试论地球内部流体与地质作用——现代地质科学研究思考

把以地球固体部分作为主要研究对象所建立起来的地质科学称为传统地质科学,它只在该学科研究的起点——沉积地质学和学科研究的最终目的——成矿地质学两个领域不自觉地将地球内部流体放到了重要地位,而在其间的绝大多数研究则忽略了对地球内部流体的讨论,在其原有的知识体系范围内已找不到关于地球内部物质和能量转移、转换等方面所存在的大量问题的解决途径和完整答案。现代地质科学的发展已经开始将地球内部流体作为主要研究对象,并将其贯穿到了所有地质学研究的领域当中。其基本出发点应是：地球内部流体广泛存在,并永不停息地运动着,它与固体地球部分同样重要,是现代地质科学研究的主要对象。它不仅在各种地质作用中起着极其重要的作用, 而且, 它基本上可以认为是一切地质作用的最初根源, 也就是说, 流体作用贯穿于一切地质作用( 包括构造活动、岩浆作用、变质作用、沉积作用、成矿作用、地质自然灾害等) 过程的始终。地球内部一切地质作用又通过地球内部流体有机地统一在一起。可将地球内部流体按其与特定地质作用的关系划分为具包含循环性质的初始流体、过程流体和终结流体三类。针对目前的研究大量地集中在过程流体和终结流体方面的现状, 在体现现代地质科学和传统地质科学本质区别的地质作用初始流体方面进行了系统整理和论述, 并提出了可能成为现代地质科学基础性学科的(地球内部) 流体统一地质学。     

对地质节律与地球动力系统的思考

文章对地质历史过程中出现的各种节律现象进行了分析，并就其可能的形成原因进行了初步讨论，认为地球的内部动力作用是地质节律形成的主要的动力学背景。地球内部动力系统的能量主要来源于原始增生热、短寿命放射性核素和长寿命放射性核素衰变产生的辐射能等；能量主要以热传导、热对流的方式由地球内部通过岩石圈向外耗散，并导致岩石圈的板块运动；内部能量的释放是呈指数衰减的，在此背景上叠加着非线性的、脉冲式的变化。在分析地球动力系统的主要特征基础上，笔者将地球视为一个自组织临界状态的自然系统，提出一个简单地球热动力系统模型，对地质节律现象进行模拟，并对未来地球动力系统模型要考虑的主要问题进行了简要讨论。     

用化石天长计算地球年龄的方法及意义——如何理解地球年龄

天长（一天时长）是地球自转速度的直接反映。古生代-中生代化石记录的天长数据表明,古生代-中生代期间的天长随时间呈线性增加。根据角动量守恒定律,这意味着同时段地球自转速度呈线性衰减。如果把这个趋势应用于地球历史的全过程,计算结果为4.519～4.495 Ga,与目前公认的地球绝对年龄4.54 Ga一致。这意味着,从这个时间点起,地球有一种自转速度衰减的总趋势。地球自转速度衰减年龄等值于地球年龄说明：1）所测量的陨石样本生成的时间（表征地球年龄）与地球受月球吸引形成自转减速的时间几乎相同。这意味着地-月体系形成之前的地球比该陨石表征的地球年龄更为古老。2）地球、月球、自转速度衰减时长,三者的年龄呈现等值状态,因而此结果与月球起源于大碰撞的假说可以匹配。     

地球节律的成因

地球节律主要受地球内部能量间歇性的释放所控制。旋转系统有不同于非旋转系统的位能、热能和旋转能的相互转换方式。在重力分异和热对流过程中，地核不仅有巨量热能，而且有巨量的旋转能和放射性蜕变能。这是地球能量释放的内因。天文因素使地球内核周期性地南北振动，使地球轨道、体积，形状、自转速度、公转速度和差异旋转状态周期性地变化。这是地球能量间歇性释放的外因。对作差异旋转的内核而言，万有引力常数Ｇ的变化可以改变太阳辐射量和太阳系体积，影响核幔的角动量交换和地壳地幔容积，造成热幔柱的形成与喷发，控制了核幔边界的能量交换过程。这是天文周期与地质旋回一一对应的原因，也是地球节律产生的根本原因。这使人们可以从天文周期预测地质变动。     

Evolution of the Earth's atmosphere and its geological impact

Current problems with the ozone layer and rising carbon dioxide levels have highlighted the importance of the atmosphere, with its delicate balance of gases. In fact, the atmosphere has been changing since the Earth formed. From anoxic beginnings to its current oxygenated state, it has influenced depositional processes on the Earth's surface and helped the development of active, oxygen-breathing life forms that culminated in ourselves. Evidence for changes in the atmosphere is found in the sediments accumulated on the Earth's surface, where fossils are also preserved. In this article the major geological aspects of the atmosphere's evolution are considered; in particular, the role of oxygen is aired.     

The effect of nitrogen on the compressibility and conductivity of iron at high pressure

Although nitrogen in the Earth’s interior has attracted significant attention recently,it remains the most enigmatic of the light elements in the Earth’s core.In this work,synchrotron X-ray diffraction(XRD)and electrical conductivity experiments were conducted on iron nitrides(Fe₂N and Fe₄N)in diamond anvil cells(DACs)up to about 70 GPa at ambient temperature.These results show that iron nitrides are stable up to at least 70 GPa.From the equation of state(EOS)parameters,iron nitrides are more compressible than iron carbides.Moreover,using the van der Pauw method and Wiedemann-Franz law,the electrical and thermal conductivity of samples were determined to be much lower than that of iron carbides.The conductivities of Fe₂N and Fe₄N were similar at 20–70 GPa,suggesting no evident effects by varying the N stoichiometries in iron nitrides.Iron nitrides are less dense and conductive but more compressible than carbides at 0–70 GPa.This study indicates that less nitrogen than carbon can explain geophysical phenomena in the deep Earth,such as the density deficit.     

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。     

地球深部物质科学——在静高压大腔体实验研究方面的某些进展

介绍近年来使用静态超高压大腔体实验技术 ,在模拟地球内部的高温高压条件下 ,对地球物质进行的若干物理和化学性质的实验研究。高压同时高温条件下多种岩石样品的弹性波速就位测量揭示出物质的声软化现象和振幅效应 ;高温高压下陨石和岩石的熔融结晶实验发现了陨石硅酸盐相的不混溶现象以及玄武岩熔体结构的变化 ,在玄武岩转变为榴辉岩的实验中观测到了刚玉相 ;在高温高压水的实验中 ,发现了冰 Ⅶ 的亚稳相和熔融前效应以及超临界水及其稀溶液的一些新性质。这些实验结果为探索地球深部物质的性质和状态以及迁移和演化提供了新的依据。     

新星云假说下地球扁率变化上限及影响因素

地球的形状变化是地球演化研究的基本问题之一。为了确定地球形状的变化需要了解各个地质历史时期地球扁率的变化。根据位场球函数理论导出地球的扁率公式,研究扁率与地球的半径、质量和角速度的关系。基于新星云假说推测地球的半径、质量和角速度的变化量,计算出地球在各个时期的扁率并作为上限并画出曲线,各地质历史时期中地球扁率的真实值应该小于计算的扁率值。地球的扁率自地球形成以来脉动变化的情况下总体趋势在减小。影响地球扁率的因素有平均半径、质量和角速度,分析发现地球形成后5亿年为时间起点计算,到现在(共41亿年)为止平均半径变化对扁率的总影响约为3%,质量变化的总影响没有超过百万分之三。而角速度的减小对扁率变化的贡献超过97%。地球扁率共减少了74.3%。     

金属稳定同位素示踪地球增氧事件

早期贫氧地球如何演化至现今富氧地球是理解地球宜居性形成与演化的关键,但重建地质历史时期地球大气与海洋氧含量仍是地球科学领域的重大挑战.金属稳定同位素的高精度测试分析为示踪地球大气与海洋氧化历史提供了新的研究手段.以Mo、U、Tl、Cr四种氧化还原敏感金属稳定同位素体系为例,详细介绍了氧化还原敏感金属稳定同位素地球化学行为及分馏机理.在此基础上,系统回顾了金属稳定同位素在研究产氧光合作用的起源、大氧化事件（Great Oxidation Event,GOE）、中元古代大气和海洋氧化还原状态、新元古代氧化事件（NOE）等重大科学问题中的研究进展.金属稳定同位素在重建地球表层圈层氧化过程具有广阔的应用前景,对认识地球宜居性的演化历史以及探索其未来发展趋势具有深远意义.      

“白云岩问题”与“前寒武纪之谜”研究进展

白云岩的成因是沉积学界倍受关注的研究主题;众多的白云岩化模式可以用来解释各种成岩白云岩的成因;然而原生白云岩的成因一直是困扰沉积学界的难题,被称为“白云岩问题”。究其原因主要在于：在近地表环境的常温、常压实验条件下不能生成完美有序的白云石矿物。近年来,野外观测和实验模拟研究发现某些微生物的生命活动可导致白云石于地表常温、常压条件下发生沉淀。如硫酸盐还原细菌和产烷菌的调节作用可以克服白云石晶核形成的动力学障碍,在这些厌氧菌的参与下,白云石晶核形成和沉淀并不需要高镁离子和过饱和状态的溶液环境。这种微生物学和沉积学的结合代表了一个新的研究方向,同时也为解决“白云岩问题”带来了新希望。泥晶白云岩化作用（mimetic dolomization）可以保留原矿物（文石或方解石）的晶形、原岩的微细组构,对解释地史时期保存原生构造的白云岩具重要的启示。“前寒武纪之谜”是指前寒武纪叠层石中缺乏钙化蓝细菌化石的现象。参与碳酸盐岩叠层石建造的微生物群组成可能随着地质历史的演化发生变化,蓝细菌在显生宙的叠层石建造过程中起主导作用,细胞体积更小的真细菌很可能是参与前寒武纪叠层石建造的主要微生物。     

同步辐射激光加温DAC技术及在地球深部物质研究中的应用

实验室模拟地球深部的温度和压力环境,研究地球相关材料的物理和化学性质,是解释地震波数据、进一步了解地球内部结构和动力学过程的重要途径。用高功率的红外激光光束,加温金刚石对顶砧压腔(DAC)中的样品,可以获得深部地幔乃至地核的极端温度和压力条件,已广泛地用于地球深部矿物的相变、熔融和状态方程研究。同步辐射微束技术的发展,为激光加温DAC技术的应用开辟了新的领域,也使地幔及地核条件下的矿物研究有了重要的突破。文章介绍激光加温DAC技术的发展;阐述高温高压原位的同步辐射X射线衍射方法;例举激光加温DAC技术在地球深部物质研究中的一些应用;并对一些关键的技术问题加以分析和讨论。     

GPS技术在化探工作中的应用

GPS全球定位系统是由24颗卫星组成的一套连续不断地向地球GPS接收机发送时间和位置信息的卫星系统,经解算后,可以给出运动物体各种信息.现今已得到广泛的应用,在化探工作中主要用于定点、导航、航迹监控等,为化探工作野外施工质量监控提供保障,其与MapSource、MapGis软件相结合实现了地球化学资料的信息化管理及各类地球化学图件的编制,大大的降低了化探工作者劳动强度.     

地球表层形态分析的定量注记

地球的表面形态结构,是一种随机型的空间分布格局。本文企图以某种定量的、预测的方式,对于此种格局加以理论上的归纳。分别应用力能学分析和统计学分析两种完全不同的思考方法,获得了地球表层的海拔高度上限约21km。这一基本理论问题的合理解决,将使地球表层的一系列基本特性如动力学参数、热力学参数、行为学参数、系统学参数等有更加精确和更加严谨的表达。在此基础上,作者又从理论上推演了地球表层高度-面积分布的宏观趋势,并将其计算的结果与实际统计的结果进行对比分析,取得了比较满意的总体检验。     

新地球观

One of the most important achivements on science in 20th century is the new recognition on the Earth:the Earth,out of the other planets, exhibits very peculiar features because it has an extremely complex and active periphery part (surfacial layers). This periphery part is an open system sustained by inputting solar energe , which is captured , transfered and stored by life. Through the system , cyclings of matters and energe flow are driven and regulated by life activities. This system is self-equilibrated,self-controlled and far away from astrophysical and thermodynamic equilibria mainly because of life and life activities.
Development of human calture influences increasingly on流Earth's periphery system , at last , the natural biosphere that has existed for 3 billion years on the Earth's surface will inavoidably be replaced by so called "noosphere",which is man一reconstructed,man-controlled and unstable system. Thus the fate of the Earth,to a great extent,will be determined by the direction of human calture evolution.
     

地球深部科学研究的新进展——记2007年美国地球物理联合会(AGU)

主要根据2007年美国地球物理联合会(AGU)秋季会议的资料,简述了地球深部科学研究最近几年来的新进展。主要涉及以下几方面领域:复杂的地球动力学模拟到状态方程理论和实验研究;地幔相变和地震的不连续性到深源地震机制;地核的结构和动力学到地球内部的挥发性物质和熔体等地球深部科学研究。从会议的内容看出有三个亮点是值得我们注意的:(1)学科间的融合是地球深部科学研究的主流方向;(2)国际间的合作是当前地球深部科学研究的一大亮点;(3)高精度的技术(超级计算机(supercomputers)和集群(clusters)纵观计算机)是地球深部科学研究的新手段。中国科学家应该关注固体地球科学中这个前缘研究同时共享世界先进科学研究的新成果。     

地球磁极倒转的星地碰撞成因

地球磁场多次发生南北(正负)磁极位置的变换, 即极性倒转, 这已为大家所公认; 但造成这种极性倒转的原因, 则是迄今未能很好解答的一个难题.基于地球磁场的发电机效应理论和星地碰撞的动力效应研究, 探讨了外星撞击地球造成地磁场极性倒转的可能性.研究表明, 当外星沿与地球自转的正逆不同方向撞击地球时引起的地球转速快慢变化, 可导致地球内部核、幔圈层之间的转速相对快慢关系(相对运动方向)发生改变, 从而受其控制的液核涡旋方向及相应的地磁场方向也会随之改变, 于是就形成地磁极性倒转.这是一个新的思路, 它给地磁极性倒转提出了一个简明的动力机制解释.      

Not so rare Earth? New developments in understanding the origin of the Earth and Moon

A widely accepted model for the origin of the Earth and Moon has been a somewhat specific giant impact scenario involving an impactor to proto-Earth mass ratio of 3:7, occurring 50-60 Ma after T₀, when the Earth was only half-accreted, with the majority of Earth's water then accreted after the main stage of growth, perhaps from comets. There have been many changes to this specific scenario, due to advances in isotopic and trace element geochemistry, more detailed, improved, and realistic giant impact and terrestrial planet accretion modeling, and consideration of terrestrial water sources other than high D/H comets. The current scenario is that the Earth accreted faster and differentiated quickly, the Moon-forming impact could have been mid- to late in the accretion process, and water may have been present during accretion. These new developments have broadened the range of conditions required to make an Earth-Moon system, and suggests there may be many new fruitful avenues of research. There are also some classic and unresolved problems such as the significance of the identical O isotopic composition of the Earth and Moon, the depletion of volatiles on the lunar mantle relative to Earth's, the relative contribution of the impactor and proto-Earth to the Moon's mass, and the timing of Earth's possible atmospheric loss relative to the giant impact.     

一维地球动力系统温度模拟

概述了模拟地球内部温度结构对研究地球动力系统的重要意义,提出一个切实可行的一维热演化模型。根据该模型计算出地表幕式能量释放及其随时间的演化和地球内部温度梯度随时间的变化规律,据此探讨了地球内部能量传输机理与地质演化节律的关系,地球内部温度梯度变化和圈层分异的情况。     

九十年代固体地球科学及超大型矿床研究若干进展

90年代，国内外地学工作者将现代科学的新方法、新技术应用于地球科学研究中，通过深海钻探、高温高压技术与地球物理手段等多种方法综合研究，致使在：地球的核-幔组分；CO2的起源、全球变化及其与成矿的关系；岩石圈的演化与缺氧事件、生物灭绝、海底扩张及成矿的相关性等诸多固体地球科学研究领域，均取得了若干最新的认识和重要进展。本文还对超大型矿床及分散元素成矿机制等的研究新进展分别作了阐述，并提出在华南和西南地区要重视晋宁期和喜山期成矿作用的研究。