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地壳深熔过程中锆石的Zr同位素分馏

中国科学:地球科学 2024年

作者：朱二林夏琼霞李赵雅陈仁旭 James VANORMAN 中国科学技术大学地球和空间科学学院中国科学技术大学岩石圈演化与环境演变全国重点实验室行星探索与前瞻性技术前沿科学中心 Department of Earth Environmental and Planetary Sciences Case Western Reserve University

锆（Zr）作为高场强元素之一,由于有限的Zr同位素数据库,地质演化过程中的Zr同位素行为仍然存在许多疑问.岩浆体系中Zr同位素常用于示踪岩浆分异过程,而对于地壳深熔过程中Zr同位素分异与锆石结晶过程之间的关系仍有待研究.本研究对采... 详细信息

锆（Zr）作为高场强元素之一,由于有限的Zr同位素数据库,地质演化过程中的Zr同位素行为仍然存在许多疑问.岩浆体系中Zr同位素常用于示踪岩浆分异过程,而对于地壳深熔过程中Zr同位素分异与锆石结晶过程之间的关系仍有待研究.本研究对采自南拉萨和北大别两个高温变质地体的混合岩进行了锆石原位Zr同位素分析,结果显示出较大的同位素分馏, δ94/90ZrIPGP值(标记为δ94Zr)变化范围分别为-0.30‰～+0.81‰和-0.58‰～+0.49‰.在这些锆石中,除岩浆源区的残留锆石外,发现有两类新生锆石.根据寄主岩石的类型、锆石的微量元素含量和Zr同位素值,新生锆石可以分为两类:第一类是主要赋存于原位浅色体中的转熔锆石,具有最高的铌（Nb）-钽（Ta）-铪（Hf）-铀（U）含量,其δ94Zr值变化范围较大,并显著高于残留锆石δ94Zr值;第二类是主要赋存于异位浅色脉体中的深熔锆石,具有较高的Nb-Ta-Hf-U含量,其δ94Zr值与残留锆石相似.数值模拟计算表明,新生锆石的Zr同位素组成变化较大,主要是部分熔融过程中锆石和非锆石相的差异分解所释放的Zr同位素不同而导致的.转熔锆石的Zr主要来自于原位深熔熔体中含锆矿物相的分解（非锆石效应）,而深熔锆石的Zr主要来自于演化熔体中残留锆石的溶解（锆石效应）.混合岩中显著的Zr同位素分馏很好地反映了部分熔融过程中深熔熔体生成-迁移-聚集-结晶的动力学过程.因此, Zr同位素可以作为区分地壳深熔过程中转熔锆石和深熔锆石的有力工具.

关键词： Zr同位素锆石效应非锆石效应混合岩地壳深熔作用

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汇聚板块边缘构造演化及其地质效应

中国科学：地球科学 2022年第7期52卷 1213-1242页

作者：郑永飞陈伊翔陈仁旭戴立群中国科学院壳幔物质与环境重点实验室中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026

大洋岩石圈在离散板块边界产生、在汇聚板块边界消失,海底扩张与板块俯冲一起构成地球壳层岩石圈运动的物理耦合-质量守恒关系.俯冲带是汇聚板块边缘物质和能量传输的关键带,自板块构造理论创立以来一直是地球系统科学研究的热点和前沿... 详细信息

大洋岩石圈在离散板块边界产生、在汇聚板块边界消失,海底扩张与板块俯冲一起构成地球壳层岩石圈运动的物理耦合-质量守恒关系.俯冲带是汇聚板块边缘物质和能量传输的关键带,自板块构造理论创立以来一直是地球系统科学研究的热点和前沿.就汇聚板块边缘的动力体制和地热梯度来说,在俯冲带演化的不同阶段具有不同的性质.一般来说,早期低角度俯冲导致板块界面以低地热梯度为主导的挤压构造,晚期高角度俯冲导致板块界面及其上盘以高地热梯度为主导的拉张构造;在俯冲结束之际板片回卷或者断离引起缝合带主动张裂,在俯冲之后的岩石圈去根减薄也引起缝合带主动张裂.由于汇聚板块边缘在几何结构和温压结构上的差异和变化,它们在变质作用和岩浆作用类型上可发生一系列相应的变化.俯冲地壳在弧下深度的脱水熔融是突出的,所析出的流体可以溶解不同浓度的流体活动性不相容元素.这些流体在弧下深度与地幔楔橄榄岩发生化学反应形成交代岩,成为大洋弧和大陆弧镁铁质岩浆的地幔源区.但是,这些交代岩并不是在流体交代过程中就立即发生部分熔融引发弧岩浆作用,而是直到俯冲板片回卷引起软流圈对流加热时才发生熔融.因此,认识汇聚板块不同汇聚阶段在动力体制和地热梯度上的变化,不仅可以为认识俯冲带向造山带的构造演化提供地球动力学解释,而且可以为理解不同类型变质岩和岩浆岩的形成和演化提供板块构造解释.

关键词：板块构造大陆地质汇聚边缘大陆张裂俯冲带造山带

造山带橄榄岩记录的大陆俯冲带多期壳幔相互作用

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地球科学 2019年第12期44卷 4095-4101页

作者：陈仁旭郑永飞中国科学院壳幔物质与环境重点实验室中国科学技术大学地球和空间科学学院安徽合肥230026 中国科学院比较行星学卓越创新中心安徽合肥230026

俯冲带是地壳与地幔之间物质交换的主要场所.前人对大洋俯冲带壳幔相互作用进行了大量研究,但是对俯冲带壳幔相互作用的物理化学过程和机理仍缺乏明确认识.在大陆俯冲带出露有造山带橄榄岩,它们来自俯冲板片之上的地幔楔,是解决这个问... 详细信息

俯冲带是地壳与地幔之间物质交换的主要场所.前人对大洋俯冲带壳幔相互作用进行了大量研究,但是对俯冲带壳幔相互作用的物理化学过程和机理仍缺乏明确认识.在大陆俯冲带出露有造山带橄榄岩,它们来自俯冲板片之上的地幔楔,是解决这个问题的理想样品.通过对大别-苏鲁和柴北缘造山带橄榄岩进行系统的岩石学和地球化学研究,发现地幔楔橄榄岩由于俯冲地壳的交代作用而含有新生锆石和残留锆石,它们能为地壳交代作用时间、交代介质来源、性质和组成提供制约.地幔楔橄榄岩在大陆碰撞过程的不同阶段受到了俯冲大陆地壳衍生的多期不同性质流体的交代作用.地幔楔橄榄岩还受到了陆壳俯冲之前古俯冲洋壳衍生流体的交代作用.深俯冲陆壳衍生熔体与橄榄岩反应形成的石榴辉石岩具有高的水含量,能提供高水含量的地幔源区.

关键词：造山带橄榄岩超高压变质作用壳幔相互作用流体活动俯冲带

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东特提斯构造域变质演化及其构造启示

中国科学：地球科学 2023年第12期53卷 2723-2749页

作者：张强强高晓英陈仁旭郑永飞中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026 中国科学院壳幔物质与环境重点实验室合肥230026 中国科学院比较行星学卓越创新中心合肥230026

横亘中国中部的东西向中央造山系,包括西部的早古生代阿尔金-北祁连-柴北缘-东昆仑-北秦岭-北桐柏造山带和东部的晚古生代-早中生代南桐柏-红安-大别-苏鲁造山带,分别是原特提斯洋和古特提斯洋闭合过程中大洋板块俯冲作用和大陆板块俯冲... 详细信息

横亘中国中部的东西向中央造山系,包括西部的早古生代阿尔金-北祁连-柴北缘-东昆仑-北秦岭-北桐柏造山带和东部的晚古生代-早中生代南桐柏-红安-大别-苏鲁造山带,分别是原特提斯洋和古特提斯洋闭合过程中大洋板块俯冲作用和大陆板块俯冲/碰撞作用的产物.已有研究表明,这些造山带内广泛出露有大量的不同时代不同类型的变质岩,变质作用发生在不同的地温梯度下,形成于汇聚大陆边缘构造演化的不同阶段,因此是重建东特提斯构造域时空演化的理想对象.本研究通过对中央造山系变质岩的变质温度(T)-压力(P)-年龄(t)信息进行集成分析,查明不同造山带变质岩的变质T/P比值空间关系及其随时间的变化,进而系统揭示东特提斯构造域的构造演化以及汇聚板块边缘的温压结构演化.结果表明,尽管不同造山带形成于不同的地质历史时期,但是变质岩的记录均揭示了汇聚大陆边缘P-T演化呈现出相似的规律和趋势.相对于板块汇聚过程而言,变质岩主要经历了三个阶段演化的顺时针P-T轨迹:(1)汇聚早期阶段,低T/P比值的阿尔卑斯型蓝片岩相-榴辉岩相高压-超高压前进(峰期)变质作用;(2)汇聚晚期阶段,中T/P比值的巴罗型中压角闪岩相-高压麻粒岩相变质叠加;(3)汇聚之后阶段,高T/P比值的巴肯型低压角闪岩相-麻粒岩相变质叠加.不过,部分造山带变质岩只经历了早期巴罗型高压麻粒岩相前进(峰期)变质作用以及后期巴肯型低压麻粒岩相变质叠加.在现代汇聚板块边缘,阿尔卑斯型变质作用主要形成于大洋地壳俯冲阶段和大陆地壳深俯冲阶段,巴罗型变质作用既可以形成于大陆地壳硬碰撞加厚阶段,也可以形成于大陆俯冲带由挤压变成拉张导致俯冲地壳折返的阶段,而巴肯型变质作用则形成于板块汇聚之后的陆内张裂阶段.因此,将变质T/P比值及其对应的变质相系与变质作用发生的时间相结合,能够可靠地重建汇聚大陆边缘的构造演化.根据已报道的中央造山系各造山带变质岩不同类型变质作用发生的时间可见,西部原特提斯造山系的大陆碰撞/俯冲发生在500~490Ma(阿尔金、北秦岭、北桐柏)和450~430Ma(柴北缘、东昆仑),陆内张裂发生在460~450Ma(阿尔金、北秦岭、北桐柏)和410~400Ma(柴北缘、东昆仑).与此相比,东部古特提斯造山系大陆碰撞/俯冲发生在250~220Ma,而大陆碰撞后的伸展发生在140~120Ma.从大陆碰撞/俯冲时期的低T/P比值进变质经过深俯冲陆壳折返的中T/P比值退变质到碰撞后高T/P比值的叠加变质,在原特提斯造山系只经历了40~60Myr的时间间隔,而在古特提斯造山系则经历了约为110Myr的时间间隔.由此可见,对于不同的造山系,汇聚大陆边缘均经历了从暖碰撞和冷俯冲到热伸展的构造演化,即一般始于构造挤压体制下以形成中压角闪岩-高压麻粒岩的巴罗型变质相系或者高压-超高压榴辉岩的阿尔卑斯变质相系为特征的大陆碰撞/俯冲造山过程,在深俯冲地壳岩石从地幔深度向地壳深度折返之后,终止于构造拉张体制下以形成高温-超高温变质麻粒岩的巴肯型变质相系为特征的陆内张裂造山过程.

关键词：特提斯构造大洋关闭大陆汇聚地壳变质地温梯度陆内张裂

大陆俯冲带流体活动:超高压变质岩矿物水含量和稳定同位素制约

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岩石学报 2011年第2期27卷 451-468页

作者：陈仁旭郑永飞龚冰中国科学院壳幔物质与环境重点实验室中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026

对超高压变质岩中含水矿物和名义上无水矿物的地球化学研究,极大地深化了我们对大陆碰撞带地壳俯冲和折返过程中流体体制的认识。就流体体制和化学地球动力学来说,有关研究在大别-苏鲁造山带进行的最为详细,因此已经成为研究大陆俯冲带... 详细信息

对超高压变质岩中含水矿物和名义上无水矿物的地球化学研究,极大地深化了我们对大陆碰撞带地壳俯冲和折返过程中流体体制的认识。就流体体制和化学地球动力学来说,有关研究在大别-苏鲁造山带进行的最为详细,因此已经成为研究大陆俯冲带变质的典型地区。本文以大别-苏鲁造山带为对象,从矿物水含量的角度,结合稳定同位素论述了大陆俯冲带流体活动。超高压变质岩中名义上无水矿物含有大量的水,以结构羟基和分子水形式存在。名义上无水矿物中结构羟基和分子水出溶与含水矿物分解共同构成了折返过程中退变质流体的主要来源。名义上无水矿物所释放的水以富集轻的氢氧同位素为特征,而含水矿物分解则提供了富集D的流体来源。折返过程中,名义上无水矿物降压脱水存在亏损D的分子水的优先丢失和不同形式水之间的相互转化。不同岩性的水含量差异导致了它们在折返过程中不同的流体活动行为。大陆板块俯冲和折返过程中,在不同矿物、不同岩性以及板片不同部位之间存在水的再分配;板片的一部分作为富水流体的源,而另一部分可能作为汇。

关键词：大陆地壳超高压变质水含量稳定同位素流体活动地球动力学大别-苏鲁造山带

大陆碰撞和超高压变质的化学地球动力学：来自中国大陆科学钻探的结果

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岩石学报 2007年第12期23卷 3078-3094页

作者：郑永飞赵子福陈仁旭中国科学院壳幔物质与环境重点实验室中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026

利用中国大陆科学钻探工程连续取样的优势,对主孔200～4000m超高压变质岩进行了系统的地球化学研究,结果对大陆俯冲带变质的化学地球动力学提供了新的制约。目前取得的主要成果如下:(1)建立了200～4000m深度的超高压矿物氧同位素变化剖... 详细信息

利用中国大陆科学钻探工程连续取样的优势,对主孔200～4000m超高压变质岩进行了系统的地球化学研究,结果对大陆俯冲带变质的化学地球动力学提供了新的制约。目前取得的主要成果如下:(1)建立了200～4000m深度的超高压矿物氧同位素变化剖面,发现^(18)O亏损深度达3300m。结合大别-苏鲁造山带地表露头岩石达30000km^2的^(18)O亏损,表明扬子陆块北缘曾发生三维空间巨量物质(～100000km^3)的^(18)O亏损;(2)钻孔超高压变质岩的原岩形成于新元古代中期(～780Ma),属于双重双峰式岩浆活动的产物;原岩既有中元古代晚期新生地壳,也有古元古代中期古老地壳。这种双重双峰式岩浆活动出现在弧-陆碰撞带基础上发育的裂谷构造带,是对Rodinia超大陆开始裂解的响应;(3)高压榴辉岩相重结晶作用发生在216±3Ma,高压榴辉岩相重结晶作用持续的时间为1.9～9.3Myr或更短;(4)不同岩性接触带的矿物O同位素、H同位素、全水含量以及羟基含量的研究表明,退变质流体在同位素组成上是内部缓冲的,且退变质流体主要来自于名义上无水矿物中结构羟基和分子水的出溶。定量计算表明,这些出溶的结构羟基和分子水能为角闪岩相退变质作用提供足够的流体来源;(5)在不同岩性接触带,稳定同位素、水含量及岩相学上出现同步变化,表明不同岩性接触带可能是流体活动最剧烈的地方。对于远离榴辉岩-片麻岩接触带的榴辉岩,退变质流体主要来自榴辉岩内部名义上无水矿物中结构羟基和分子水的出溶。对于靠近接触带的榴辉岩,则可能主要受来自比榴辉岩更富水的片麻岩中矿物的脱水作用。根据相邻样品之间的距离、岩相学和δ^(18)O值,可以确定出不同岩性和相同岩性之间氧同位素不均一性的尺度为20到50cm,对应于大陆碰撞过程中流体活动的最大尺度;(6)对两个连续岩芯段的主量和微量元素剖面研究表明,在大陆俯冲带变质过程中,大离子亲石元素(LILE)和轻稀土(LREE)具有较高的活动性,而高场强元素(HFSE)和重稀土(HREE)是不活动的。这些元素的活动可能是由折返过程中大陆地壳的部分熔融导致的,因此指示了超临界流体的出现。折返过程中大陆地壳的这种部分熔融作用导致了不同板片组分之间的质量迁移,但是这种有效的迁移只发生在很小的尺度范围内,在岩相学接触带和裂隙带的局部开放系统中。

关键词：大陆地壳超高压变质稳定同位素流体活动元素活动性地球动力学科学钻探

大别造山带黄镇榴辉岩矿物不同类型地质温度计应用和对比

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岩石学报 2006年第7期22卷 1957-1968页

作者：高天山郑永飞陈仁旭中国科学院壳幔物质与环境重点实验室中国科学技术大学地球和空间科学学院

常用于测定榴辉岩形成温度的有石榴石-绿辉石Fe-Mg配分温度计和石英-矿物对氧同位素温度计。最近的自然观察和实验测定发现,金红石中的Zr含量与温度之间存在线性关系,因此能够用于变质岩测温。本文首次将这三种温度计用于同一产地榴辉... 详细信息

常用于测定榴辉岩形成温度的有石榴石-绿辉石Fe-Mg配分温度计和石英-矿物对氧同位素温度计。最近的自然观察和实验测定发现,金红石中的Zr含量与温度之间存在线性关系,因此能够用于变质岩测温。本文首次将这三种温度计用于同一产地榴辉岩及其中的石英脉。对大别造山带黄镇低温超高压榴辉岩中金红石zr含量的温度计算得到,产于矿物内部金红石Zr含量温度明显地高于粒间金红石Zr含量温度,产于矿物石榴石、绿辉石和黝帘石内部金红石Zr含量温度主要集中在528-589℃之间,而产于粒间金红石的温度主要集中在465～528℃之间。榴辉岩中金红石Zr含量最高的产于石榴石中,但是所计算的温度503-589℃仍然不同程度地低于榴辉岩形成温度670℃。石英脉中金红石Zr含量温度主要集中在465- 528℃之间。石英-耐熔矿物对氧同位素温度主要集中在650-695℃之间,表明耐熔矿物石榴石、锆石和蓝晶石在该区榴辉岩中相对其它矿物来说保存最好,退变质作用最弱,因此其氧同位素温度与峰期超高压榴辉岩相变质条件基本一致。而石英-易熔矿物对温度主要集中在450～510℃之间,与易熔矿物绿辉石、钠云母、斜黝帘石／黝帘石在榴辉岩中蚀变强烈一致,反映了角闪岩相退变质阶段的流体活动。石榴石-单斜辉石Fe-Mg配分温度结果分为三组:795-863℃、629～679℃和468-572℃,其中后两组与金红石Zr含量和石英-矿物对氧同位素测温结果具有可比较性,指示了榴辉岩相变质和角闪岩相退变质过程中的Fe-Mg交换平衡,而第一组温度明显高于已知的榴辉岩相变质温度,表明绿辉石后成合晶导致了部分石榴石与单斜辉石之间的Fe-Mg不平衡。榴辉岩折返过程中的流体活动可能是导致矿物之间元素和同位素扩散交换再平衡或不平衡的基本原因。粒内金红石Zr含量温度仍然不同程度地低于榴辉岩形成温度,可能说明其在进变质过程中形成后相对“孤立”,即使在峰期榴辉岩相条件下也不能与锆石之间达到Zr配分再平衡。粒间金红石Zr含量降低可能与金红石重结晶有关,结果导致它们与锆石之间的Zr配分平衡遭到破坏。

关键词：榴辉岩矿物对温度计元素和同位素流体活动

大陆俯冲带变质过程中熔/流体活动的锆石学记录

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科学通报 2013年第22期58卷 2227-2232页

作者：陈仁旭郑永飞中国科学院壳幔物质与环境重点实验室中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026

对大别-苏鲁造山带超高压变质岩开展了综合的锆石学研究,包括锆石矿相学(内部结构和外部形态)、U-Pb年代学、矿物包裹体、微量元素以及Lu-Hf和O同位素分析.结果不仅深化了变质锆石学研究,识别出了不同类型的锆石,而且为大陆俯冲带变质... 详细信息

对大别-苏鲁造山带超高压变质岩开展了综合的锆石学研究,包括锆石矿相学(内部结构和外部形态)、U-Pb年代学、矿物包裹体、微量元素以及Lu-Hf和O同位素分析.结果不仅深化了变质锆石学研究,识别出了不同类型的锆石,而且为大陆俯冲带变质过程中熔/流体活动性质提供了重要地球化学信息.由于变质熔/流体活动程度和物理化学性质差异,原岩岩浆锆石经历了3种不同类型变质重结晶作用,包括固态重结晶、交代重结晶和溶解重结晶.新生长锆石可以从脱水来源的富水流体和深熔来源的含水熔体中结晶形成.不同类型的受变质和变质成因锆石显示出不同的元素和同位素组成差异.原岩性质控制着富水流体可获得性,而熔/流体的性质则受变质温压条件控制.大陆俯冲带变质过程中熔/流体活动是原岩锆石溶解和变质锆石生长的基本原因,因此变质锆石的生长可以用作熔/流体活动的指示剂.

关键词：变质锆石学变质生长变质重结晶熔流体活动大陆俯冲带

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高中物理“四段式”论证教学研究

高中物理“四段式”论证教学研究

作者：陈仁旭安徽师范大学

学位级别：硕士

科学论证能力是如今公民进行社会生活的基础能力,是科技工作者进行科学研究的必备能力,也是高中物理学科核心素养的重要内容之一。有效的高中物理科学论证教学框架是怎样的?针对这一核心问题,开展了三项研究,具体如下:研究1:高中物理“... 详细信息

科学论证能力是如今公民进行社会生活的基础能力,是科技工作者进行科学研究的必备能力,也是高中物理学科核心素养的重要内容之一。有效的高中物理科学论证教学框架是怎样的?针对这一核心问题,开展了三项研究,具体如下:研究1:高中物理“四段式”论证教学模式建构。在梳理了高中物理科学论证能力相关概念内涵、分析现有的科学论证教学模式本质特点的基础上,以建构主义、不确定性管理等相关理论为理论基础建构高中物理“四段式”论证教学模式。这一模式以学生认知不确定性的“产生”、“提高”、“维持”、“减少”为主线,设计强调论证要素与论证结构、注重学生科学语言使用能力、社会性能力、高阶思维能力发展的论证教学活动。研究2:高中物理“四段式”论证教学的实践研究。选取安徽省W市1所高中某班级55名高一学生实施“四段式”论证教学干预,以自编“高中生物理科学论证能力表现量规”为测评工具,在教学干预前后进行测评,探究“四段式”论证教学对不同性别、家庭背景、中考物理单科成绩、月考物理单科成绩高中生科学论证能力的影响。研究发现,“四段式”论证教学模式能够有效提升不同性别、家庭背景、高中入学物理基础、高中阶段物理学习成绩学生的科学论证能力;这个模式具有实用性与可操作性,值得推广使用。研究3:高中物理“四段式”论证教学的实施建议。在前两项研究的基础上,结合已有相关研究展开综合讨论,提出高中物理“四段式”论证教学的6条实施建议:（1）进行概念教学时,教师要注意围绕主要因素论证概念模型;注重分析综合、演绎归纳等逻辑思维训练;分阶段论证,切勿“一步到位”。（2）进行规律教学时,教师要强调规律成立与使用的条件;注意扩展结论形式,联系不同形式结论;注重从实验与理论出发的归纳与演绎过程。（3）进行实验教学时,教师要培养学生从实验现象及数据中搜集证据的能力;做足准备,把握好实验课堂;提高学生实验积极性,给予学生平等的实验机会。（4）教师专业素养方面,教师要完善自身的论证教学知识与能力;明确论证教学价值,树立正确的教学动机;精研教材,发掘论证教学内容。（5）课堂教学实施方面,教师要补充论证基础知识,保障论证教学顺利开展;创设良好的论证环境,鼓励学生呈现、质疑与批判;强调梳理总结,保障知识与能力的升华;开展论证教学评价,完善论证教学体系。（6）教学其他方面,教师应该忽略性别差异,鼓励女生发展科学论证能力;增进家长交流,为学生科学论证能力的发展提供帮助;注重跨学科联合培养;注重社会性能力培养。

关键词：科学论证高中物理教学核心素养