天然矿物光电效应:矿物非经典光合作用

地球上生物因受到太阳光辐射作用而进化出结构精致的光合作用系统。太阳光辐射对地球表面广泛分布的无机矿物的影响与响应机制长期未被重视与理解。我们新发现的地表“矿物膜”转化太阳能系统,具有潜在的产氧固碳作用,体现出自然界中固有的矿物光电效应与非经典光合作用。本文在总结自然界中矿物光电子能量特征,特别是地表“矿物膜”特征及其光电效应性能的基础上,重点探讨铁锰氧化物矿物表现出的光电效应、产氧固碳作用与地质记录。提出矿物享有光电效应特性,地表“矿物膜”富含水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿物,在日光辐射下具有稳定而灵敏的光电转换性能,产生矿物光电子能量;提出矿物拥有非经典光合作用的性能,自然界无机矿物转化太阳能系统类似生物光合作用吸收转化太阳能的产氧固碳系统,地表“矿物膜”光催化裂解水产氧作用及其转化大气和海洋二氧化碳为碳酸盐矿物作用,孕育出“矿物光合作用”;提出矿物具有促进生物光合作用的功能,生物光合作用中心Mn₄CaO₅在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的锰簇化合物结构体,初步认为水钠锰矿可能促使蓝细菌光合作用系统的起源,矿物影响与削弱水分子氢键以改变水的性质,可提高水的分解程度与光合作用效率,为进一步探索矿物促进生物光合作用机理提供科学技术突破的机遇。     

新疆阿克苏地区新元古代沉积特征对裂谷发育过程的指示

阿克苏地区地处塔里木克拉通西北部的盆-山结合部位,新元古代地层齐全且发育前寒武纪蓝片岩,保留了新元古代从洋壳俯冲汇聚到陆壳拉张伸展过程的记录,是近年塔里木新元古界研究的热点及重点地区。但阿克苏地区新元古代地层层序和沉积体系的研究较为薄弱,构造对沉积充填的控制作用仍不清楚,由此也制约着对塔里木克拉通初期裂谷发育演化的认识。本文综合地层学、沉积学等多种研究手段,分析阿克苏地区新元古代地层展布及垂向发育特征,将多处实测剖面与钻井-地震剖面结合,构建了阿克苏地区新元古代地层发育序列及空间对比格架。明确了由裂陷控制的沉积相类型及演化：南华纪巧恩布拉克组先后发育冲积扇/扇三角洲、水下-冰川亚相（冰碛岩）及深水陆棚相;尤尔美那克组,早期以陆上-冰川沉积为主,晚期以冲积扇沉积为主;震旦纪苏盖特布拉克组由冲积扇过渡到辫状河三角洲和潮坪相;奇格布拉克组以碳酸盐岩台地沉积为主。通过盆-山构造结合沉积序列分析,确定新元古代经历了三个构造-沉积演化阶段：（1）局限深裂谷发育阶段（南华纪）,充填冲积扇/扇三角洲及深水陆棚相沉积,其中发育两期不同环境的冰川沉积;（2）裂谷扩张期（震旦纪早期）,火山活动强烈,发育冲积扇-辫状河三角洲、潮坪相沉积;（3）坳陷发育期（震旦纪晚期）,广盆浅海环境,发育碳酸盐岩台地。     

基于钢筋锚杆接地电阻评价锚固质量研究

本文采用接地电阻作为评价钢筋锚杆锚固质量的标准.当锚杆、砂浆、围岩三者接触不密实、不均匀时必然会引起锚杆接地电阻的变化.因此将锚杆接地电阻的理论计算值作为评价锚固状态的参照,利用实际测量值与之作比较,从而对锚杆质量进行分级评价.在利用此方法评价锚杆质量时,准确测量锚杆的接地电阻则尤为重要,采用6极法可以消弱由于大地的各相异性对于接地电阻测量带来的误差,提高测量精度.     

荒漠地区地表反照率与土壤湿度相关性研究

本试验分别对腾格里沙漠东南缘沙坡头地区流动沙丘和1964年建植的人工固沙植被区生物土壤结皮的地表反照率和土壤湿度进行了同步测定。分析了该区这两种地表类型的反照率与太阳高度角和土壤湿度的相关性,分别提出了地表反照率与太阳高度角和土壤表层(0～2 cm)湿度的经验拟合关系式。结果表明,地表反照率随太阳高度角增加呈指数递减;排除太阳高度角的影响后,地表反照率随土壤湿度的增加也呈指数递减关系;流沙地表反照率对土壤湿度变化的响应要比生物土壤结皮地表敏感。     

华南沿海风沙危害防护体系及其效益分析

海岸风沙危害防治是一项涉及海洋工程、风沙地貌和空气动力等多学科交叉的难题。由于风水两相耦合作用,海岸风沙活动较内陆沙漠地区有其独特的地域环境特征,加之潮汐作用、海浪的冲刷和台风的严重威胁,以及海水对防沙材料的浸蚀作用,使海岸风沙危害防治与实践更加复杂和困难。根据海岸风沙活动规律及潮汐作用特点,借鉴包兰铁路沙坡头段风沙危害防治体系的经验,提出了以阻为主、阻固结合、以工程措施为先导、最终以生物措施替代工程措施的综合防治思路,建立海岸风沙危害综合防护体系,并对其防护效益进行了分析。     

含白云石天然碳酸盐岩在中红外波段的辐射特性研究

利用红外发射光谱研究了含白云石天然碳酸盐岩及主要组成矿物的红外发射光谱特征,探究了影响其红外辐射性能的因素。X射线衍射(XRD)和微区拉曼光谱(Raman)结果显示白云石(70%)、方解石(25%)和石英(5%)是该天然碳酸盐的主要组成物相。基于黑体辐射定律以及在80℃时、400～2 000 cm-1各矿物的辐射能量谱,显示碳酸盐岩、白云石、方解石和石英的发射率依次减少(1. 010、1. 000、0. 997、0. 958),白云石是碳酸盐岩红外辐射性能的主要贡献者。在本文研究的温度和波长范围内,含白云石碳酸盐岩中主要组成矿物的热容是温度的函数,白云石高的热容有利于提高整体的热辐射性能;矿物颗粒直径对热辐射的传播有一定的影响,颗粒直径接近于辐射波长时热辐射出现衰减导致发射率降低;当化学键(C—O键、Si—O键)的振动出现在发射光谱窄的发射带范围内(1 350～1 500 cm-1和950～1 275 cm-1)则会导致相对较高的辐射能和发射率。     

基于土颗粒级配预测非饱和渗透系数函数的物理方法

针对非饱和渗透系数函数研究中引入未知经验参数会降低预测可靠度的问题,对土样颗粒级配曲线上划分的粒组分别构建形如立方体的天然土颗粒集合体与理想球体颗粒集合体。通过分析两者的几何特征和物理性质,提出计算土孔隙半径的理论表达式;将每个粒组对应的孔隙简化为理想圆柱形孔隙,基于天然土孔隙与理想孔隙内水分流量的相似关系,结合Hagen-Poiseuille公式,构建预测非饱和渗透系数函数的物理方法。依据非饱和土水力特性数据库UNSODA中8个典型土样的持水试验结果验证了孔隙半径表达式在表征土孔径分布时的合理性。结合该数据库及已有文献中26个土样的非饱和渗透试验结果对物理方法进行了验证,通过计算非饱和渗透系数预测值与其实测值之间的相关系数发现其在0.703～0.999范围内变化,并对土样非饱和渗透系数与体积含水率关系的形态和吻合度描述较好,为研究土的非饱和渗透特性提供了一种无需引入未知经验参数的新方法。     

地表“矿物膜”:地球“新圈层”

地球表层是一个极为复杂的开放系统,其中所充满的阳光、大气、水分、有机酸、无机酸/盐、矿物质和微生物等彼此之间无时无刻不在发生着人们尚未充分认识到的多种自然作用。本文采用环境矿物学、半导体物理学与光电化学等交叉学科研究手段,在我国南方红壤、西南喀斯特和西北戈壁等典型陆地生境中,发现直接暴露于太阳光下的土壤/岩石表面广泛发育有几十纳米到数百微米厚度的铁锰氧化物"矿物膜";详细研究了铁锰氧化物"矿物膜"中矿物组成及其精细结构特征,发现半导体性能优异的水钠锰矿普遍存在,其晶体结构中富含促进其光催化功能的稀土元素Ce。在这些生境中,矿物岩石表面所包覆的铁锰氧化物"矿物膜"总是朝着太阳光发育,岩石背面却不出现"矿物膜",揭示出太阳光照射下的地球陆地表面普遍存在的"矿物膜"与太阳光有着直接的响应关系。光电化学测试结果显示,天然"矿物膜"具有较好的日光响应性能,由其制成的电极在可见光照射下皆能产生明显的光电流,而不含铁锰氧化物矿物的岩石基质样品及石英、长石等矿物样品几乎不产生光电流,表明"矿物膜"光电流的产生主要与铁锰氧化物有关。进一步测得"矿物膜"中主要铁锰氧化物的禁带宽度均小于2. 5eV,证明其均为对可见光具有广泛而良好吸收的天然半导体矿物。以全球日光平均辐照强度100mW/cm~2计以及全球典型生境中"矿物膜"分布面积估算,全球"矿物膜"吸收太阳能等效为生物质能的最大量与2017年度全球糖类产量(1. 92亿吨)相当。铁锰氧化物"矿物膜"不仅存在于陆地地表,还存在于海洋透光层中。可以认为地表"矿物膜"是地球上分布最广的天然"太阳能薄膜",从功能上"矿物膜"相当于继地核、地幔和地壳之后的地球第四大圈层,事实上构成了地球"新圈层",也是地球在太阳光能量驱动下发生外营力地质作用的关键地带。在此基础上,本文提出从"矿物膜"中产生的矿物光电子与太阳光子和元素价电子共同组成了地表存在的三种主要能量形式的认识。深入探讨太阳光照射下地表多圈层交互作用界面上所发生的电子传递与能量转化的微观机制,有助于深刻理解地表"矿物膜"这一地球"新圈层"如何影响地球物质演化、生命起源进化与环境变化演变的宏观过程。     

近震S波震相实时自动识别方法研究

提出了一种用于地震早期预警的S波震相实时自动识别方法. 该方法不对原始信号进行任何滤波处理, 直接对三分向记录进行计算分析. 首先根据P波前0.5 s数据的卓越频率计算适用于该三分向记录的窗长, 采用由偏斜角和水平能量与总能量比值的平方积作为确定S波识别区间的特征函数, 将特征函数已有数据的5倍均值和5倍方差之和作为识别区间的触发阈值; 然后采用VAR-AIC方法对两个水平分向识别区间的数据分别计算分析, 对两个识别结果进行判断, 最终确定S波初动时刻. 经过对118个三分向记录的实际应用验证, 通过自动识别结果与人机交互震相识别结果相比, 本文方法对于S波相对P波尾波信噪比大于5 dB的地震记录, 其识别误差小于0.1 s的概率高达89.39%.      

双室电化学体系中产电微生物与黄铁矿单晶协同电子转移反应

通过构建产电微生物—黄铁矿双室体系, 应用电化学方法对以黄铁矿单晶电极作为产电微生物电子受体时, 两者间的电子转移过程进行表征和分析.结果显示, 与惰性石墨电极相比, 以黄铁矿单晶作为产电微生物电子受体时, 体系最大功率密度提升132.9%;电化学阻抗谱显示, 黄铁矿单晶电极极化电阻降低98.8%, 表现出优良的电化学反应特性, 表明产电微生物与黄铁矿单晶间具有良好的电子转移活性.籍由产电微生物对底物的氧化作用, 与黄铁矿单晶接受产电微生物电子在0.34 V(相对于饱和甘汞电极)处发生的还原反应, 构成了两者间完整的协同电子转移过程.