地利用类型变化、矿山开采等一系列环境问题的解决提供地学建议。通过上述探索研究,提出区域地区地球多圈层交互带调查思路:以地球系统科学理论为指导,以区域生态环境问题为导向,通过开展地球多圈层交互带调查,完成地球多圈层交互带生态地质图,为生态环境问题的解决提供地学建议,为山水林田湖草海统一规划和管理提供科学依据。     

深海记录中的热带过程及其周期性

地球运行轨道参数包括偏心率、斜率和岁差, 在地质时期分别具有413ka和100ka、41ka、23ka和19ka的周期, 它决定地表太阳辐射在不同纬度和季节的周期性变化.太阳辐射变化中, 岁差周期最为明显, 斜率周期在中高纬度比较明显, 而偏心率周期本身作用微弱, 主要通过调控岁差周期的变幅影响气候.传统的地球轨道驱动理论认为, 北半球高纬的太阳辐射决定全球冰量和地表的气候变化, 轨道周期可能线性地反映到气候变化的周期中去.实际的深海记录反映的情况并非如此, 尤其在热带海区, 气候替代性指标的周期性与太阳辐射的周期性既存在相似性, 也存在较大区别.相似性在于, 热带海区的气候替代性指标均表现出较强的岁差和斜率周期, 而且通常情况下岁差周期的强度要高于斜率周期的强度, 说明热带海区的气候变化受控于岁差调控的太阳辐射的变化; 区别性在于, 热带海区气候替代性指标通常表现出较强的不容忽视的100ka、413ka的偏心率周期和10ka左右的半岁差周期, 而且100ka、413ka的偏心率周期还是季风系统的典型周期, 说明热带海区的气候变化并不是简单的线性响应太阳辐射的变化, 也不完全受北半球高纬的控制, 而是具有自身的特性.      

地球系统多圈层构造观

地球系统多圈层构造观的基本理论框架是:①把大地构造学从研究地球表层的地壳构造、岩石圈构造推进到研究地球整体多圈层构造的新阶段.②地球系统和宇宙天体系统共同作用下形成的全球动力学,太阳能、地球系统多圈层相互作用以及宇宙天体运行的联合作用是各种地质作用的动力来源.③洋陆转化论:陆与洋是对立统一、相互转化的.陆与洋都不会永存...     

我国深海矿产研究:进展与发现(2011-2020)

深海矿产是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在战略矿产资源,近十年我国在该领域的研究取得了重要进展.在太平洋国际海底区域申请到2块多金属结核勘探区、1块富钴结壳勘探区,在西南印度洋中脊申请到1块多金属硫化物勘探区.研究阐明了我国多金属结核和富钴结壳勘探区小尺度成矿规律,揭示了其成矿作用过程及古海洋古气候记录,探讨了...     

我国参加大洋钻探的近十年回顾与展望

1999年南海首次大洋钻探,有力促进了中国的深海研究,使中国进入了国际深海研究的前沿。15年后第二次南海大洋钻探的实施,标志着中国在该国际计划中作用的加强。回顾了参加IODP 10年(2003—2013年)来深海研究的进展,并展望未来,讨论中国大洋钻探在新10年IODP(2013—2023年)中的打算。中国大洋钻探提出了分3步走的发展计划:第一步争取再实现1~2次"互补性(CPP)"大洋钻探航次;第二步学习欧盟,争取也成为IODP的"钻探平台提供者";第三步和国际科技界合作,建造新一代的中国大洋钻探船。     

中国科学院固体地球科学知识创新十年回眸

中央批准中国科学院进行知识创新工程试点工作已经十年,十年来作为院资源环境科学四大分支之一的固体地球科学研究进展显著。回顾了十年来本领域创新研究单元的新建和调整工作、重点实验室和野外台站的工作进展、国家级的973项目工作的成绩、重大创新成果的产出和获奖。作者认为,中国科学院固体地球科学领域的研究将呈现更加光明的前景,力争在不久的将来跻身固体地球科学研究世界先进行列。     

“地球系统探测新原理与新技术”优先领域与地球系统科学

地球系统科学是研究组成地球系统的子系统之间相互联系、相互作用的机制，研究地球整体结构、特征、功能和行为，研究地球系统变化的规律和控制这些变化机理的科学。对地观测、探测与分析技术的发展是地球科学创新思维来源的技术保障，同时对地球科学基础理论研究水平的提高起着重要的作用。21世纪地球科学的发展将更加重视发展地球系统科学的理论、方法与技术体系。“地球系统观测、探测新原理与新技术”被列入国家自然科学基金委员会地球科学部“十五”优先资助领域。回顾“十五”期间的资助情况，探讨该领域和地球系统科学的关系，将有利于“十一五”对该领域资助工作的调整与完善。     

地表过程研究进展与趋势

地表过程复杂多样、涉及广泛。针对当前地表过程研究现状,从地球系统科学和全球变化的视角讨论了与地表过程相关的一些概念及研究内涵。在分析单要素地表过程和多要素地表过程的基础上,从研究内容的综合性、多国合作的国际性、针对区域突出问题的区域性、以过程变化为核心的动态性及研究方法的多样性等方面论述了地表过程研究的特点,总结性地给出了国内外研究的总体趋势。在上述分析基础上,进一步从国际科学发展趋势、国家需要和信息、技术等方面分析了中国地表过程研究所面临的机遇;从多学科交叉、自然与人文过程的定量与有机耦合等方面讨论了地表过程研究所面临的挑战。     

近年来中等复杂程度地球系统模式的研究进展

近十几年来，地球系统模式领域活跃着一类新兴的模式——中等复杂程度的地球系统模式（EMICs），EMICs以其对计算能力的较低要求和对地球系统的较为完备的描述，使其应用几乎覆盖了简单模式和大气环流模式（CGCMs）的所有研究领域，特别在长期气候变化的模拟方面展现了得天独厚的优势，从而使得在长期气候变化的背景下研究近代气候变化更具现实意义。EMICs已经成为模拟地球系统的有力工具，为目前的CGCMs模拟提供了必要的补充，在简单模式与CGCMs之间架起了一座桥梁。首先回顾了中等复杂程度地球系统模式（EMICs）的发展现状，结合近年来国内外发表的文献探讨了EMICs的基本组成、应用领域，并对EMICs未来的发展趋势进行了预测。     

植物挥发性有机物的气候与环境效应研究进展

植物挥发性有机物(Biogenic Volatile Organic Compounds,BVOCs)是大气中挥发性有机化合物(VOCs)的主要组分,具有重要的气候与环境效应。在梳理和总结既有研究成果的基础上,立足于BVOCs的大气化学过程,阐述了BVOCs不同组分的化学反应过程及其在大气臭氧(O3)和二次有机气溶胶(SOA)污染形成中的作用,指出了BVOCs在O_3和SOA污染形成中的重要性,以及BVOCs影响地球气候的2种主要途径:1通过形成SOA以气溶胶的形式影响地球大气辐射平衡;2参与地球碳循环,影响CH_4和CO等温室气体的寿命。进而,分别总结了BVOCs通过上述2个途径对地球气候影响的研究成果;阐述了BVOCs观测技术的现状与排放量估算模型的发展历程,分析了模型的优缺点与模型间的传承关系及其与气候系统模式耦合的现状。同时展望了BVOCs气候与环境效应亟需深入研究的问题,包括BVOCs氧化机制、产物的理化性质、耦合BVOCs排放及大气化学过程的地球系统模式研制等。     

地球系统动力学模式和模拟研究的进展

概述地球系统动力学模式的由来及国内外目前的研究和模拟进展。地球系统动力学模式是描述全球气候以及生态和环境系统的整体耦合演变的数学表达。利用他作大规模数值模拟,以便认识和预测全球和区域的气候和生态环境变化,有效应对防灾减灾和规划可持续发展等。目前国内外尚未完全研制出可供实用的地球系统模式,还须二三年时间。