银河旋臂,地核环流与地球大冰期

地球在其约４６亿年的生命史中，多次出现大冰期，关于其形成原因是地球科学研究的热门课题。促使地球系统演化的的主要来自哪一圈层？气体具有最大的激活能，但大气圈中地球总质量的１０＾－６，它不可能是主要圈层，固态的激活能最低，下地幔和地内核亦不大可能在地球系统演化中扮演主要角色。地球外核液态，具有较高的激活能，它约占现代地球系统总质量的３０％，故可认为它是地球系统演化的主要活动圈层。作为旋转地球上的流体，     

地球系统演化原因研究的回顾与展望

简略回顾了地球系统的研究历史,指出人类数千年来关于地球系统的研究可分为古代、大分化和大融合 3个阶段,提出"地球系统学"在今后相当一段时间内将是地学研究的主流。第二部分探索地球系统演化的原因,指出："热"是影响地球系统的途径,但地表面受热的准周期性变化不应是整个地球系统演化的主要原因;对于各种引力的准周期性变化对气候变化的影响,归纳出这样一条可能的途径：天体引力→地核环流变化→通过地幔热柱影响软流圈波动变化→通过地热影响气候变化;宇宙磁场通过"变压器效应"调制地核中的Lorenz力,使地核环流变化,进而影响地球系统演化。第三部分提出"外核环流是主导地表系统演化的总枢纽"假说。最后指出：一定要从宇地相互作用中寻求地球系统演化的原因;宇地之间相互联系的热、力和电磁三种物理过程中,"磁"是最值得予以关注的;核幔边界层很可能是推动地核环流和地幔对流的能源区。     

地球内部流体运动与全球构造

把地球的形成和演化分成天文演化和地质演化两个阶段，地球表面温度达极大值为两个时段转换的标志。在天文演化阶段，地球从一个胚胎通过引力归并增长成行星地球，在此过程中形成了地球内部固核和核外岩浆流体，表层流体温度最高时为天文演化阶段的结束。在地质演化阶段，地球冷却形成了岩浆流体圈层外的地壳岩石圈。无论是在天文演化阶段的固核与岩浆圈层的动力系统，还是在地质演化阶段中固核、岩浆圈层和地壳组成的动力系统，由于系统内部热（动）力的耦合，始终发生着不同圈层间的角动量交换。借助年际时间尺度内对固体地球与大气角动量交换机制的认识，研究了地球不同演化时期内部圈层的角动量交换和作用过程，从而得到：天文演化结束时形成了两极的高位势面（古大陆）；地质演化初期，岩浆流体圈层与固核的角动量交换形成了流体相对固核的加快旋转，这一运动驱动了流体外地壳的分裂和漂移，北半球分裂的板块向东南漂移，南半球分裂的板块向东北漂移，这就是全球大陆漂移的方向性。随着大陆板块的漂移，岩浆流体辐合带的位置发生了变化。历史上这一辐合带曾位于地中海、青藏高原南边缘、斐济、加勒比海和地中海一线，沿这一辐合带现今两半球大陆面积相等。后来分裂的板块随岩浆流体又多次往复     

地幔热柱多级演化与核幔源元素成矿作用

地壳中矿床分布极不均匀,这与地球的形成与演化密切相关。地球演化的早期,在引力收缩和热力膨胀的统一作用下,放射性、卤族、稀有、稀土元素及碱金属等轻质元素向上迁移,而铁族、铂族、有色金属、贵金属等比重较大的元素则逐渐沉向地核,以至于铁、镍、金、银等元素主要聚集在地核之中。但是,在地球形成圈层结构的同时,由于地球内、外温度差、压力差、粘度差的存在,导致地球发生以地幔热柱多级演化为主要形式的垂向物质运动,两者互为依存,并构成幔壳运动的原动力。地幔热柱多级演化沟通了深部矿质的迁移通道,聚集在地核及核幔界面上的金、银等元素呈气态随地幔热柱热物质流,以反重力运移至岩石圈,并以气-液混合态向近地表迁移,在有利的构造扩容带中聚集成矿。这可能是金银铅锌铜等多种元素的重要成矿     

核幔成矿物质(流体)的反重力迁移——地幔热柱多级演化成矿作用

地壳中矿床分布极不均匀 ,这与地球的形成与演化密切相关。在地球演化的早期 ,由于在引力收缩和热力膨胀的统一作用支配下 ,放射性、卤族、稀有、稀土元素及碱金属向上迁移 ,而贵金属、有色、铁族、铂族等密度较大的元素则有逐渐向地核聚集的趋势 ,以至于铁、镍、金等元素主要聚集在地核之中。但是 ,在地球形成圈层结构的同时 ,由于地球内外温度差、压力差、粘度差等的存在 ,导致地球发生以地幔热柱多级演化为主要形式的垂向物质运动 ,两者互为依存 ,并构成幔壳运动的原动力。地幔热柱多级演化沟通了深部矿质的迁移通道 ,聚集在地核及核幔界面上的气态金等重元素得以作为地幔热柱的热物质流 ,呈反重力迁移至岩石圈 ,并进而以气 液态向近地表迁移 ,在有利的构造扩容带中聚集成矿。这可能是金银铜铅锌等多种元素的重要成矿作用方式。     

银河年和地质年代表

根据地洼学说关于地壳演化的新理论,将地球置于银河系各级引力场研究,发现银河年与地球绕日运行周期(年)有许多相似之处,后者控制了地球上短期的生物兴衰和四季交替,前者是引起地球上长期冷热变化,导致全球的生物质变进化、冰川活动及海侵海退等循银河年周期发生的根本原因。银河年是建立理想地质年代表的基础,每一个银河年就是一个代。依目前天文观测及全球生物质变进化和冰期资料来看,银河年时距以260 Ma为宜。本文据此提出了一个新的地质年代表。     

古地磁场研究:挑战与机遇

地磁场源于地核流体的运动,至少已有约35亿年历史。地磁场的起源及演化一直是地球科学研究的前沿领域之一,这是因为它既是地球宜居环境的重要保障,也是探究地球系统各圈层联系的重要途径。本文重点围绕保留在岩石中的"深时"古地磁场记录,分析在地球内部磁场的形成与维持、地磁场极性倒转、以及地磁场强度变化等古地磁场研究三个方面的主要进展及面临的挑战。同时,结合古地磁测试技术的革新,磁发电机实验和超算模拟的应用,生物磁学的发展,阐述古地磁与地质学多学科交叉研究有望在揭示古地磁场变化及其对生物演化方面的贡献。对古地磁场变化的研究不仅有助于理解地磁场的起源与演化规律,也对认识地球的早期演化,甚至其它行星的演化有重要意义。     

地壳运动驱动力的探讨——核能与地球演化

本文综合核物理、天文和地质学的最新研究成果,推导出在45亿年前太阳系的全部原始类地行星及其某些卫星(包括地球及月球)上,发生过大规模的、持续的铀、钚链式核裂变,释出了巨大的热能,熔化了整个原始星球。新星球的物质发生了重力分异作用、形成了按密度划分的圈层结构。地球中心是内地核,在高压下压成了固态。铀、钚下沉到内地核顶部停留,继续发生链式核裂变,但改变不了内地核的固态性质。从此处产生的核裂变能,主要以热对流的形式外导。直到前45亿年以后,铀的链式核裂变停止了,只剩下钚的链式核裂变,生成的热能减少了,地球开始冷凝。当熔浆表面温度下降到700~800℃时,较轻的花岗岩质岩浆首先凝固成薄层。它很脆弱、经不起大风浪和潮汐力的冲击,破碎成小块,随着下面对流的玄武岩质熔浆汇集起来,形成大片飘浮物,后来就成为大陸;小片的便成为岛屿。温度逐渐下降,地幔冷凝成固体。温度下降至100℃以下,大气中的水蒸气冷凝成水,下落汇集在地表低凹处,便有了海洋和湖泊。所以海洋底主要分布着玄武岩。从内地核顶部不断产生的核能以"地幔柱"的形式穿过固体地幔,上升至地壳。受坚硬地壳的隔挡、便集中在地壳下构成软流层。当地壳岩石受热软化和可以流动之后,便开始向压力小的方向流动。又受日、月引力和地球自身自转力的作用,软流层的动能又有了增强。这种巨大的能量支配了地壳的升降、褶曲、断裂、变质、岩浆、火山和地震等活动。地球是天体之一,无时不受自然界各种作用力的影响,但支配它演化的主要作用力是核能。本文还简述了核能、核素与太阳系星体演化的关系。     

从地槽—地台说、板块构造说到地球系统多圈层构造观

从19世纪中叶开始,大地构造理论经历了从地槽—地台说到板块构造说的发展过程。目前,板块构造说虽然仍在盛行,但一个新的大地构造理论——地球系统多圈层构造观(简称多圈层构造观)已在形成中。地槽—地台说,19世纪中叶提出,盛行于20世纪上半叶,是地质学家从理论上研究地壳构造及其演化的开始。地槽—地台说使用的方法是传统的地质学方法;研究领域是大陆地壳,褶皱带(造山带)和克拉通是其研究的核心内容。地槽—地台说大大推动了地质科学的发展,并为地球科学的进一步发展,奠定了良好的基础。板块构造说,起始于20世纪60年代。板块构造使用的方法,除地质学外,加上了地球物理学和地球化学等现代科学和技术手段;研究领域是全球大陆和海洋的岩石圈。板块构造说使大地构造学的研究范围从地球表层扩展到地球内部,从大陆扩展到海洋,极大地推动了地球科学向更高的层次发展。目前,板块构造说虽然仍在盛行,但是不足和缺陷已日益显露出来。地球系统多圈层构造观,孕育于20世纪80年代晚期,目前正在发展中。地球系统多圈层构造观使用的方法更现代化,包括地质学、地球物理学、地球化学以及一切探测地球深部和外层空间的方法、手段;研究领域,已不仅仅是地球表层的地壳或岩石圈,而是地球整体,地球各圈层的相互作用。我们相信,21世纪必将是地球系统多圈层构造观不断发展、不断完善的时代。中国及邻区中、新生代构造演化是全球研究多圈层构造的最理想的切入点之一。我们期待中国地学工作者在新一轮大地构造理论创新中发挥应有的作用。     

地壳中的岩浆储库

岩浆储库是地壳内岩浆储存和演化的主要场所，是地球内外部圈层能量和物质交换的桥梁。对岩浆储库的研究贯穿在整个岩浆岩的研究历史中，并逐渐形成了多种理论假说。本文介绍了岩浆、晶粥等基本概念，总结了地球物理、岩石学和地球化学、数值模拟三种常用的研究手段及其适用范围，重点探讨了大岩浆房模型、晶粥模型和多层岩浆系统模型的主要内容和重要进展，系统比较了不同模型的异同点。这些假说模型并非是非此即彼的，可能反映了岩浆储库在不同演化阶段的状态。最后，本文探讨了岩浆储库模型对岩浆过程、火山喷发和地壳生长等科学问题带来的新的认识和挑战。     

地球磁场起源之粒子起电问题研究

粒子起电问题是解决地球磁场起源中固体地球内部电流形成问题的关键之一。通过引述电化学领域二相流起电机制,建立了有利于分析地球磁场起源的固体地球内部物质流动的双电层模型结构,即液/液界面双电层模型和液/固界面双电层模型,分析了地球外核物质流动及流动起电问题。在地球运动动力和运动定律作用下,地球外核物质的定向移动是形成地下电流、产生磁场的直接原因。研究了形成地磁场电流的一般算法及影响因素,探讨了“静电”的“动电”本质,讨论了双电层模型的适应性、起电电荷电性变化、局部气旋电流、磁异常等问题。指出固体地球内部物质起电电荷电性的改变是地磁场极性倒转主要原因。     

地球自转与地质体系论

本文对比分析了各大地构造学说的特点,认为在地球的各种运动形式中,最重要的是地球的自转。地球在其运动中由于向心力和离心力联合力场作用的结果而形成各个圈层,地球表面形态和各圈层的物质在其旋转过程中发生不同形式的运动,而出现各种地质构造现象及相关的自然现象,诸如大气的流动、海水的进退、岩石的形变、地幔物质运动、各层圈物质交换与变化等等。在地球发展演化过程中,地壳的结构和构造也发生了一系列的变化,板块、构造体系、地槽、地洼、断块、大地波浪等大地构造形迹都是由于地球自转中地壳运动的结果。各种地质现象相互联系的总体,称之谓地质体系。     

天体运行与板块构造运动驱动力探索

本文从研究公转角动量各自独立的星云状物质演化原始天体开始,着重讨论由天体内部力源分布不均衡而产生的物质对流运动理论,地球周围引力场特征及响应,绕银心公转运行的地球壳,核相对运动特征,大陆地壳大规模经向水平运动周期与银河年的关系,以及它们与中前地质构造运动旋回期的对比,从而产：天体内部物质相对运动－地壳大规模经面水平运动行为,是天体尊守以转角动量守恒的一种反映。     

磷的生物地球化学循环研究进展

磷是生命体的必需元素,也是粮食生产的重要限制因素。磷的生物地球化学循环不仅调控着海洋的初级生产力,而且影响着全球气候系统,并决定着磷矿资源的形成和分布,与地球上生命的生存繁衍息息相关。当前“地球系统科学”理论将大气圈、水圈、岩石圈（地壳和上地幔）和生物圈等子系统有机整合,为研究磷的生物地球化学循环提供了更加广阔的视野。基于已有研究,结合“地球系统科学”理论观点,针对磷的生物化学循环获得了以下重要认识： 磷在地质历史时期的演化决定了现今磷在全球范围内（陆地生态系统与海洋生态系统）的循环模式;人类的工业和农业活动作为重要的地质营力,改变了磷的生物地球化学循环过程,造成了磷矿枯竭的资源危机及水体富营养化的环境问题;解决磷短缺的资源危机问题和磷过剩的环境污染问题的关键在于调控引起这些问题的生物地球化学循环过程。     

天体运行与板块构造运动驱动力探索──对史前地质构造运动旋回期成因解释

本文从研究公转角动量各自独立的星云状物质演化成原始天体开始，着重讨论由天体内部力源分布不均衡而产生的物质对流运动理论，地球周围引力场特征及响应，绕银心公转运行的地球壳、核相对运动特征．大陆地壳大规模经向水平运动周期与银河年的关系，以及它们与中前地质构造运动旋回潮的对此。从而证实：天体内部物质相对运动一地壳大规模经面水平运动行为，是天体遵守公转角动量守恒的一种反映。     

The fast dynamo in interstellar turbulence

The α effect and coefficient of eddy diffusivity are calculated for the magnetic field in a random flow with recovery. Such a flow loses its memory abruptly at random times that form a Poisson flow of events. Interstellar turbulence sustained by supernova outbursts is one physical realization of such a flow. The growth rates and configurations of large-scale galactic magnetic fields for this situation are close to those predicted by simple galactic dynamo models. At the same time, the model of a flow with recovery makes it possible to trace the role of the effective “forgetting” of correlations. The presence of this forgetting distinguishes interstellar turbulence from other types of random flows.     

Changes in the poleward energy flux by the atmosphere and ocean as a possible cause for ice ages

It is proposed that the two preferred modes of temperature and circulation of the atmosphere which occurred over the past 100,000 yr correspond to two modes of partitioning of the poleward energy flux between the atmosphere and ocean. At present the ocean carries an appreciable fraction of the transport, for example about three-eighths at 30°N. In the cold mode it is suggested that the ocean carries less, and the atmosphere more, than at present. During the formation of the ice, at 50,000 BP, for example, the overall flux is expected to be slightly lower than at present and during melting, at 16,000 BP, slightly higher. The transition between the modes is seen as a natural imbalance in the atmosphere-ocean energy budget with a gradual warming of the ocean during an Ice Age eventually cluminating in its termination. At the present the imbalance is thought to correspond to a natural cooling of the ocean, which will lead to the next Ice Age.The magnitude of temperature changes in the polar regions differ between the hemispheres in the same way as present seasonal changes, being larger in the northern than in the southern hemisphere.Overall the atmospheric energy cycle was more intense during the Ice Ages than now.Observational tests are proposed by which predictions from the present arguments may be compared with deductions about the environment of the past.Data used for the present state of the atmospheric general circulation are the latest global data available and contain no known major uncertainties. However, data for the oceanic circulation and energy budget are less well known for the present and almost unknown for the past. Hence the proposed imbalances must be treated as part of a speculative hypothesis, but one which eventually may be subject to observational test as no solar variability is invoked.     

Gas kinematics in high-mass star-forming regions from the Perseus spiral arm

We present results of a survey of 14 star-forming regions from the Perseus spiral armin CS (2–1) and ¹³CO (1–0) lines with the Onsala Space Observatory 20 m telescope. Maps of 10 sources in both lines are obtained. For the remaining sources a map in just one line or a single-point spectrum is obtained. On the basis of newly obtained and published observational data we consider the relation between velocities of the “quasi-thermal” CS (2–1) line and 6.7 GHz methanol maser line in 24 high-mass star-forming regions in the Perseus arm. We show that, surprisingly, velocity ranges of 6.7 GHz methanol maser emission are predominantly red-shifted with respect to corresponding CS (2–1) line velocity ranges in the Perseus arm. We suggest that the predominance of the “red-shifted masers” in the Perseus arm could be related to the alignment of gas flows caused by the large-scalemotions in the Galaxy. Large-scale galactic shock related to the spiral structure is supposed to affect the local kinematics of the star-forming regions. Part of the Perseus arm, between galactic longitudes from 85° to 124° , does not contain blue-shifted masers at all. Radial velocities of the sources are the greatest in this particular part of the arm, so the velocity difference is clearly pronounced. ¹³CO (1–0) and CS (2–1) velocity maps of G183.35-0.58 show gas velocity difference between the center and the periphery of the molecular clump up to 1.2 km s^?1. Similar situation is likely to occur in G85.40-0.00. This can correspond to the case when the large-scale shock wave entrains the outer parts of a molecular clump in motion while the dense central clump is less affected by the shock.