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稀有金属矿物微区同位素定年与示踪

岩石学报 2024年第4期40卷 1023-1043页

作者：杨岳衡吴石头车旭东杨明黄超王浩杨进辉王汝成吴福元中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室北京100029 南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室南京大学地球科学与工程学院南京210023 浙江大学海南研究院三亚572025

作为战略性关键金属矿产资源,钨、锡、铌、钽、锂、铍、铷、铯、锆、铪、稀土等稀有金属,在国民经济与国家安全方面有着重要的研究意义。稀有金属矿石矿物微区同位素定年与示踪,是开展稀有金属矿床成矿作用研究的最直接手段,具有整体分... 详细信息

作为战略性关键金属矿产资源,钨、锡、铌、钽、锂、铍、铷、铯、锆、铪、稀土等稀有金属,在国民经济与国家安全方面有着重要的研究意义。稀有金属矿石矿物微区同位素定年与示踪,是开展稀有金属矿床成矿作用研究的最直接手段,具有整体分析无可比拟的优点。近年来,钨锡铌钽锆铪稀土等稀有金属矿物微区U-Pb定年与Sr-Nd-Hf同位素示踪发展迅速,而锂铍铷铯等稀有金属矿物微区Rb-Sr/Lu-Hf定年正蓬勃发展。本文综述了黑钨矿、白钨矿、锡石、铌钽矿(铌钽氧化物类矿物的简称)、独居石、磷钇矿、氟碳铈矿等稀有金属矿物微区U-Pb定年与Sr-Nd-Hf同位素示踪技术主要进展,展望了锂云母、铁锂云母、铯沸石、钾长石(天河石)等微区Rb-Sr定年与磷钇矿、磷灰石、褐帘石、独居石、黑钨矿、白钨矿等微区Sm-Nd和Lu-Hf定年的广阔前景,获得如下认识:(1)低铀矿物U-Pb定年,除了采用高灵敏度磁式等离子质谱外,元素成像技术能很好地揭示微量元素之间相关性,进而快速锁定高U/Pb区域,提高低铀矿物U-Pb定年成功率;(2)铌钽矿-锡石激光微区Hf同位素能够直接示踪花岗岩-伟晶岩稀有金属成岩成矿物质源区,但这方面工作仍需进一步加强;(3)碰撞/反应池等离子质谱的出现,使高Rb/Sr、Sm/Nd或高Lu/Hf比矿物的同位素定年成为现实,是未来稀有金属激光微区同位素年代学发展的新方向;(4)实验方法研发与标准物质研制相辅相成、相互促进,仍是当前迫切需要解决的关键技术难题。随着战略性关键金属日渐成为国内外成矿作用研究的热点,钨锡铌钽锂铍铷铯锆铪稀土等稀有金属矿物微区同位素定年与示踪方法研究,必将为我国新一轮稀有金属矿床学研究做出应有的学术贡献。

关键词：稀有金属微区分析同位素定年与示踪 U-Pb/Rb-Sr/Lu-Hf年代学

前板块构造与大陆起源研究进展及关键科学问题

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科学通报 2024年第12期69卷 1572-1585页

作者：龙晓平赵国春翟明国郭敬辉初航彭澎张少兵尹常青西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室西安710069 香港大学地球科学系中国香港中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈国家重点实验室北京100029 中国地质调查局天津地质调查中心天津300170 中国科学技术大学地球和空间科学学院中国科学院壳幔物质与环境重点实验室合肥230026 中山大学地球科学与工程学院珠海510275

本文总结了现阶段前板块构造与大陆起源研究的三大重要进展:(1)提出了地幔柱构造、重力凹沉构造和热管构造的前板块构造模式;(2)揭示了非板块构造与板块构造的标志;(3)发现了地球早期层圈演化地质记录.但是,现有的前板块构造并不能完美... 详细信息

本文总结了现阶段前板块构造与大陆起源研究的三大重要进展:(1)提出了地幔柱构造、重力凹沉构造和热管构造的前板块构造模式;(2)揭示了非板块构造与板块构造的标志;(3)发现了地球早期层圈演化地质记录.但是,现有的前板块构造并不能完美解释太古宙大陆的起源,板块构造在解释大陆起源与演化方面也遇到重大挑战.此外,阐述了我国开展前板块构造与大陆起源研究的必要性、研究优势及风险,并凝练了目前前板块构造与大陆起源研究的关键科学问题:(1)地球是先有陆还是先有板块构造;(2)海陆的形成是否同步;(3)冥古宙陆壳和英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩(tonalite-trondhjemite-granodiorite,TTG)的起源.基于学科发展,提出动力学热模拟和比较行星学在前板块构造与大陆起源研究中的重要性.在此基础上,认为未来5~10年前板块构造与大陆起源的研究重点领域为:(1)大陆的起源及其对早期地球环境和生命的影响;(2)前板块构造样式及其形成机制;(3)太古宙的构造热体制及热演化;(4)前板块构造与类地行星演化.

关键词：大陆起源板块构造前板块构造比较行星学动力学热模拟

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阿尔金锂铍花岗岩-伟晶岩成矿规律与资源潜力

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岩石学报 2024年第9期40卷 2679-2702页

作者：徐兴旺洪涛张朋刘善科杨智全马垠策康凯李杭中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049 中国科学院地球科学研究院北京100029 中山大学地球科学与工程学院广东省地球动力学与地质灾害重点实验室广州510275 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 珠海519000 新疆地矿局第三地质大队库尔勒841000 三明学院建筑工程学院三明365004

阿尔金是原特提斯构造带,曾是锂铍金属成矿研究与找矿的空白区。通过科学分析,研究团队认为阿尔金锂铍研究空白区有找锂铍金属矿床的潜力,并于2018年率先进入阿尔金山无人区开展锂铍成矿作用的调查与研究、并发现多个花岗伟晶岩型锂铍... 详细信息

阿尔金是原特提斯构造带,曾是锂铍金属成矿研究与找矿的空白区。通过科学分析,研究团队认为阿尔金锂铍研究空白区有找锂铍金属矿床的潜力,并于2018年率先进入阿尔金山无人区开展锂铍成矿作用的调查与研究、并发现多个花岗伟晶岩型锂铍矿床。本文对阿尔金中段地区花岗伟晶岩型锂铍矿床的成矿规律进行了梳理与总结,结果显示:(1)锂铍等稀有金属花岗伟晶岩类型多样,不同类型伟晶岩脉空间上分带,部分伟晶岩脉内部发育丰富的分带结构;(2)锂铍等稀有金属伟晶岩为花岗岩演化的产物,区域上发育有从黑云母花岗岩到二云母花岗岩、白云母花岗岩、钠长花岗岩及电气石伟晶岩、绿柱石伟晶岩、锡石伟晶岩、锂辉石伟晶岩、锂云母伟晶岩与铯沸石伟晶岩的分带结构;(3)花岗岩-伟晶岩成因于变泥砂岩在麻粒岩相变质过程中的黑云母脱水熔融形成的花岗岩浆的结晶分异,是区域构造演化的产物。吐格曼地区的锂铍矿床形成于阿南陆块与阿中陆块的拼贴-碰撞,而位于塔特布拉克花岗岩基两侧的瓦石峡南与塔木切锂铍矿集区的锂铍花岗伟晶岩则形成于三个微陆块的最终碰撞阶段。阿尔金中段地区早古生代花岗岩-伟晶岩发育,成矿条件优越,成矿潜力大,有望成为我国大型锂资源基地。

关键词：花岗岩-伟晶岩锂铍矿床成矿规律资源潜力阿尔金

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三维地质建模技术与方法综述

工程地质学报 2024年第3期32卷 1143-1153页

作者：郭福钟郑博文祁生文李航朱焕春岳云艳谢焕忠加华地学(武汉)数字技术有限公司武汉430205 中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室北京100029 武汉大学武汉430072

三维地质建模是起源于工业领域计算机图形学引用到地学领域形成的三维数字化技术,地质体轮廓不规则性、特性的空间不均匀性、已知数据的稀疏性和认识过程的反复性决定了三维地质建模对图形几何算法和渲染技术的特殊要求,也决定了与其他... 详细信息

三维地质建模是起源于工业领域计算机图形学引用到地学领域形成的三维数字化技术,地质体轮廓不规则性、特性的空间不均匀性、已知数据的稀疏性和认识过程的反复性决定了三维地质建模对图形几何算法和渲染技术的特殊要求,也决定了与其他领域三维技术如GIS和BIM之间存在的基础性差别。针对我国基础建设领域工程地质三维地质建模技术类型繁多、良莠不齐的现实,本文系统性地阐述了三维地质建模的基础理论与核心技术、建模方法、应用功能实现与展望:(1)三维地质建模以离散数学理论为基础,插值算法是其中最关键的核心技术,文中介绍和对比分析了离散光滑(DSI)和克里金两种插值方法,从原理和应用的角度论证了DSI具有更好的适应性;(2)显式和隐式建模方法是核心技术针对不同场景形成的三维地质建模的通用方法,在工程地质领域分别适合于勘探为主和物探为主的情形,文中结合应用案例阐述了各自的特点;(3)应用功能是显式和隐式建模方法针对不同特点的地质体的应用方式,其中的通用型功能针对地层和构造等所有地学领域都涉及的地质体,定制化功能则针对行业关心的特定地质体(如水电行业的深切河谷岸坡卸荷带)且以提高建模效率为主要目的。本文通过对三维地质建模技术的阶段性总结,为未来发展提供有价值的技术指引,并将为三维工程地质体结构的透明化表征提供重要的技术支撑。

关键词：工程地质三维地质建模插值算法显式建模方法隐式建模方法

深时重大生物和气候事件与全球变化:进展与挑战

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科学通报 2024年第2期69卷 268-285页

作者：沈树忠张飞飞王文倩王向东樊隽轩陈吉涛王博曹剑杨石岭张华李高军邓涛李献华陈骏南京大学地球科学与工程学院关键地球物质循环前沿科学中心内生金属成矿机制研究国家重点实验室南京210023 中国科学院南京地质古生物研究所现代古生物学与地层学国家重点实验室南京210008 中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境重点实验室北京100029 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所脊椎动物演化与人类起源重点实验室北京100044 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室北京100029

地球自5.4亿年前现代生态系统形成至今,发生了多次与碳循环扰动有关的重大气候事件.这些事件的触发机制、发展过程、环境变化及其伴随的生物响应型式为科学评估当今全球变化背景下生物多样性现状提供重要借鉴.然而,古-今生态系统变化时... 详细信息

地球自5.4亿年前现代生态系统形成至今,发生了多次与碳循环扰动有关的重大气候事件.这些事件的触发机制、发展过程、环境变化及其伴随的生物响应型式为科学评估当今全球变化背景下生物多样性现状提供重要借鉴.然而,古-今生态系统变化时间尺度大不相同,高分辨率关键环境因子(温度、CO_(2)、降雨量、海洋氧化还原条件等)在深时记录中亦难以获取,深时海陆生物多样性模式尚缺乏高分辨率记录.因此,当今全球变化与深时记录对比存在巨大鸿沟.地球5.4亿年以来大部分时间处于两极无冰的温室状态,期间伴随多次极冷和极热气候事件,但地球深时重大生物演化和气候事件的关系复杂.生物多样性在变冷的奥陶纪早期、晚古生代大冰期、晚新生代大冰期以及中-晚三叠世和白垩纪热室期均呈现稳定增加,而在奥陶纪末冰期快速降温期间和二叠纪末、三叠纪末、白垩纪末火山排气作用导致的快速升温过程中急剧下降.地质时期生物多样性对气候变化的不同响应型式表明,生物多样性变化的根本驱动因素可能不是简单的温度、大气CO_(2)浓度等环境因子的背景值高或低,而是环境因子的变化速率(环境变率).变率较小,环境相对稳定,生物有足够的时间适应环境变化,生物多样性不会丧失,甚至繁盛.反之,若环境因子变率过大,超出了生态系统的承受力,生物来不及适应,生物多样性就会显著降低,甚至引发大灭绝.已有模拟和计算表明,当今地球碳排放的速度有可能超过了地质历史时期任何一次生物大灭绝事件.因此,避免环境突变事件和生物大灭绝的再次发生成为政界、科学界和普通民众关注的焦点.打通地球多圈层界限,开展古-今地质记录、冷-热极端气候、海-陆生态系统和长-短时间尺度的综合对比研究,并通过建立适用于深时的地球系统模型,模拟重大生物和环境事件的背景与发生过程,是地球系统科学未来发展的重要方向.

关键词：深时极端气候重大生物事件环境变率全球变化地球系统模拟

黄土高原靖边剖面岩石磁学性质及其古环境意义

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地球物理学报 2024年第8期67卷 3060-3074页

作者：董良沈中山邓成龙中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

中国黄土在东亚第四纪气候环境变化研究领域占有重要地位,靖边黄土剖面位于黄土高原北部边缘,对东亚季风变化敏感.本文对靖边黄土剖面进行了详细的岩石磁学和环境磁学研究.剖面沉积物中的主要磁性矿物为磁铁矿、磁赤铁矿以及赤铁矿,黄... 详细信息

中国黄土在东亚第四纪气候环境变化研究领域占有重要地位,靖边黄土剖面位于黄土高原北部边缘,对东亚季风变化敏感.本文对靖边黄土剖面进行了详细的岩石磁学和环境磁学研究.剖面沉积物中的主要磁性矿物为磁铁矿、磁赤铁矿以及赤铁矿,黄土中的碎屑磁铁矿普遍经历了低温氧化作用的初始阶段,形成磁赤铁矿外壳包裹磁铁矿内核的结构,导致矫顽力大幅增加.磁化率随温度变化曲线(X-T)指示成壤作用生成的单畴颗粒的亚铁磁性矿物(磁铁矿和磁赤铁矿)的含量在L15(约1.25Ma)后整体减少,表明东亚夏季风强度发生阶段性减弱.黄土层中的磁化率与非磁滞磁化率比值(X/X_(ARM))与来自物源区粗粒磁性矿物含量相关,冬季风增强则X/X_(ARM)值越高,靖边剖面黄土层X/X_(ARM)在L14以后整体增加,L6以来逐渐增加,表明东亚冬季风发生过两次增强.矫正后磁化率与非磁滞磁化率((X-X_(0))/X_(ARM))指示了来自物源区磁性矿物含量,靖边剖面自2.6Ma以来,(X-X_(0))/X_(ARM)逐渐增加,源区的磁性矿物含量增多表明冬季风逐渐增强.非磁滞剩磁与饱和等温剩磁中值退磁场比值(MDF_(ARM)/MDF_(SIRM))与样品相关,样品磁性矿物粒度越粗,低温氧化作用越弱,矫顽力越高,MDF_(ARM)/MDF_(SIRM)越高,靖边剖面MDF_(ARM)/MDF_(SIRM)分别在L14和L6后整体升高,表明磁性矿物粒度整体变粗,代表了沙漠两次向南扩张.综上磁学参数一致表明,靖边黄土剖面有效地记录了东亚季风演化过程,对研究亚洲内陆干旱环境演变有重要意义.

关键词：黄土高原靖边剖面岩石磁学环境磁学东亚季风沙漠扩张

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右江盆地卡林型金矿成矿年代学研究进展

地学前缘 2024年第1期31卷 267-283页

作者：高伟胡瑞忠李秋立刘建中李献华中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室贵州贵阳550081 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室北京100029 贵州省地质矿产开发局贵州贵阳550081 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

右江盆地是全球仅次于美国内华达地区的第二大卡林型金矿床集中分布区。由于成矿时代的不确定性,盆地内卡林型金矿床的成矿动力学背景一直不清。为准确确定这些金矿床的成矿时代,近四十年来国内外矿床学家进行了孜孜不倦的探索,从早期... 详细信息

右江盆地是全球仅次于美国内华达地区的第二大卡林型金矿床集中分布区。由于成矿时代的不确定性,盆地内卡林型金矿床的成矿动力学背景一直不清。为准确确定这些金矿床的成矿时代,近四十年来国内外矿床学家进行了孜孜不倦的探索,从早期以石英裂变径迹和流体包裹体Rb-Sr等时线法为代表的定年,到中期以硫化物Re-Os等时线法为代表的单矿物溶样法定年,再到最新以热液金红石、独居石和磷灰石U-Th-Pb法为代表的微区原位定年,其定年对象和方法见证了同位素地质年代学的发展历程。现已基本明确,右江盆地主要发育两期卡林型金矿成矿作用,分别为215~200 Ma和155~140 Ma,相当于印支期和燕山期,其动力学背景分别对应于印支-华南-华北地块碰撞后的印支期陆内造山过程以及燕山期软流圈上涌诱发的岩石圈伸展作用。

关键词：右江盆地卡林型金矿成矿时代印支期和燕山期成矿

南海扩张期岩浆流体对洋壳厚度的影响: 数值模拟

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地球物理学报 2024年第2期67卷 615-629页

作者：张慧慧许鹤华邵佳姚永坚何丽娟中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室南海海洋研究所南海生态环境工程创新研究院广州511458 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州) 广州511458 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 南方科技大学海洋科学与工程系深圳518055 广州海洋地质调查局自然资源部海底矿产资源重点实验室广州510760 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室北京100029

扩张期洋中脊热液循环系统的热排出与岩浆系统的热注入共同控制着洋壳厚度的生成,而岩浆流体是热液循环系统的流体成分之一,往往与下渗海水混合参与各圈层能量和物质传递,但其能量传递对洋壳厚度的影响机制目前还不清楚.利用有限元的数... 详细信息

扩张期洋中脊热液循环系统的热排出与岩浆系统的热注入共同控制着洋壳厚度的生成,而岩浆流体是热液循环系统的流体成分之一,往往与下渗海水混合参与各圈层能量和物质传递,但其能量传递对洋壳厚度的影响机制目前还不清楚.利用有限元的数值模拟手段,对扩张期热液循环系统中岩浆流体与洋壳厚度的关系进行研究.结果表明:(1)相较于只有海水参与的对流循环,含有岩浆流体的热液循环造成的洋壳厚度的减薄量更大、热液喷口温度更高.(2)岩浆流体对洋壳厚度的二次减薄作用随其含量的增大而减弱,热液喷口温度随其含量的增大而升高.(3)南海岩浆水、地幔水含量和洋壳厚度的分布具有非均质性,东部次海盆的地幔水、岩浆水含量高于西南次海盆,前者的平均洋壳厚度也大于后者,并且在海盆残余扩张脊附近存在异常薄洋壳.结合模型结果分析认为,残余扩张脊附近的薄洋壳可能受到扩张期热液循环或后期岩浆流体的影响,而东部、西南次海盆的洋壳厚度差异可能是由于前者的岩浆流体含量高于后者而造成的.

关键词：热液循环岩浆流体洋壳厚度数值模拟洋壳增生南海异常薄洋壳

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大陆碰撞带深熔变质与花岗岩成因

地球科学 2024年第1期49卷 1-28页

作者：郑永飞陈仁旭高彭中国科学技术大学地球和空间科学学院安徽合肥230026 中国科学院壳幔物质与环境重点实验室安徽合肥230026 中国科学院比较行星学卓越研究中心安徽合肥230026

大陆碰撞带是地壳岩石发生深熔变质和花岗岩浆作用的重要场所,也是超大陆发生聚合和裂解过程的关键位置.对深熔变质作用的理解有助于揭示地壳分异过程和花岗岩成因等诸多问题,同时对威尔逊旋回过程中超大陆动力学的理解有重要启示.在大... 详细信息

大陆碰撞带是地壳岩石发生深熔变质和花岗岩浆作用的重要场所,也是超大陆发生聚合和裂解过程的关键位置.对深熔变质作用的理解有助于揭示地壳分异过程和花岗岩成因等诸多问题,同时对威尔逊旋回过程中超大陆动力学的理解有重要启示.在大陆碰撞过程的不同阶段,其动力体制会从挤压变成拉张,地温梯度会由低变高,从而形成时空分布不同、矿物组合各异的变质岩和岩浆岩.在大陆碰撞和俯冲的挤压阶段,变质温压比值较低,只有硬碰撞引起的地壳加厚产生的高压麻粒岩相变质作用以及深俯冲导致的超高压变质作用,不会发生深熔变质作用.在大陆深俯冲结束之际,板块界面动力体制由挤压变为拉张,受到超高压变质的地壳会以岩片状沿俯冲隧道发生逆冲折返.在大陆碰撞后阶段,一旦碰撞带岩石圈地幔发生减薄,软流圈地幔上涌导致主动张裂,上覆地壳就会在高的地温梯度下发生巴肯型深熔变质作用,从而形成大量的花岗岩.因此,地壳深熔变质和花岗质岩浆的发育程度与岩石圈厚度的变化密切相关.虽然幔源镁铁质岩浆结晶分异作用是大洋俯冲带之上花岗岩形成的常见方式,但是地壳部分熔融才是大陆碰撞带花岗岩浆作用的典型方式.地壳岩石性质是形成不同类型花岗岩的关键,I型和S型花岗岩分别主要来自于变火成岩和变沉积岩的部分熔融,而A型花岗岩则起源于堆晶或残留体的部分熔融.脱水熔融和水化熔融是产生花岗岩浆的两种基本物理化学机制,二者可在同一区域内发生,构成脱水-水化耦合的部分熔融机制.大陆碰撞带作为古板块缝合带,也是构造薄弱带,易于发育大陆主动张裂,这是在碰撞后阶段深部陆壳脱水-水化耦合熔融直至浅部陆壳部分熔融的主要构造机制,结果形成花岗岩-混合岩-麻粒岩高温岩石组合.一般来说,超大陆聚合阶段与碰撞挤压背景下的变质作用相关,而超大陆裂解与主动张裂拉张体制下的变质作用相关.虽然大陆张裂未必都能成功,但是其中夭折张裂在业已汇聚板块边缘最为常见.因此,夭折大陆张裂与陆内深熔变质作用和花岗岩浆作用之间的关系最为密切,这也是正确认识超大陆聚合之后到裂解之前陆内地质过程与构造演化之间关系的关键.

关键词：大陆碰撞深熔变质花岗岩浆大陆张裂陆内造山化学地球动力学汇聚板块边缘