地球科學(xué)綜合

地球科學(xué)綜合

全球標(biāo)準(zhǔn)層型剖面和點(diǎn)位（“金釘子”）和中國(guó)的“金釘子”研究

彭善池

任何涉及地球漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史、相關(guān)的地質(zhì)過程、同步發(fā)生的地質(zhì)事件的科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐都離不開地層學(xué)，離不開精確的地層框架和精確的時(shí)間框架。地球上不同地點(diǎn)和不同相區(qū)地層的劃分和精確對(duì)比也離不開標(biāo)準(zhǔn)的、易于廣泛應(yīng)用地層框架。作為基礎(chǔ)科學(xué)，年代地層學(xué)在地學(xué)領(lǐng)域的重要性不言而喻。年代地層學(xué)的核心是目前正在研發(fā)中的全球年代地層學(xué)框架，即《國(guó)際年代地層表》。該表中顯生宇的所有年代地層（地質(zhì)年代）單位和元古宇的部分年代地層（地質(zhì)年代）單位都已經(jīng)或?qū)⒁扇驑?biāo)準(zhǔn)層型剖面和點(diǎn)位（“金釘子”）定義。這是研發(fā)一個(gè)完全連續(xù)的、既無(wú)重復(fù)也無(wú)間斷的年代地層（地質(zhì)年代）等級(jí)系統(tǒng)的唯一途徑。在引入“金釘子”的理論和方法之前的一百多年的時(shí)間里，現(xiàn)今地層表（地質(zhì)年表）中的主要年代地層（地質(zhì)年代）單位就已相繼建立并被世界各國(guó)廣泛采用，但由于缺乏明確定義和清晰的概念，在應(yīng)用上出現(xiàn)概念混亂的現(xiàn)象極為普遍。本文介紹了近半個(gè)世紀(jì)以來，國(guó)際地層委員會(huì)積極倡導(dǎo)和推行全球年代地層的精確劃分并在世界各國(guó)建立65個(gè)“金釘子”的經(jīng)歷。1972年，通過 12年的努力，國(guó)際地層委員會(huì)下屬的志留系—泥盆系界線工作組正式定義了該條地層界線，創(chuàng)立了采用“界線層型”定義全球年代地層單位底界的原則。其后，在國(guó)際地層委員會(huì)的大力提倡和不斷完善下，這個(gè)原則在國(guó)際學(xué)術(shù)界得到廣泛認(rèn)同，最終形成了全球標(biāo)準(zhǔn)層型剖面和點(diǎn)位（“金釘子”）概念和只能通過“界線層型”確立全球年代地層界線的方法與準(zhǔn)則，還制定了相應(yīng)的通過申請(qǐng)和多輪表決建立“金釘子”的程序。本文同時(shí)回顧了我國(guó)地質(zhì)學(xué)家研究“金釘子”的歷史和卓越成就。我國(guó)在 1977年才開始參與全球“金釘子”研究，起步較國(guó)際上晚了10余年。在前20年的時(shí)間里，一路坎坷，在競(jìng)爭(zhēng)全球寒武系底界和奧陶系底界“金釘子”過程中，連遭淘汰；在本世紀(jì)初競(jìng)爭(zhēng)埃迪卡拉系底界“金釘子”和正式系名的過程中，也雙雙失利。我國(guó)科學(xué)家不畏挫折，在 1997年獲得重大突破，在浙江常山確立了我國(guó)和奧陶系的首個(gè)“金釘子”，即達(dá)瑞威爾階“金釘子”；其后的14年中，又在浙江、湖南、廣西、湖北四省建立了 9個(gè)“金釘子”，即三疊系印度階，二疊系吳家坪階、長(zhǎng)興階，石炭系維憲階，奧陶系赫南特階、大坪階和寒武系排碧階、古丈階、江山階“金釘子”，使我國(guó)躍居為目前全球“金釘子”最多的國(guó)家。此外我國(guó)科學(xué)家還以我國(guó)地名命名了8個(gè)全球通用的年代地層單位，即芙蓉統(tǒng)、樂平統(tǒng)、排碧階、古丈階、江山階、大坪階、長(zhǎng)興階，吳家坪階。為《國(guó)際年代地層表》的完善做出了重要貢獻(xiàn)。

來源出版物：地學(xué)前緣, 2014, 21(2): 42973

入選年份：2014

2013年1月我國(guó)中東部強(qiáng)霾污染的數(shù)值模擬和防控對(duì)策

王自發(fā)，李杰，王哲，等

摘要：目的：隨著經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)大氣污染特別是灰霾也日益嚴(yán)重。分析我國(guó)中東部灰霾的時(shí)空分布特征和成因，對(duì)其形成機(jī)制和來源進(jìn)行科學(xué)解析既是國(guó)際大氣化學(xué)研究領(lǐng)域最關(guān)注的前沿科學(xué)問題，也是制定大氣污染的協(xié)同控制方案的科學(xué)基礎(chǔ)，數(shù)值模式是其有效研究手段之一。本文利用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所自主研制的嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模式（NAQPMS）模擬研究2013年1月我國(guó)中東部的持續(xù)強(qiáng)灰霾天氣，初步評(píng)估灰霾天氣下大氣細(xì)顆粒物（PM2.5）時(shí)空分布特征、傳輸規(guī)律和防控力度。方法：空氣質(zhì)量數(shù)值模式（NAQPMS）充分結(jié)合我國(guó)城市群大氣復(fù)合污染的排放、輸送、演變特點(diǎn)，模式包括動(dòng)態(tài)污染源、平流、擴(kuò)散、干濕沉降、氣溶膠過程、氣相、液相、非均相大氣化學(xué)反應(yīng)模塊，并納入了污染來源與過程跟蹤、敏感性分析、資料同化等技術(shù)方法。本研究首先利用我國(guó)中東部19個(gè)城市地面PM2.5觀測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)驗(yàn)證模擬結(jié)果；其次，在充分評(píng)估模式能力的基礎(chǔ)上，分析我國(guó)中東部 PM2.5的區(qū)域分布特征，并利用模式自主發(fā)展的在線污染物來源解析方法，定量評(píng)估區(qū)域輸送對(duì)大氣灰霾的影響，探討氣象—污染雙向耦合機(jī)制對(duì)重霾期間大氣邊界層穩(wěn)定性和 PM2.5累積的影響；最后，建立考慮區(qū)域輸送的大氣污染物總量?jī)?yōu)化模型，獲取為滿足京津冀區(qū)域 PM2.5濃度達(dá)標(biāo)下，不同地區(qū)污染物污染物排放總量的最優(yōu)方案。結(jié)果：2013年1月我國(guó)東部湖南到東北的大部分地區(qū) PM2.5超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，華北南部（河北南部和山東）、華中（河南和湖北）和安徽等地區(qū)濃度超過150 μg m-3，達(dá)到重度污染水平，河北南部和河南北部等地區(qū)，其濃度甚至超過250 μg m-3，達(dá)到嚴(yán)重污染。NAQPMS模式能夠合理表征灰霾天氣下PM2.5的這種時(shí)空分布特征和演變規(guī)律。歷史上少見的天氣形勢(shì)配置是 2013年 1月我國(guó)中東部的持續(xù)強(qiáng)灰霾天氣的主要天氣背景，這種背景下中東部地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間維持靜穩(wěn)天氣、冷空氣過程少且弱，使得各地排放的污染物未得到有效擴(kuò)散，在華北平原堆積，導(dǎo)致出現(xiàn)大范圍高濃度污染。模擬還發(fā)現(xiàn)靜穩(wěn)天氣京津冀地區(qū)仍舊存在顯著的區(qū)域輸送，并直接造成京津冀地區(qū) PM2.5濃度的累積，來自區(qū)域外的跨城市群輸送對(duì)京津冀 PM2.5濃度貢獻(xiàn)為20%～35%，區(qū)域內(nèi)輸送的貢獻(xiàn)為 26%～35%，兩者之和與局地污染源貢獻(xiàn)相當(dāng)。區(qū)域輸送在不同地區(qū)展示了不同的特征。北京的主要來源為河北（26%）和內(nèi)蒙古（10.8%）。天津的來源則為河北（35.4%）、山東（9.9%）和北京（8.4%）。在河北北部（秦皇島），其他地區(qū)（主要指遼寧）的影響更為顯著，達(dá)到17.1 μg m-3（21.6%），僅次于河北本省的貢獻(xiàn)。在河北南部（滄州），來自山東和天津的貢獻(xiàn)分別達(dá)31.5 μg m-3（17.5%）和23.6 μg m-3（13.1%）。河南、安徽和江蘇對(duì)其的貢獻(xiàn)也達(dá)到 20.4 μg m-3（11.3%）。針對(duì)這次強(qiáng)霾的控制試驗(yàn)表明，當(dāng)京津冀周邊區(qū)域省份污染源不控制，河北、天津和北京的污染物排放需要消減 90%、90%、60%以上才能實(shí)現(xiàn)京津冀區(qū)域 PM2.5達(dá)標(biāo)（二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）；當(dāng)周邊污染源消減20%時(shí)，河北、天津和北京的最低消減量減低至為75%、65%和 5%。當(dāng)周邊污染源消減 50%以上時(shí)，河北污染排放消減55%可使京津冀地區(qū)滿足國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，表明京津冀灰霾污染防控不僅需要重視區(qū)域內(nèi)的聯(lián)防聯(lián)控，同時(shí)也需要其它城市群的協(xié)同控制。氣象-大氣污染雙向反饋機(jī)制對(duì)強(qiáng)霾的形成也有非常重要影響，近地層氣溶膠的散射和吸收作用減少到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射，降低地表溫度和近地面氣溫，而吸收性的黑碳?xì)馊苣z等通過吸收太陽(yáng)輻射使得邊界層上部升溫，從而使得近地層大氣穩(wěn)定度增加，有利于污染物的進(jìn)一步累積?？墒咕┙蚣讲糠值貐^(qū)細(xì)顆粒物月均濃度增加30%，忽視這種耦合作用會(huì)導(dǎo)致模式對(duì)重污染期間污染物濃度的低估。結(jié)論：空氣質(zhì)量數(shù)值模式（NAQPMS）是我國(guó)大氣灰霾成因及控制研究的重要手段之一。利用數(shù)值模式，解析出即使在近地面“靜穩(wěn)天氣”下，重霾期間京津冀邊界層中上部仍然存在顯著的污染物跨城市輸送，因此京津冀灰霾污染防控不僅需要重視區(qū)域內(nèi)的聯(lián)防聯(lián)控，同時(shí)也需要其他城市群的協(xié)同控制。氣象-氣溶膠的雙向反饋機(jī)制對(duì)重霾的形成也產(chǎn)生重要的影響，可使京津冀部分地區(qū)細(xì)顆粒物月均濃度增加30%，造成我國(guó)大氣灰霾的調(diào)控更為復(fù)雜。

來源出版物：中國(guó)科學(xué)地球科學(xué), 2014, 57(1): 42807

入選年份：2014

新疆北部石炭系大型火山巖風(fēng)化體結(jié)構(gòu)與地層油氣成藏機(jī)制

鄒才能，侯連華，陶士振，等

摘要：目的：近幾年，火山巖地層油氣藏已逐步成為中國(guó)油氣勘探的一個(gè)重要領(lǐng)域。2005年開始，在新疆北部石炭系火山巖中逐步發(fā)現(xiàn)受火山巖風(fēng)化體控制的自生自儲(chǔ)地層油氣藏，但其控制因素和油氣成藏機(jī)制不清楚，限制了油氣勘探的進(jìn)一步擴(kuò)展。本文基于大量實(shí)際資料的綜合研究，對(duì)新疆北部石炭系大型火山巖風(fēng)化體的成因機(jī)理、結(jié)構(gòu)特征、儲(chǔ)層控制因素及油氣成藏機(jī)制與模式進(jìn)行分析。方法：在巖心描述、露頭剖面實(shí)測(cè)等工作基礎(chǔ)上，開展樣品的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)分析與化驗(yàn)，結(jié)合測(cè)井、地震等地球物理技術(shù)，對(duì)火山巖風(fēng)化體結(jié)構(gòu)及油氣成藏特征進(jìn)行研究。在巖心觀察基礎(chǔ)上開展地化分析，運(yùn)用TAS圖解對(duì)火山巖巖類進(jìn)行了精細(xì)劃分；通過露頭剖面實(shí)測(cè)結(jié)合系統(tǒng)鉆孔分析化驗(yàn)的方式，揭示了火山巖風(fēng)化體完整的5層結(jié)構(gòu)，并利用ICP-AES分析方法對(duì)風(fēng)化體主要元素進(jìn)行測(cè)定后提出風(fēng)化指數(shù)概念，用以判識(shí)不同結(jié)構(gòu)層界限；針對(duì)不同結(jié)構(gòu)層樣品開展孔隙度測(cè)試，結(jié)合薄片鑒定，分析不同結(jié)構(gòu)層巖石儲(chǔ)集性能優(yōu)劣及其微觀結(jié)構(gòu)；利用鋯石測(cè)年技術(shù)確定火山巖風(fēng)化體年齡，而后綜合運(yùn)用同位素測(cè)年、古生物、巖性、地震和測(cè)井技術(shù)確定風(fēng)化體上覆地層年代，將二者平均年齡差值厘定為風(fēng)化淋濾時(shí)間，通過實(shí)例解剖獲得風(fēng)化淋濾時(shí)間與風(fēng)化體厚度數(shù)據(jù)，進(jìn)行擬合后獲得二者的數(shù)學(xué)關(guān)系式，利用該數(shù)學(xué)模型，在確定風(fēng)化淋濾時(shí)間后，可預(yù)測(cè)風(fēng)化體厚度；通過對(duì)典型火山巖風(fēng)化體油氣藏的解剖，建立火山巖風(fēng)化體油氣成藏模式。結(jié)果：新疆北部上石炭統(tǒng)發(fā)育于碰撞后松弛垮塌構(gòu)造環(huán)境，火山巖和烴源巖間互廣泛分布，石炭紀(jì)末受板塊擠壓整體抬升遭受風(fēng)化淋濾，形成火山巖不整合風(fēng)化體?；鹕綆r風(fēng)化體主要發(fā)育于古地貌出露水面區(qū)，低洼區(qū)發(fā)育有完整的5層結(jié)構(gòu)，即土壤層、水解帶、溶蝕帶、崩解帶和母巖，前四者厚度比例依次約為6%，24%，34%和36%。古構(gòu)造高部位一般缺失土壤層和水解帶。通過對(duì)完整風(fēng)化體典型實(shí)例的主元素測(cè)定，提出利用風(fēng)化體不同結(jié)構(gòu)中的所有主元素與同一風(fēng)化體母巖對(duì)應(yīng)主元素含量的變化率之和，即風(fēng)化指數(shù)，來判識(shí)不同結(jié)構(gòu)層的界限。系統(tǒng)的孔隙度測(cè)試和薄片鑒定結(jié)構(gòu)表明，溶蝕帶和崩解帶孔隙度最高，如馬19井火山巖風(fēng)化體中溶蝕帶、崩解帶、水解帶和母巖的平均孔隙度分別為 17.6%，13.4%，6.2%和4.8%。斷裂的發(fā)育對(duì)火山巖風(fēng)化體儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能具有明顯改善作用。風(fēng)化體厚度與風(fēng)化淋濾時(shí)間呈正向非線性指數(shù)關(guān)系，風(fēng)化體厚度動(dòng)態(tài)平衡時(shí)間約為36.3 Ma，最大風(fēng)化體厚度約450 m，斷裂發(fā)育處風(fēng)化體厚度更大，長(zhǎng)期風(fēng)化淋濾區(qū)各種火山巖巖性均能形成風(fēng)化體。火山巖風(fēng)化體和烴源巖組合，發(fā)育源內(nèi)火山巖風(fēng)化體層序型、源上火山錐風(fēng)化體準(zhǔn)層狀和側(cè)源火山巖風(fēng)化體梳狀3種成藏模式，均可形成大型火山巖風(fēng)化體地層油氣藏。結(jié)論：新疆北部石炭系火山巖風(fēng)化體發(fā)育5層結(jié)構(gòu)，溶蝕帶和崩解帶儲(chǔ)層物性最好，易形成有利儲(chǔ)層。在一定風(fēng)化淋濾時(shí)間范圍內(nèi)風(fēng)化體儲(chǔ)層厚度與風(fēng)化淋濾時(shí)間成正比，在不受斷裂控制區(qū)域可形成厚達(dá)450 m的風(fēng)化體，在斷裂發(fā)育區(qū)風(fēng)化體厚度更大，該認(rèn)識(shí)拓展了火山巖風(fēng)化體勘探深度。根據(jù)新疆北部石炭系發(fā)育的3種成藏模式，斷裂和風(fēng)化體組成油氣輸導(dǎo)體系，在構(gòu)造相對(duì)高部位聚集成藏，此可為火山巖風(fēng)化體地層油氣藏勘探提供理論支持。火山巖風(fēng)化體地層油氣藏作為一種新的油氣藏類型，改變了火山巖油氣勘探中尋找有利巖性和巖相帶的傳統(tǒng)模式，修正了新疆北部石炭系為盆地基底，不具備油氣生成條件的觀點(diǎn)，擴(kuò)大了油氣勘探領(lǐng)域。指出中國(guó)中西部古生界存在形成大規(guī)?；鹕綆r風(fēng)化體地層油氣藏的條件，是今后油氣勘探的新領(lǐng)域。

來源出版物：中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué), 2011, 41(11): 1613-1626

入選年份：2015

黃河流域關(guān)中盆地史前大洪水研究——以周原漆水河谷地為例

黃春長(zhǎng)，龐獎(jiǎng)勵(lì)，查小春，等

摘要：目的：史前大洪水是中國(guó)古代史研究不能回避的重大問題。這個(gè)問題的研究，不能只依賴傳說，必須要有新興前沿學(xué)科-古洪水水文學(xué)的支持。本文通過在黃河中游關(guān)中盆地系統(tǒng)建立河流大洪水懸移質(zhì)泥沙在高水位的滯流沉積物（SWD）的判別標(biāo)準(zhǔn)，以便于準(zhǔn)確界定全新世河流大洪水事件。并且以漆水河谷為例，深入分析大洪水事件對(duì)于史前聚落的影響，及其導(dǎo)致的文化突變和社會(huì)轉(zhuǎn)折問題。方法：通過古洪水水文學(xué)野外考察研究，在黃河中游關(guān)中盆地西部漆水河中游河谷的全新世黃土-古土壤沉積剖面，發(fā)現(xiàn)典型的全新世大洪水滯流沉積物夾層（SWD），它們直接覆蓋在龍山文化聚落—滸西莊遺址文化層之上，顯示出大洪水事件與史前聚落有某種關(guān)聯(lián)。在深入地進(jìn)行地層和沉積相觀察分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地進(jìn)行了高分辨率采樣，結(jié)合磁化率、燒失量和粒度成分測(cè)定、文化遺物鑒定，OSL和14C技術(shù)斷代等，以求正確判定史前時(shí)期漆水河谷發(fā)生的河流大洪水事件及其年代。結(jié)果：綜合野外沉積學(xué)宏觀特征、實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)年斷代結(jié)果，證明在距今 4300～4000年前，黃河中游關(guān)中盆地經(jīng)歷了一個(gè)顯著的洪水期，發(fā)生了多次大洪水事件。在大洪水發(fā)生期間，漆水河谷沿河第二級(jí)階地面以滸西莊遺址為代表的龍山文化早期（廟底溝二期，4800～4300 aBP）聚落和田地被反復(fù)淹沒。這導(dǎo)致河谷低地聚落減少，而在高階地和黃土臺(tái)原邊沿地帶，以趙家崖遺址為代表的龍山文化晚期（客省莊二期，4300～4000 aBP）聚落得到迅速發(fā)展，直至先周時(shí)期主要聚落都被建立在河谷兩側(cè)的黃土臺(tái)塬表面。結(jié)論：聯(lián)系到我們先后在黃河中游地區(qū)渭河、涇河和北洛河干流河谷發(fā)現(xiàn)的史前大洪水的沉積學(xué)證據(jù)，表明龍山文化晚期，黃河中游關(guān)中盆地普遍地反復(fù)發(fā)生大洪水事件。大洪水災(zāi)害導(dǎo)致史前人類聚遷移和文化或者的轉(zhuǎn)折。該研究成果，對(duì)于揭示區(qū)域氣候水文變化對(duì)于全球變化的響應(yīng)規(guī)律，闡明大洪水事件對(duì)于我國(guó)遠(yuǎn)古文化突變和社會(huì)轉(zhuǎn)折的影響，具有十分重要的科學(xué)意義。在研究過程當(dāng)中，建立了具有確切水文學(xué)意義的全新世河流古洪水滯流沉積物（SWD）的鑒別標(biāo)準(zhǔn)，即：1）全新世河流古洪水SWD通常出現(xiàn)在由寬谷進(jìn)入峽谷的過渡段、支流溝谷匯入口的回水灣、巖豁巖棚和洞穴之下等，能夠在大洪水高水位形成滯流的河段。2）古洪水SWD是由洪水中懸移質(zhì)在高水位滯流情況之下沉積形成，因而其成分主要是粉沙、粘土質(zhì)粉沙、細(xì)沙質(zhì)粉沙、粉沙質(zhì)細(xì)沙，質(zhì)地均勻，分選良好、成熟度高，粒度分布頻率曲線高而尖瘦。3）在地層剖面古洪水SWD常常穿插于黃土、古土壤、坡積物、泥石流地層之中，呈現(xiàn)出平行狀、波狀、傾斜狀層理，層界清晰明確，向著坡上方向傾斜變薄尖滅。4）由于在大洪水高水位滯流情況之下緩慢沉積，因而會(huì)表現(xiàn)為分選狀沉積，單個(gè)沉積層內(nèi)粒度下粗上細(xì)，頂部常會(huì)出現(xiàn)粘土質(zhì)薄蓋層，會(huì)形成龜裂構(gòu)造，因而沿著層界會(huì)出現(xiàn)橫向裂隙。5）兩次古洪水事件形成的 SWD層之間常會(huì)出現(xiàn)坡積物、支流溝谷山洪混雜沉積物、黃土、土壤夾層，或者生物擾動(dòng)，甚至文化層和人類文化遺物遺跡，表現(xiàn)出明顯的時(shí)間間隔。6）要特別注意區(qū)分排除河流階地沉積物、溝谷山洪沉積物、泥流泥石流沉積物等，避免誤判。這個(gè)古水文沉積學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的建立，必將會(huì)有力地推動(dòng)我國(guó)古洪水水文學(xué)的發(fā)展。

來源出版物：中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué), 2011, 41(11): 1658-1669

入選年份：2015

構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)與煤層氣賦存研究進(jìn)展

侯泉林，李會(huì)軍，范俊佳，等

摘要：目的：構(gòu)造煤是指在構(gòu)造應(yīng)力作用下，原生煤的結(jié)構(gòu)甚至化學(xué)成分發(fā)生明顯變化的一類煤，它是構(gòu)造作用的產(chǎn)物。大量的煤炭勘探開發(fā)實(shí)例表明，煤與瓦斯突出常常發(fā)生在構(gòu)造煤尤其是糜棱煤發(fā)育區(qū)，突出瓦斯量往往是突出煤最大瓦斯吸附量的幾倍乃至上百倍。這些超量煤層氣來自哪里？是否與構(gòu)造變形作用存在內(nèi)在聯(lián)系？超量煤層氣在煤層中如何賦存？是否存在不同于目前所認(rèn)識(shí)的游離、吸附與溶解三種狀態(tài)之外的形式？對(duì)上述問題的探究有利于深入認(rèn)識(shí)煤與瓦斯突出機(jī)理，同時(shí)也是煤層氣開發(fā)的重要研究?jī)?nèi)容之一。方法：本文基于國(guó)內(nèi)外幾十年來公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料，以不同變形機(jī)制構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)演化特征為主線，系統(tǒng)論述了構(gòu)造煤結(jié)構(gòu)及其與煤層氣賦存研究的發(fā)展歷程，詳細(xì)總結(jié)了構(gòu)造煤的結(jié)構(gòu)成因分類、構(gòu)造煤顯微結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)、構(gòu)造煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與超量煤層氣賦存關(guān)系等 4個(gè)方面的研究現(xiàn)狀及存在問題，在此基礎(chǔ)上提出了不同變形機(jī)制下構(gòu)造煤的可能演化路徑。結(jié)果：1）按照以構(gòu)造巖概念為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)—成因分類可將構(gòu)造煤分為脆性變形系列和韌性變形系列，體現(xiàn)了不同變形機(jī)制對(duì)煤體結(jié)構(gòu)影響的差異性，基本達(dá)到了與構(gòu)造巖研究的同步水平。但目前對(duì)構(gòu)造煤變形機(jī)理的研究尚欠深入，制約了進(jìn)一步理解應(yīng)力如何作用于煤巖大分子結(jié)構(gòu)。2）構(gòu)造煤中除了含有大孔和微孔外，還存在大量納米級(jí)的孔隙。納米級(jí)孔隙是瓦斯的主要吸附空間。不同變形機(jī)制的變形作用對(duì)煤納米級(jí)孔隙具有不同的影響，這主要是由于煤的大分子結(jié)構(gòu)在不同變形機(jī)制下的差異性演化所導(dǎo)致，在此基礎(chǔ)上初步建立了構(gòu)造煤大分子—納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的耦合模型。3）不同的變形機(jī)制和變形強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致構(gòu)造煤的芳香結(jié)構(gòu)、脂族結(jié)構(gòu)及含氧官能團(tuán)等結(jié)構(gòu)和成分的不同演化路徑和特征。這些現(xiàn)象表明，煤的動(dòng)力變質(zhì)不僅存在，而且十分廣泛和深入，應(yīng)力縮聚和應(yīng)力降解作用是煤變形變質(zhì)作用的主要方式。4）有機(jī)質(zhì)抽提、力化學(xué)成烴模擬以及煤巖低溫變形產(chǎn)氣等實(shí)驗(yàn)證據(jù)都暗示，應(yīng)力可以促使煤巖中有機(jī)質(zhì)的生烴與產(chǎn)氣。在構(gòu)造煤形成過程中可能曾生成過大量的甲烷，這可能是煤與瓦斯突出過程中超量煤層氣的來源。超量煤層氣在煤層中的賦存形式除了游離、吸附和溶解外還可能存在固溶態(tài)等特殊的賦存狀態(tài)。然而目前，關(guān)于變形產(chǎn)氣的機(jī)理，以及超量煤層氣的賦存狀態(tài)等問題，尚處于初步探討的階段，還需要更多的證據(jù)支持。5）不同變形機(jī)制下構(gòu)造煤的變形變質(zhì)作用機(jī)理和演化路徑具有差異性。脆性變形作用中構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤的作用以轉(zhuǎn)化為摩擦熱能為主，隨著變形程度的增加，熱能逐漸累積，分子運(yùn)動(dòng)速度加快，動(dòng)能增加，導(dǎo)致芳環(huán)側(cè)鏈上的官能團(tuán)依鍵能大小相繼熱解脫落；另一方面芳環(huán)生長(zhǎng)長(zhǎng)大，縮聚作用增強(qiáng)，表現(xiàn)為與煤熱演化相同的路徑和超前演化的特征。韌性變形作用中構(gòu)造應(yīng)力對(duì)煤的作用除了部分轉(zhuǎn)化為熱能之外，更主要的是轉(zhuǎn)化為應(yīng)變能，促使煤大分子結(jié)構(gòu)單元變形、破壞，引起芳環(huán)內(nèi)部的位錯(cuò)、蠕變等。結(jié)論：國(guó)內(nèi)外大量研究證據(jù)表明，不同的變形機(jī)制條件下，構(gòu)造煤的孔隙系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)成分演化均呈現(xiàn)不同程度的差異性。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步提出了不同變形機(jī)制下構(gòu)造煤的可能演化路徑，指出構(gòu)造煤的瓦斯易突性，不僅受地質(zhì)構(gòu)造的控制，還可能跟韌性變形條件下的應(yīng)力降解作用有關(guān)。從煤的變形機(jī)制角度出發(fā)探討變形作用對(duì)煤的結(jié)構(gòu)及成分的制約機(jī)理，以及探索超量煤層氣生成條件和賦存狀態(tài)是構(gòu)造煤研究的重要方向。

來源出版物：中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué), 2012, 42(10): 1487-1495

入選年份：2015

2013年1月中國(guó)東部持續(xù)性強(qiáng)霧霾天氣產(chǎn)生的氣象條件分析

張人禾，李強(qiáng)，張若楠

摘要：霧霾是發(fā)生在大氣中的天氣現(xiàn)象，無(wú)疑會(huì)受到氣象條件的影響。由于霧霾天氣發(fā)生時(shí)能見度降低，會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及人民生產(chǎn)生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響；同時(shí)，霧霾天氣發(fā)生時(shí)大氣氣溶膠聚集在大氣近地層，使得大氣污染增強(qiáng)，空氣質(zhì)量下降，對(duì)人體健康造成重要危害。2013年1月，中國(guó)東部地區(qū)發(fā)生了強(qiáng)度強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)生范圍廣的霧霾天氣，區(qū)域平均的1月能見度達(dá)到了近30年來的最低值。伴隨著這次霧霾天氣的重度空氣污染，引起了公眾和各級(jí)政府的高度關(guān)注。因此，認(rèn)識(shí)氣象條件在霧霾發(fā)生中的作用，不僅在了解霧霾的產(chǎn)生機(jī)理方面具有重要的科學(xué)意義，也是各級(jí)政府制定霧霾應(yīng)對(duì)和防控措施的一個(gè)重要基礎(chǔ)。對(duì) 2013年 1月大氣環(huán)流背景場(chǎng)的分析表明，中國(guó)東部上空大氣異常場(chǎng)為霧霾天氣的維持和發(fā)展提供了有利的氣象背景場(chǎng)。對(duì)流層低層中國(guó)大陸上空氣壓偏低，中國(guó)東部海洋上空氣壓偏高，東亞冬季風(fēng)異常偏弱。中國(guó)東部區(qū)域?qū)α鲗又械蛯映霈F(xiàn)異常南風(fēng)，加強(qiáng)了水汽向中國(guó)東部地區(qū)的輸送，為霧霾天氣的發(fā)生提供了有利的水汽條件；對(duì)流層中層500 hPa出現(xiàn)異常高壓，抑制了對(duì)流的發(fā)展從而有利于霧霾的維持；同時(shí)，表面風(fēng)速減弱，不利于近地面附近的霧霾向區(qū)域外輸送；水平風(fēng)速在整個(gè)對(duì)流層都減弱，并且減弱的程度隨高度的增加而變大，造成水平風(fēng)垂直梯度減小，減弱大氣的斜壓不穩(wěn)定性抑制天氣尺度擾動(dòng)的發(fā)展，削弱了大氣的垂直混合；同時(shí)，近地面層出現(xiàn)異常逆溫層，使得大氣近地層變得更加穩(wěn)定。針對(duì)霧霾天氣的逐日演變過程，從大氣動(dòng)力和熱力過程兩個(gè)方面，對(duì) 2013年 1月霧霾天氣的逐日演變過程中大氣的動(dòng)力和熱力作用進(jìn)行了診斷分析。結(jié)果：表明，中國(guó)東部霧霾天氣區(qū)域的表面風(fēng)速及其上空對(duì)流層中低層的水平風(fēng)垂直切變對(duì)霧霾天氣過程具有動(dòng)力影響。當(dāng)霧霾天氣區(qū)域內(nèi)的表面風(fēng)速偏大（小）時(shí)，霧霾向區(qū)域外的輸送偏強(qiáng)（偏弱），不（有）利于霧霾的維持和發(fā)展；水平風(fēng)的垂直切變偏大（?。r(shí)，霧霾天氣區(qū)域上空垂直混合偏強(qiáng)（弱），有（不）利于霧霾向高空擴(kuò)散，減弱（加強(qiáng)）了霧霾在近地面層的聚集。對(duì)流層中低層的層結(jié)不穩(wěn)定性以及近地面層的逆溫狀況和溫度露點(diǎn)差對(duì)霧霾天氣的演變可以產(chǎn)生熱力影響，對(duì)流層中低層的層結(jié)不穩(wěn)定性和近地面層逆溫偏大（小）時(shí)，霧霾天氣偏強(qiáng)（弱）；而近地面層溫度露點(diǎn)差偏大（?。r(shí)，霧霾天氣偏弱（強(qiáng)）。通過多元線性回歸分析，對(duì)大氣熱力和動(dòng)力作用影響 2013年 1月霧霾天氣逐日演變的程度進(jìn)行了分析。結(jié)果：表明，當(dāng)分別考慮動(dòng)力因子和熱力因子時(shí)，對(duì)觀測(cè)到的霧霾天氣逐日變化解釋的方差分別為45%和47%，并且它們都通過了信度為0.01的顯著性檢驗(yàn)，即熱力作用和動(dòng)力作用對(duì)這次霧霾天氣過程均具有重要的貢獻(xiàn)，并且對(duì)這次霧霾天氣的逐日變化過程起到了大致相同的作用。但當(dāng)同時(shí)考慮動(dòng)力和熱力因子時(shí)，氣象因子可以解釋超過2/3的霧霾天氣逐日變化的方差，方差貢獻(xiàn)達(dá)到 68%。該結(jié)果說明了氣象條件是2013年1月中國(guó)東部地區(qū)霧霾發(fā)生和變化的主要原因。

來源出版物：中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué), 2014, 44(1): 27-36

入選年份：2015

大陸碰撞、高原生長(zhǎng)和氣候演化——2014年Crafoord獎(jiǎng)獲得者Peter Molnar教授成就解讀

鹿化煜，常宏，郭正堂，等

摘要：目的：2014年Crafoord獎(jiǎng)授予美國(guó)科羅拉多大學(xué)Peter Molnar教授，以表彰他“對(duì)于理解全球大地構(gòu)造、特別是大陸變形和造山帶的結(jié)構(gòu)和演化以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)海洋—大氣環(huán)流和氣候影響方面的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)”。為全面了解Molnar教授的科學(xué)研究工作，學(xué)習(xí)他先進(jìn)的思想和工作方法，我們對(duì)Molnar教授的研究進(jìn)行了介紹和評(píng)述，并提出了一些認(rèn)識(shí)。方法：我們對(duì)他涉及多個(gè)領(lǐng)域的100多篇論文進(jìn)行了分析，與他本人進(jìn)行了討論，并結(jié)合和觀看相關(guān)錄像、新聞報(bào)道資料以及和他多年合作工作的感受等，分析了他取得的科學(xué)成就和原因。結(jié)果：Molnar教授從1969年發(fā)表關(guān)于巖石圈和上地幔波速不連續(xù)的論文開始，長(zhǎng)期從事地球系統(tǒng)科學(xué)的研究工作，一直到現(xiàn)在，還發(fā)表了關(guān)于低緯地區(qū)海島生長(zhǎng)抬升、影響大氣環(huán)流、進(jìn)而驅(qū)動(dòng)地球冰期氣候的論文。Molnar教授及其合作者最早發(fā)現(xiàn)了青藏高原大型走滑斷層和亞洲內(nèi)部的非剛性變形，提出了印度—?dú)W亞大陸碰撞控制亞洲新生代構(gòu)造格架的新認(rèn)識(shí)，并從遙感解譯、地震波速變化和地震斷層面解等提供了證據(jù)；他還利用彈塑性變形的滑線場(chǎng)理論解釋構(gòu)造變形的空間分布和動(dòng)力來源，揭示了巖石圈增厚和大陸逃逸共同存在的事實(shí)，為主導(dǎo)青藏高原 30年研究的兩大動(dòng)力模型的提出，奠定了基礎(chǔ)。Molnar教授認(rèn)為，印度次大陸的巖石圈俯沖到亞洲地幔并對(duì)流剝離（拆沉）是喜馬拉雅—青藏高原生長(zhǎng)的動(dòng)力機(jī)制；青藏高原在15～10 Ma已經(jīng)達(dá)到了最大高度并開始垮塌、降低和向外生長(zhǎng)。之前，在新生代早期65～50 Ma，印度板塊以20～15 cm/a速率快速向北移動(dòng)，而這個(gè)時(shí)候歐亞板塊和北美板塊分離的移動(dòng)速率是2～4 cm/a。在50～40 Ma期間，印度板塊繼續(xù)向北移動(dòng)并且其北部的古特提斯洋殼向亞洲板塊俯沖，但在這個(gè)期間印度板塊向北移動(dòng)的速度突然降低，可能是印度板塊和亞洲板塊碰撞的結(jié)果。因?yàn)椋笱髱r石圈的地殼薄、密度大，容易俯沖到較厚較輕的亞洲大陸巖石圈之下，在碰撞時(shí)印度板塊受阻北移速度減慢。在印度板塊俯沖過程中，不僅把較薄和較輕的地殼帶到了地幔軟流圈，而且?guī)?dòng)地表物質(zhì)向北運(yùn)動(dòng)。這些具有預(yù)見性的結(jié)論，也得到了后來大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)的支持。同時(shí)，他還認(rèn)為海峽關(guān)閉使大洋環(huán)流改變控制了非洲干旱氣候等。最近，他提出赤道太平洋西部陸地生長(zhǎng)，改變了下墊面條件和沃克環(huán)流以及東風(fēng)帶的位置及強(qiáng)度，形成了拉尼娜大氣環(huán)流形式，進(jìn)而使高緯度地區(qū)第四紀(jì)冰川發(fā)育。Molnar教授深化和修改了中國(guó)科學(xué)家在1970年代提出的青藏高原—喜馬拉雅抬升過程及其與亞洲環(huán)境演變關(guān)系的認(rèn)識(shí)，來至東亞的研究結(jié)果支持高原抬升和全球變化與季風(fēng)氣候演化之間的聯(lián)系。結(jié)論：Molnar教授的研究工作促進(jìn)了我們對(duì)新生代全球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地震發(fā)生機(jī)理和氣候演化及其關(guān)系的認(rèn)識(shí)；他的思想和工作方法對(duì)我們的研究有指導(dǎo)意義。在未來，獲得定量化的高精度的環(huán)境演變地質(zhì)記錄、加強(qiáng)環(huán)境演變的數(shù)值模擬研究，是認(rèn)識(shí)地球環(huán)境變化規(guī)律的兩條重要途徑。

來源出版物：中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué), 2015, 45(6): 770-779入選年份：2015