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深入下地幔：高温高压下的新反应与成分、结构分层

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矿物岩石地球化学通报 2024年

作者：孙宁宇于英鑫张馨月毛竹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比较行星学卓越中心中国科学技术大学行星探索与新兴技术前沿科学中心

本文总结了过去二十多年矿物学研究在下地幔结构相变和矿物反应的研究进展，集中讨论了富Ca布里奇曼石形成以及（Al,H）-SiO2结构相变对下地幔物理性质、物质组成的影响。首先，讨论了富Ca布里奇曼石的形成条件，明确了过往研究中，温... 详细信息

本文总结了过去二十多年矿物学研究在下地幔结构相变和矿物反应的研究进展，集中讨论了富Ca布里奇曼石形成以及（Al,H）-SiO2结构相变对下地幔物理性质、物质组成的影响。首先，讨论了富Ca布里奇曼石的形成条件，明确了过往研究中，温压条件及元素组成对其形成深度的影响存在的矛盾和问题。其次，指出该反应可能导致下地幔物相组成的分层，但其对下地幔速度密度与元素分配的影响尚需进一步研究。第三，通过总结俯冲洋壳中Al和水对SiO2结构相变的影响，以及洋壳碳酸盐与SiO2的反应，探讨了这些变化与下地幔中部不同深度和尺度的低速体之间的关系。最后，提出在地幔相关温压条件下进一步研究铝和水对SiO2结构相变前后速度的影响，这对理解下地幔中部小尺度散射体的形成至关重要。

关键词：下地幔物质和结构分层布里奇曼石-毛钙硅石互溶斯石英 Al和水

安徽涡河流域水化学与同位素特征及水体转化关系

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环境科学 2024年第6期45卷 3196-3204页

作者：许金昭刘桂建司雯刘锐佳王冠宇中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026

以安徽涡河流域为研究区域,通过采集涡河地表水、浅层地下水和中深层地下水样品,运用Gibbs图、离子比例和Mix SIAR模型等方法对各类水体的水化学参数和氢氧同位素进行分析,揭示并量化了各类水体之间的转化关系.结果表明,研究区地表水和... 详细信息

以安徽涡河流域为研究区域,通过采集涡河地表水、浅层地下水和中深层地下水样品,运用Gibbs图、离子比例和Mix SIAR模型等方法对各类水体的水化学参数和氢氧同位素进行分析,揭示并量化了各类水体之间的转化关系.结果表明,研究区地表水和地下水主要呈现中性至弱碱性,地表水的水化学类型以Cl·SO_(4)·HCO_(3)-Na和Cl·SO_(4)-Na型为主,浅层地下水以HCO_(3)-Ca·Mg和HCO_(3)-Mg·Na型为主,中深层地下水主要为Cl·HCO_(3)-Na型.各类水体的水化学特征受到岩石风化、蒸发浓缩及正向阳离子交换等多重因素共同影响.地表水和地下水的δ^(18)O和δ^(2)H分布特征表明大气降水是该区域水体的主要补给来源,且地下水δ^(18)O和δ^(2)H值与K^(+)、Na^(+)、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)和NO_(3)-浓度存在显著相关性.根据Mix SIAR模型分析结果,地表水接受大气降水和浅层地下水的贡献率分别为46.5%和53.5%;浅层地下水的补给来源分别为大气降水(57.4%)和地表水(42.6%);中深层地下水的补给主要来自上游地下水的侧向径流补给.

关键词：涡河流域氢氧稳定同位素水化学特征转化关系 MixSIAR模型

巴罗型变质作用的地质特征及其构造启示:以苏格兰高地和喜马拉雅造山带为例

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岩石学报 2024年第5期40卷 1587-1602页

作者：纪敏高晓英涂聪陈宣锦窦玉欣肖萌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中国科学院比较行星学卓越创新中心合肥230026

巴罗型变质带是汇聚板块边缘富铝泥质岩在中等地温梯度下变质作用的产物,广泛分布于全球各造山带。虽然不同地区的巴罗型变质带具有相似的矿物组合和变质温压条件,但在特征矿物变质带的空间分布上却存在显著差别。苏格兰高地出露了典型... 详细信息

巴罗型变质带是汇聚板块边缘富铝泥质岩在中等地温梯度下变质作用的产物,广泛分布于全球各造山带。虽然不同地区的巴罗型变质带具有相似的矿物组合和变质温压条件,但在特征矿物变质带的空间分布上却存在显著差别。苏格兰高地出露了典型的巴罗型变质带,而喜马拉雅造山带则出露了反转的巴罗型变质带。这两类巴罗型变质带记录了不同的变质和构造演化过程,是对比研究碰撞造山带温压结构和动力体制的时空演化及其地球动力学机制的天然实验室。本文以苏格兰高地和喜马拉雅造山带为例,比较了典型的巴罗型变质带和反转的巴罗型变质带的岩石学与年代学特征,并探讨了它们的形成机制。这两个地区的研究各具特色:苏格兰高地的研究主要聚焦于加热机制,强调软流圈地幔及其派生岩浆等外部热源对巴罗型变质带形成的关键作用;而喜马拉雅造山带的研究则主要关注构造过程,强调逆冲断层的顺序式活动对反转的巴罗型变质带形成的控制作用。进一步,本文将研究视角从巴罗型变质带拓展至巴罗型变质作用,综合考察其加热机制和构造背景,并探讨这对碰撞造山和地壳再造过程研究的启示。

关键词：汇聚板块边缘巴罗型变质作用加热机制构造背景苏格兰高地喜马拉雅造山带

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铁还原细菌矿化产物及其对铁建造沉积的指示意义

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岩石学报 2024年第4期40卷 1299-1310页

作者：韩晓华潘永信中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

铁还原细菌是微生物诱导矿化的典范之一,它可以利用有机质或氢气作为电子供体还原三价铁,并在细胞外矿化形成多种含铁矿物,比如磁铁矿、菱铁矿、蓝铁矿和绿锈等矿物,从而广泛参与自然界中铁元素的生物地球化学循环过程。本文主要介绍铁... 详细信息

铁还原细菌是微生物诱导矿化的典范之一,它可以利用有机质或氢气作为电子供体还原三价铁,并在细胞外矿化形成多种含铁矿物,比如磁铁矿、菱铁矿、蓝铁矿和绿锈等矿物,从而广泛参与自然界中铁元素的生物地球化学循环过程。本文主要介绍铁还原细菌矿化产物的矿物特征、形成条件和影响因素。此外,通过实验室内建立严格厌氧的环境体系,以与微量元素共沉淀的水合氧化铁为底物,本研究分别利用Feap2+和铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4合成非生物成因和生物成因的磁铁矿,结果发现微量元素的存在会改变磁铁矿的形貌和粒径。结合前人提出的微生物可能参与铁建造沉积的过程,本文评估了微量元素作为识别矿物成因指标的有效性,探讨铁还原细菌矿化产物对铁建造沉积的潜在贡献。

关键词：铁还原细菌铁建造磁铁矿菱铁矿微量元素

亳州市典型流域水体可溶态重(类)金属分布特征及风险评价

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环境科学学报 2024年第2期44卷 181-192页

作者：司雯许金昭刘桂建何苗吴海欣王冠宇李永丽中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026 中国科学技术大学生命科学与医学部合肥230026

为了解安徽省亳州市西淝河和茨淮新河流域地表水环境中可溶态重(类)金属元素的污染水平,于2022年夏季对西淝河和茨淮新河水体进行采集,并对Cd、Cr、Pb、V、As、Fe、Mn、Cu和Zn含量进行了测试分析.结果显示,各元素浓度均值从大到小为:Fe>... 详细信息

为了解安徽省亳州市西淝河和茨淮新河流域地表水环境中可溶态重(类)金属元素的污染水平,于2022年夏季对西淝河和茨淮新河水体进行采集,并对Cd、Cr、Pb、V、As、Fe、Mn、Cu和Zn含量进行了测试分析.结果显示,各元素浓度均值从大到小为:Fe>As>V>Mn>Cu>Zn>Pb>Cd.V、As和Fe在西淝河亳州市断面的浓度均值最高,而Cd、Pb、Mn、Cu和Zn在茨淮新河薛集大桥断面的浓度均值最高.水质污染分析结果表明,As是研究区的重(类)金属首要污染元素.Pearson相关性分析和主成分分析表明,Cd、Pb、Cu、Zn的主要来源为人为工业生产活动和船舶运输,V、As、Fe、Mn为人类农业活动和短期清淤工作共同影响的结果.As和Cd是该流域生态风险的主要贡献因子.健康风险评估结果显示,As是研究区地表水水体中主要的致癌污染因子,且儿童作为饮水暴露途径的敏感受体更需要受到关注.

关键词：可溶态重(类)金属元素水质污染分析来源解析风险评价西淝河茨淮新河

2018年日本北海道M_(W)6.6地震震源动力学破裂过程

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地球物理学报 2024年第8期67卷 2972-2989页

作者：谢张迪于湘伟章文波中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

2018年9月5日日本北海道东胆振地区发生了M_(W)6.6地震,震源深度37 km,超过了地壳与上地幔脆韧性边界的深度,且在地表产生了较强的破坏.为研究北海道地震震源区发震构造及产生强地面运动的物理机制,本文基于此次地震的震源运动学模型,... 详细信息

2018年9月5日日本北海道东胆振地区发生了M_(W)6.6地震,震源深度37 km,超过了地壳与上地幔脆韧性边界的深度,且在地表产生了较强的破坏.为研究北海道地震震源区发震构造及产生强地面运动的物理机制,本文基于此次地震的震源运动学模型,针对其震源动力学模型开展了研究,尝试反演了动力学破裂过程.首先,由北海道地震运动学模型分析计算了断层面上的剪切应力,确定其破裂过程基本上是遵循滑动弱化摩擦准则,并由此获得初始模型的震源动力学参数,然后通过试错法反演了这次地震的震源动力学破裂过程.研究结果显示,北海道地震动力学破裂为自破裂起始处以走滑为主,先NE后SW,最终向断层面上倾方向传播,并在断层几何的弯折处产生逆冲破裂.在逆冲破裂的位置,滑动速率和滑动量达到最大值,结合运动学和动力学反演结果分析,推断该区域为强运动生成区,在地面产生的高频地震动是该中等、较深震源地震破坏性较强的主因.

关键词： 2018年北海道地震摩擦准则动力学破裂谱元法

福建沿海地区地热异常热源成因的地球物理分析

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地学前缘 2024年第3期31卷 392-401页

作者：张健何雨蓓范艳霞中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

福建沿海地区是我国东南丘陵沿海地带重要的地热异常区,其成因机制、热源构成一直是我国地热学界关注的重要课题。本文利用热、震、磁、重资料分析了该区地热异常的成因及热量来源。结果表明:福建沿海地区剪切波“低速走廊”与政和—大... 详细信息

福建沿海地区是我国东南丘陵沿海地带重要的地热异常区,其成因机制、热源构成一直是我国地热学界关注的重要课题。本文利用热、震、磁、重资料分析了该区地热异常的成因及热量来源。结果表明:福建沿海地区剪切波“低速走廊”与政和—大埔断裂带和滨海断裂带在深部形成的铲形逆冲断层相关,其东端向下至环太平洋地热带高温热源区,西端向上至漳州、福州地表地热异常区。居里面至莫霍面之间,地温增温平缓,不具备形成现代侵入岩体异常热源的条件。花岗岩放射性生热是地表热异常的重要组成部分,放射性元素热源深度小于5 km,地下水沿导热构造“汲取”围岩放射性生热量,向热田中心汇集形成高温区。我们认为:福建沿海地热异常区的热能由深、浅两种来源组成,深部热能来源于环太平洋高温岩浆,浅部热能来源于花岗岩放射性元素生热。深部热源的热量顺铲形逆冲断层向上传输到地表,浅部热源的热量由地下水汇集到地热田中心。

关键词：福建沿海地区地热异常成因地球物理分析铲形逆冲断层放射性生热率

地幔对流构造模式及其对地球表面构造演化的启示:三维数值模拟研究

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中国科学:地球科学 2024年

作者：相松黄金水吴秉乘中国科学技术大学地球和空间科学学院中国科学院比较行星学卓越中心

本文利用三维球壳区域的地幔对流数值模型,计算分析得到五类地幔对流构造模式,即非板块活动层盖对流模式、类板块活动层盖对流模式、幕式类板块活动层盖对流模式、幕式停滞层盖对流模式以及停滞层盖对流模式;给出了五类构造对流模式的... 详细信息

本文利用三维球壳区域的地幔对流数值模型,计算分析得到五类地幔对流构造模式,即非板块活动层盖对流模式、类板块活动层盖对流模式、幕式类板块活动层盖对流模式、幕式停滞层盖对流模式以及停滞层盖对流模式;给出了五类构造对流模式的典型特征,以及依据板块度、移动度及其均方差的数值分类标准.结果显示,岩石圈的屈服应力对地幔对流处于何种构造模式具有重要影响,随着屈服应力从小到大逐渐增加,地幔对流依次经历前述五类构造模式;瑞利数增大,产生类板块活动层盖对流的屈服应力范围越小,不同构造对流模式间的无量纲转换应力增加.非板块活动层盖对流模式和类板块活动层盖对流模式间的量纲化转换应力有随瑞利数增加而增加的趋势,其他不同构造对流模式间的量纲化转换应力随瑞利数增加而减小;不同构造对流模式间的转换应力总体上与内生热率成反比,转换应力随内生热率增加而减小.构造对流模式转换应力的拟合分析显示,当今地球处于板块构造运动,要求数值模型的岩石圈的屈服应力介于150～250MPa,这与实验岩石学得到的蛇纹岩化地幔岩的强度值接近;如果太古代地幔温度比现在高300℃,那时的地球处于幕式停滞层盖对流模式.地球表面构造运动演化与岩石圈强度以及热演化过程密切相关,在岩石圈强度只有150MPa时,早期地幔快速冷却模型的板块构造开始时间可早于3.8Ga;晚期地幔快速冷却模型,板块构造模式开始时间约在1.5Ga.但在岩石圈强度有200MPa时,晚期地幔快速冷却模型对应板块构造模式开始时间晚至0.95Ga.早期地幔快速冷却模型的板块构造开始时间约在2Ga.早期地球处于幕式停滞层盖对流模式意味着那时仍可能存在俯冲.后期幕式类板块活动层盖对流模式的存在则说明在板块构造运动期间可能也存在间歇的表面构造运动停滞阶段,这或为地球1.0Ga前后的构造活动平静期提供一种解释;同时也表明,一段地质时期的构造不活跃不是板块构造运动没有开始的指标.

关键词：地幔对流构造模式类板块活动层盖对流模式幕式类板块活动层盖对流模式幕式停滞层盖对流模式板块构造运动和地球构造演化

北半球夏季热带和副热带昼间云粒子有效半径廓线特征的分析

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大气科学 2024年第5期48卷 2031-2044页

作者：吴振豪傅云飞中国科学技术大学地球和空间科学学院合肥230026

云粒子有效半径是云微物理中的重要参数,准确获取云粒子有效半径的分布特征对分析云形成、降水及灾害性天气预报、地气辐射收支等都具有重要意义。利用1998~2012年6~8月(夏季)热带测雨卫星(Tropical Rain Measuring Mission,简称TRMM)... 详细信息

云粒子有效半径是云微物理中的重要参数,准确获取云粒子有效半径的分布特征对分析云形成、降水及灾害性天气预报、地气辐射收支等都具有重要意义。利用1998~2012年6~8月(夏季)热带测雨卫星(Tropical Rain Measuring Mission,简称TRMM)搭载的可见光/红外扫描仪(Visible and Infrared Scanner,简称VIRS)的探测资料,分析了夏季热带和副热带地区云粒子有效半径的空间分布和廓线特征。结果表明云粒子有效半径在空间上分布不均匀,粒子尺度分布在5~30μm之间,局部尺度可达30μm以上,并且洋面的云粒子有效半径相比陆面的云粒子有效半径更大;标准差多分布在2~10μm之间,但局部可达10μm以上。不同区域的云粒子有效半径垂直廓线分布表明,随着亮温的降低,云粒子有效半径先增后减;对于小的云粒子有效半径,洋面比陆面的云粒子有效半径廓线大,且北半球副热带比南半球副热带的云粒子有效半径廓线大;对于大的云粒子有效半径,各区域间的云粒子有效半径廓线差异较小;云粒子有效半径标准差廓线分析表明,小粒子、适中粒子和大粒子的标准差大值分别位于冰云、混合云和水云区。本研究结果为模式模拟热带和副热带区域云中粒子有效半径分布特征提供了观测依据。

关键词：云粒子有效半径垂直廓线热带测雨卫星(TRMM) 可见光/红外扫描仪(VIRS) 云参数