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    近日,青岛海洋地质研究所深海极端环境探测研究团队在东海冲绳海槽冷泉沉积物铁、锰、硫、碳元素循环耦合研究方面取得新进展,研究成果发表在地球科学领域国际权威期刊Global and Planetary Change。

    作为典型的弧后盆地,冲绳海槽广泛发育海底热液和冷泉系统,这对该区域的碳循环具有重要影响。以往冷泉碳酸盐岩的记录显示,热液来源的金属驱动了冷泉区甲烷的厌氧氧化作用,从而降低了冷泉碳泄漏强度。然而,由于缺乏现代孔隙水地球化学数据,导致对研究区域内铁、锰、硫和碳循环之间动态相互作用的认识仍不清晰。

    针对上述问题,该研究利用冲绳海槽中段的海底浅钻和重力柱沉积物样品,开展了孔隙水地球化学研究,研究数据首次记录到了热液锰供应对有机质矿化的增强作用,从而降低了弧后盆地中有机碳的埋藏效率。

    研究证实:通过厌氧氧化作用可显著改变孔隙水碱度,并促进碳酸盐岩沉淀,从而实现冷泉碳泄漏的截留。此外,该研究还提出了一种新的海底白云石形成机制,认为其与产甲烷带内厌氧氧化作用有关,而非前人认为的沉积物风化、逆风化控制的白云岩化作用。

    上述研究对理解弧后盆地中铁、锰、硫和碳的循环具有重要意义,也为认识甲烷丰富但硫酸盐贫乏的太古代海洋提供了科学依据。该研究由青岛海洋地质研究所和崂山实验室共同完成。

     冲绳海槽冷泉沉积物铁、锰、硫、碳元素循环耦合模式

    青岛海洋地质研究所在弧后盆地冷泉区沉积物元素循环...

    由中国科学院、中国工程院主办,中国科学院学部工作局、中国工程院办公厅、中国科学报社承办,中国科学院院士和中国工程院院士投票评选的2017年中国十大科技进展新闻、世界十大科技进展新闻,2017年12月31日在京揭晓。

    此项年度评选活动至今已举办了24次。评选结果经新闻媒体广泛报道后,在社会上产生了强烈反响,使公众进一步了解国内外科技发展的动态,对宣传、普及科学技术起到了积极作用。

     

    2017年中国十大科技进展新闻  

    1.我国科学家利用化学物质合成完整活性染色体

    我国科学家利用化学物质合成了4条人工设计的酿酒酵母染色体,标志着人类向“再造生命”又迈进一大步。该研究利用小分子核苷酸精准合成了活体真核染色体,首次实现人工基因组合成序列与设计序列的完全匹配,得到的酵母基因组具备完整的生命活性。该研究结果2017310日在《科学》发表,我国也成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家。自2012年开始,天津大学、清华大学和深圳华大基因研究院与美国等国家的科研机构共同推动了酵母基因组合成国际计划(Sc2.0),旨在对酿酒酵母基因组进行人工重新设计和化学再造。我国科学家此次成功合成的4条酿酒酵母染色体,占Sc2.0计划已经合成染色体的2/3 

    2.国产水下滑翔机下潜6329米刷新世界纪录

    我国自主研发的“海翼”号水下滑翔机于20173月在马里亚纳海沟挑战者深渊,完成大深度下潜观测任务并安全回收,最大下潜深度达到6329米,刷新了水下滑翔机最大下潜深度的世界纪录。“海翼”号水下滑翔机是根据中科院B类战略先导专项的部署,由中科院沈阳自动化所研制的、具有完全自主知识产权的新型水下观测平台。从原理样机的研发到深渊观测任务的圆满完成经历了13个年头,包含浅海、深海、深渊等不同型号的水下滑翔机20余台。此次“海翼”号在马里亚纳海沟共完成了12次下潜工作,总航程超过134.6公里,收集了大量高分辨率的深渊区域水体信息,为海洋科学家研究该区域的水文特性提供宝贵资料。  

    3.世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生
      

    201753日中国科技大学潘建伟院士科研团队宣布光量子计算机成功构建。潘建伟团队在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平,团队利用自主发展的综合性能国际最优的量子点单光子源,通过电控可编程的光量子线路,构建了针对多光子“玻色取样”任务的光量子计算原型机。实验测试表明,该原型机的取样速度比国际同行类似的实验加快至少24000倍,通过和经典算法比较,也比人类历史上第一台电子管计算机和第一台晶体管计算机运行速度快10倍至100倍。这台光量子计算机标志着我国在基于光子的量子计算机研究方面取得突破性进展,为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了坚实基础。 

    4.国产大型客机C919首飞

     

    我国首款国际主流水准的国产大型客机C91920175514时许在上海浦东国际机场首飞。C919的全称是“COMAC919”,COMACC919的主制造商中国商飞公司的英文名称简写,“C”既是“COMAC”的第一个字母,也是中国的英文名称“CHINA”的第一个字母,体现了大型客机是国家的意志、人民的期望。第一个9寓意“天长地久”,19寓意C919大型客机最大载客量190人。C919拥有完全自主知识产权,是建设创新型国家的标志性工程,凝聚了国内最优秀的设计人才和工程人才,针对先进的气动布局、结构材料和机载系统,研制人员共规划了102项关键技术攻关,包括飞机发动机一体化设计、电传飞控系统控制律设计、主动控制技术等。  

    5.我国首次海域天然气水合物试开采

     

    2017518日,我国首次实现海域可燃冰试采成功,南海神狐海域天然气水合物(又称可燃冰)试采实现连续187个小时的稳定产气。这是“中国理论”“中国技术”“中国装备”所凝结而成的突出成就,中国人民又攀登上了世界科技的新高峰。源源不断的天然气从1200多米的深海底之下200多米的底层中开采上来,点燃了全球最大海上钻探平台“蓝鲸一号”的喷火装置。这是我国首次,也是全球首次对资源量占比90%以上、开发难度最大的泥质粉砂型储层可燃冰成功实现试采。从“蓝鲸一号”起步的可燃冰试采,不仅对我国未来的能源安全保障、优化能源结构具有重要意义,甚至可能给世界能源接替研发格局带来改变。  

    6.我国“人造太阳”装置创造世界新纪录

     

    国家大科学装置——全超导托卡马克核聚变实验装置东方超环(EAST)实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录。这一重要突破标志着,我国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面将继续引领国际前沿。东方超环是世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置,对国际热核聚变试验堆(ITER)计划具有重大科学意义。由于核聚变的反应原理与太阳类似,因此,东方超环也被称作“人造太阳”。该成果将为未来ITER长脉冲高约束运行提供重要的科学和实验支持,也为我国下一代聚变装置——中国聚变工程实验堆的预研、建设、运行和人才培养奠定了基础。  

    7.中国科学家首次发现突破传统分类新型费米子

     

    中国科学院物理研究所科研团队首次发现了突破传统分类的新型费米子——三重简并费米子,为固体材料中电子拓扑态研究开辟了新的方向。这一研究成果于2017619日由《自然》杂志在线发表。寻找新型费米子是近年来拓扑物态领域一个挑战性的前沿科学问题,也是该领域国际竞争的焦点之一。此次新型费米子的发现从理论预言、样品制备到实验观测的全过程,都是由我国科学家独立完成的,它是凝聚态物理中固体理论的一个重要突破。这一研究成果对促进人们认识电子拓扑物态、发现新奇物理现象、开发新型电子器件以及深入理解基本粒子性质都具有重要的意义。  

    8.量子通信“从理想王国走到现实王国”

     

    2017118日,我国研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在圆满完成4个月的在轨测试后,正式交付使用。2017616日,中国科学技术大学潘建伟、彭承志等带领的团队宣布,利用“墨子号”在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发,并于此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”于929日正式开通。结合“墨子号”卫星,我国科学家成功与奥地利实现了世界首次洲际量子保密通信。“墨子号”圆满实现了三大既定科学目标,用潘建伟的话说,千公里级的星地双向量子通信,终于“从理想王国走到了现实王国”。  

    9.中科院推出高产水稻新种质

     

    由中科院亚热带农业生态研究所夏新界研究员领衔的水稻育种团队于20171016日宣布,历经十余年研究,团队日前培育出超高产优质“巨型稻”:株高可达2.2米、亩产可达800千克以上、具有高产、抗倒伏、抗病虫害、耐淹涝等特点。经农业部植物新品种测试中心DNA指纹检测,以及华智水稻生物技术有限公司56k水稻SNP基因芯片指纹图谱检测,确认“巨型稻”是一种水稻新种质材料。这种“巨型稻”光合效率高,单位面积生物量比现有水稻品种高出50%,平均有效分蘖40个,单穂最高实粒数达500多粒,单季产量可超过800千克/亩。它是运用突变体诱导、野生稻远缘杂交、分子标记定向选育等一系列育种新技术,获得的水稻新种质材料。  

    10.“悟空”发现疑似暗物质踪迹

     

    20171130日,中国暗物质粒子探测卫星“悟空”的首批探测成果在《自然》杂志上刊发。“悟空”测量到电子宇宙射线能谱在1.4万亿电子伏特(TeV)能量处的异常波动。这一神秘讯号首次为人类所观测,意味着中国科学家取得了一项开创性发现。如果后续研究证实这一发现与暗物质相关,将是一项具有划时代意义的科学成果,人类就可以跟随着“悟空”的脚步去找寻宇宙中5%以外的广袤未知,这将是一个超出想象的成就。即便与暗物质无关,也可能带来对现有科学理论的突破。“悟空”投入相对小,在“高能电子、伽马射线的能量测量准确度”和“区分不同种类粒子的本领”两项关键技术指标方面世界领先。 

     

    2017年世界十大科技进展新闻 

    1.新传感器技术可实现意念操控机械假肢

     

    一个国际团队在《自然—生物医学工程》上发表论文表示,在他们研发的传感器技术助力下,机械假肢能探测到使用者脊髓运动神经元发出的电信号,使假肢的控制更加灵活,这相当于用意念控制假肢。有关技术有望帮助截肢人士恢复更多活动功能。这种新传感器能让机械假肢直接探测到来自脊髓运动神经元发出的电信号,比起单纯依靠肌肉抽动来控制的方式,这样的操控可做到更精确,可完成的动作也更复杂,机械假肢的实用性随之提高。团队下一步将对这一新型机械假肢进行更大范围的临床测试,经过不断改进后,这类产品有望在未来三年进入市场。  

    2.DNA数据存储新法问世

     

    美国科学家在201732日出版的《科学》杂志上报告说,他们想出了一种新的方式将数据编码进脱氧核糖核酸(DNA),从而创造出迄今最高密度大规模数据存储方案。在这套系统中,1DNA具有存储215拍字节(2.15亿千兆字节)的能力。原则上,它可以将人类有史以来的所有数据存储在一个大小和重量相当于两辆小货车的容器中。然而这项技术能否起飞主要取决于成本。用DNA存储数据有很多优势。它是超级压缩的,并且在寒冷干燥的地方可以保存数十万年。同时只要人类社会还在读取和书写DNA,他们就能够解码这些信息。科学家还可以为这些文件制作几乎不受数量限制的无差错文件副本。  

    3.“二手”火箭,成功发射回收

     

    美国太空探索技术公司于2017330日利用翻新的“二手”火箭把一颗商业通信卫星发射上天,这是人类太空史上的第一次。此次发射的主要任务是把欧洲卫星公司的SES-10卫星送至地球同步静止轨道,但特殊之处在于这枚“猎鹰9”火箭的第一级曾于20164月为国际空间站运送过货物,此后降落在太平洋的一艘无人船上,是人类从海上成功回收的第一个火箭第一级。经翻新并加上第二级后,火箭第一级被运回肯尼迪航天中心再次承担轨道级发射任务。火箭第一级回收的目的是研制可重复使用的运载火箭。传统火箭都是一次性使用,一旦能够回收重复使用,将有望降低发射成本。  

    4.3D打印卵巢具有生育能力

     

    2017516日出版的《自然—通讯》杂志报道称,美国科学家通过3D打印技术,由凝胶制成的人工卵巢能够使老鼠受孕并产下健康的后代。在这项研究中,科学家使用了一个具有发射凝胶喷嘴的3D打印机,而其所使用的凝胶来源于动物卵巢中天然存在的胶原蛋白。研究人员通过在载玻片上打印各种重叠的凝胶纤维图案来构建卵巢。随后,他们利用外科手术摘除了7只小鼠的卵巢,并在其位置上缝合了人工卵巢。小鼠交配后,其中3只雌鼠分别产下了健康幼崽。这些产崽的雌鼠同时还能自然泌乳,这表明嵌入支架的卵泡产生了正常水平的激素。该成果或能帮助因放疗或化疗导致不育的癌症幸存者恢复生育能力。  

    5.科学家成功用引力为星球测重

     

    《科学》杂志于201767日发文称,爱因斯坦的广义相对论提出100年后,科学家成功地运用该理论确定了一颗白矮星的质量,使当初在爱因斯坦看来“不可能的希望”成为现实。科学家在5000多颗恒星中寻找具有这种直线排列形式的星球,发现白矮星STEIN 2051 B恰好有着这种完美的定位——它在20143月正好位于一颗背景星球之前。他们利用哈勃望远镜对此现象进行观察,测量背景星球表观位置的微移动,这一作用被称作天体测量的微引力透镜效应。根据所测得的数据,他们估计,该星球的质量约为太阳质量的0.675倍。直接测量STEIN 2051 B的质量对理解白矮星的进化具有重要意义。  

    6.全球首次发现双粲重子

     

    欧洲核子研究中心于201776日宣布,经多国科学家共同努力,在世界上首次发现了一种被称为双粲重子的新粒子,这将有助于人类深入理解物质的构成和强相互作用的本质。中国团队对这一发现功不可没。这一最新发现来自欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)上的底夸克探测器(LHCb)合作组。据介绍,这种双粲重子含有两个质量较大的粲夸克和一个上夸克,质量约3621兆电子伏,几乎是质子质量的4倍,理论预期其内部结构迥异于普通重子。底夸克探测器是欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的粒子物理实验装置之一,专门研究重夸克粒子的产生和衰变。  

    7.华人科学家宣布发现“天使粒子”

     

    美国斯坦福大学华人科学家张首晟等人于2017720日在《科学》杂志上报告说,他们首次发现了马约拉纳费米子存在的证据。这一重大发现解决了困扰量子物理学80年的难题,对量子计算也具有重要意义。张首晟领导的理论团队预言了通过怎样的实验平台能够找到马约拉纳费米子,哪些实验信号能够作为证据;加利福尼亚大学洛杉矶分校的何庆林、王康隆以及欧文分校的夏晶领导的实验团队与理论团队密切合作,在实验中发现了被称为手性马约拉纳费米子的一类最基本马约拉纳费米子。意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言,自然界中可能存在一类特殊的粒子,它们的反粒子就是自身,这种粒子被称为马约拉纳费米子。  

    8.科学家用基因剪刀修复人类早期胚胎致病基因

     

    201782日出版的《自然》杂志报告,一个国际团队利用CRISPR基因编辑技术,成功修复了人类早期胚胎中一种与遗传性心脏病相关的基因突变。这是美国国内首次进行人类胚胎基因编辑。研究人员以肥厚型心肌病为研究对象。这是一种常见的单基因遗传病,由MYBPC3基因突变引起,是青壮年运动员猝死的主要原因之一。研究人员利用CRISPR基因编辑技术修复了人类早期胚胎中的这种突变,且定向非常精确,没有在非靶点位置产生突变。研究人员介绍,精确的基因编辑技术还有助获得更多健康胚胎,提高体外受精成功率。但研究团队谨慎表示,相关基因编辑方法仍需进一步优化。  

    9.世界首个分子机器人诞生

     

    《自然》杂志于2017920日报道,英国曼彻斯特大学科学家研制出世界上首个“分子机器人”,其能接收化学指令并完成组装分子等基本任务,未来可用于研发药物、设计先进制造工艺以及搭建分子组装线和分子工厂。组成分子机器人的碳、氢、氧和氮等原子总共只有150个,大小只有百万分之一毫米,将几百亿个这种机器人堆起来,也只有一粒盐那么大。但如此微小的分子机器人,却拥有机器手臂,能够根据指令操控单个分子,用机器手臂搭建分子产品。由于非常微小,这些分子机器人具有很多优势,能降低材料需求、加速药物研发、大幅减少能源消耗及推进产品微型化等。  

    10.引力波研究获重要进展

     

    全球多国科学家于20171016日宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)捕捉到这个引力波信号。此后2秒,美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴。这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件,标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代。61日,科学家就称,第三次探测到了引力波。此次结果不仅再次验证了广义相对论,也为了解双黑洞系统的成因提供了线索。927日,宣布第四次探测到引力波,这是欧洲和美国的探测器首次共同发现引力波。 

    我国首次海域天然气水合物试开采入选中国十大科技进...
    所在单位:地科院地质研究所
    完成人员:朱祥坤、孙剑、房楠、李世珍、潘晨旭、陈岳龙
    项目来源:国家自然科学基金项目,行业基金项目
    起止时间:2009年1月-2014年12月

    主要进展

      白云鄂博稀土-铌-铁矿床是世界著名的超大型多金属矿床,受到国内外地学界的广泛关注。自1927年发现以来,前人在此做了大量工作,取得了一系列成果,但对矿床形成机制和成矿时代或期次的认识仍存在很大分歧。本项目利用新兴的铁、镁同位素示踪技术,结合传统的钐-钕、锶、碳、氧同位素体系,对矿床的形成机制和成矿时代进行研究,取得了以下创新性成果:

      1.首次系统地开展了白云鄂博矿床的铁、镁同位素研究,对矿化元素本身和赋矿层的主量元素进行了直接示踪,结果为矿床的岩浆成因提供了有力的证据。这不仅是白云鄂博矿床成因研究的一大重要进展,也为如何运用铁、镁等新兴同位素体系进行矿床成因研究提供了范例(成果发表在Precambrian Research, International Geology Reivews, Chinese Journal of Geochemistry, 岩石学报等)。

      在白云鄂博矿床的成矿机制方面,前人争论的焦点在于铁的物质来源和赋矿层“H8”白云岩的成因(火成或水成),但缺乏直接可靠的证据。由于铁是成矿元素,铁、镁是赋矿层的主量元素,本研究系统开展铁、镁同位素研究,为矿床的成矿物质来源和矿床成因进行直接示踪。

      首先对典型沉积成因的含铁建造及其碳酸盐岩、和矿区广泛分布的火成碳酸岩墙的铁、镁同位素进行了研究,结合已有工作,厘定了沉积、火成岩石的Fe、Mg同位素组成分布范围。在此基础上,详细调查了白云鄂博矿床铁矿体及赋矿层“H8”白云质大理岩的铁、镁同位素分布特征。研究结果表明,白云鄂博矿床细粒铁矿石和“H8”白云岩的铁同位素平均值δ56Fe-IRMM在0附近,并且变化范围很窄,与火成岩的铁同位素组成一致;同时,磁铁矿和白云石矿物之间的铁同位素分馏很小,指示高温形成环境。“H8”白云岩的大部分样品镁同位素组成落在火成岩范围,少量数据落在火成岩和沉积白云岩之间。这表明白云鄂博矿床是以岩浆作用为主导而形成的矿床。由于铁、镁是白云鄂博矿床的主量元素,铁、镁同位素的研究成果为该观点提供了有力而直接的证据。

      2. 运用Sm-Nd同位素技术对白云鄂博矿床的形成时代进行了精确定年,并重新厘定了矿床的成矿时代和成矿期次(成果发表在Ore Geology Review, 地球学报等)。

      在白云鄂博矿床成矿年代学方面,前人已对开展大量的研究,获得了大量的年龄数据。虽然如此,这些年龄数据所代表的真正地质意义仍有待进一步研究,白云鄂博矿床的成矿时代和成矿期次仍然存在激烈的争论。由于白云鄂博矿床是一个稀土矿床,本研究利用Sm-Nd同位素体系对矿床的成矿时代和成矿期次进行直接制约和厘定。

      由于白云鄂博矿床遭受了复杂的地质作用和多期次的交代作用,选取合适的样品是获得可靠的定年结果的基础。本研究首先开展了详细的岩相学和矿相学研究,对矿石和赋矿岩石的期次进行了划分。在此基础上,选取了未遭受交代作用的白云岩“原岩”进行Sm-Nd同位素定年,获得了高精度的等时线年龄1287±26Ma。同时,对不同期次的矿石和赋矿岩石的全岩和单矿物进行了Sm-Nd同位素测定。综合前人的数据,利用Sm-Nd同位素体系对矿床的成矿时代和期次进行了厘定。结果表明,白云鄂博稀土的成矿时代约为1.3Ga,与碳酸岩墙的形成时间一致,成矿物质来源于地幔。加里东期的热事件(约0.44Ga) 导致了白云鄂博矿床的晚期稀土矿脉的形成和原有矿体中部分稀土矿物的重结晶,但成矿物质主要来源于矿体内部的稀土再循环,外源物质的贡献不明显。约1.3Ga到约0.44Ga间的一系列中间年龄为后期热扰动的结果,并不代表成矿事件。简言之,白云鄂博矿床只在中元古代发生过一次实质性的稀土矿化作用,地幔是稀土物质的单一源区。

      3. 对白云鄂博矿床开展了铁、镁、碳、氧、锶、钕等同位素的综合研究,完善了白云鄂博矿床的成矿模式。
      利用不同同位素的特点,综合开展了铁、镁、碳、氧、锶、钕等同位素的综合研究,从不同角度对矿床的成因进行制约。研究表明,白云鄂博矿床可能是在中元古代时期(约1.3Ga)的大陆裂谷环境下,由火成碳酸岩岩浆在海底侵入或喷出而形成,岩浆侵入或喷发期间可能有海水或少量沉积碳酸盐岩加入,也很有可能伴随热液活动。矿床形成后区域上发生了多次地质事件,矿床发生了一定的热扰动,但成矿物质只在内部发生了再循环,外源成矿物质的加入很有限。
     
      上述研究为白云鄂博矿床的成因和成矿时代提供了重要制约,完善了白云鄂博矿床的成矿模式。

      上述研究的部分成果已在国内外期刊上发表论文18篇(其中SCI期刊8篇,EI期刊3篇)。


    图1 白云鄂博矿床Fe同位素组成及与其他类型矿床的对比


    图2 白云鄂博矿床Mg同位素组成


    图3 白云鄂博矿床成矿模式图

    1-5 白云鄂博矿床成因再研究

    近日,美国地球物理学会主办的著名地学综合性刊物《Journal of Geophysical Research: Oceans》(地球物理研究:海洋)以“Observed deep anticyclonic cap over Caiwei Guyot”(采薇平顶海山深海反气旋帽观测)为题发表了广州海洋地质调查局郭斌斌等关于深海反气旋帽观测的最新研究成果。

    该项研究认为,海山作为大洋中典型的突变地形,通过与深海环流相互作用,产生一系列复杂的动力响应,对深海物质及能量输运有重要意义。其中,反气旋帽(海山上方类似“帽子”的反气旋环流结构)是最显著的动力响应之一,大量基于锥形海山的数值模拟研究已揭示其经典模型,但其是否适用于近年广受关注的深海平顶海山还不得而知。这项研究利用持续3年的多套潜标观测资料,揭示了覆盖采薇平顶海山的深海反气旋帽三维结构,发现反气旋环流结构在山顶、斜坡及山脚有显著差异,与经典反气旋帽低温异常形成于山顶中心上方不同,一个环状的低温异常出现在采薇平顶海山山顶边缘上方。

    研究提出了背景流、半日潮与地形非线性相互作用共同激发深海绕海山反气旋帽形的驱动机制,并定量其相对作用,发现在采薇海山山顶,前者相对于后者对反气旋帽产生的贡献更大。研究发现,平顶海山深海反气旋帽可能对局地沉积物及富钴结壳资源分布有重要的调控作用,对今后结壳资源勘探开发有重要指示意义。

     

    图为观测揭示的深海平顶海山反气旋帽三维结构及其地质效应

    论文第一作者为广州海洋地质调查局郭斌斌工程师,通讯作者为南海海洋研究所王卫强和舒业强研究员,合作作者为何高文、张东声、邓希光、梁前勇、杨永、谢强、王海峰和王俊。该项研究由国家自然科学基金、中国大洋矿产资源研究开发协会课题、自然资源部海底矿产资源重点实验室开放基金等共同资助。

    《Journal of Geophysical Research: Oceans》位于汤森路透JCR一区,中科院JCR海洋学二区,影响因子为3.559,CiteScore为3.19。论文相关信息如下:

    Guo, B., Wang, W.*, Shu, Y.*, He, G., Zhang, D., Deng, X., et al. (2020). Observed deep anticyclonic cap over Caiwei Guyot. Journal of Geophysical Research: Oceans, 125(10), e2020JC016254.

     
     
    广州海洋局深海反气旋帽观测研究获新成果

    人们知道地球的自转周期并非标准的24小时整,而是每天都有着微弱的变化。更为奇妙的是,处于地球最中心的固态内核,有着和外部圈层不一样的自转周期,也就是地球内核的差速旋转现象。地球中心的地核的主要成分是铁合金,分为液态的外核和固态的内核两个主要圈层。外核的对流是地球磁场的来源,其施加在内核上的电磁力矩驱动了内核的差速旋转。同时在万有引力的作用下,固态且不均一的内核和地幔之间也有重力耦合效应,这将影响内核差速旋转的状态。然而无论是通过地球动力学的模拟还是地震学的观测,地球内核差速旋转的速度和模式的确定,都极具挑战性。这一问题的解决将对地球深部的动力学过程和地核地幔的耦合机制提供全新的约束,有助于我们理解地球深部圈层的运行机制。该研究成为深地科学的重点探索任务。

    北京大学地球与空间科学学院宋晓东教授和特聘副研究员杨翼博士最新的研究结果揭示了地球内核近七十年来的差速旋转模式的变化。该研究利用在同一震源重复发生的天然地震追踪地球内核的旋转模式。重复地震的地震波在同一个台站接收到的记录通常具有相同的波形,然而当地震波采样到地球内核时,却会显示出不一样的波形和到时(例如图1),这是由于内核的旋转导致其内部的不均匀结构发生了横向移动,两次地震记录有着空间中的同样路径却采样到了不同的内核结构。通过分析长期的波形的变化模式,就可以推断出内核旋转的模式。令人惊讶的是,近十余年来,这种地震信号的时变现象在全球的地震波路径上统一消失了。经过更精确的分析得出了地球内核的差速旋转在2009年就接近停止并开始缓慢地反向。类似的反向旋转现象在上世纪70年代初期也有出现,意味着内核的旋转很可能存在周期为六七十年左右的震荡模式。

    同时,在地磁场强度和地球日长(自转周期)变化的信号中,甚至在全球平均海平面和气温变化当中,也存在着同样的六七十年周期的信号,并且它们在相位上也存在着一定的对应关系。地磁场的变化意味着外核流体运动模式的变化,日长的变化代表着地幔和地壳旋转的角速度变化,而全球海平面和气温变化源自地表(和大气圈)的变化。由此可见地球的内核、外核、地幔和地表之间,由于电磁和重力等耦合效应,形成了一个周期为六七十年、从内核到浅表的耦合共振系统,这对于揭示地球作为一个系统的运行机制有重要意义(图2)。

    该成果于2023年1月23日正式发表在《自然.地球科学》(Nature Geoscience)上,研究论文题为“Multidecadal variation of the Earth’s inner-core rotation”,同刊发表的研究简文题为“Rotation of the Earth's inner core changes over decades and has come to near-halt”。杨翼博士为两篇文章的第一作者,宋晓东是北大讲席教授为两篇文章的通讯作者。

    该研究是中国地质科学院和北京大学地空学院共建的“自然资源部深地科学与探测技术实验室”(SinoProbe Laboratory)的成果,受到科技部“地球系统与全球变化”重点专项、自然科学基金地震联合基金和青年基金、以及博士后面上基金的资助。

    “自然资源部深地科学与探测技术实验室”于2021年2月经自然资源部批复并正式挂牌,依托中国地质科学院建实。主要目标是联合我国有关部门研究力量,组织实施国家深地领域研究任务,推进国际合作,打造国家级深地领域研究平台。实验室聚焦深部结构探测、深部物质探测、深部资源探测和深部过程等前沿,搭建深地科学数据、探测技术与装备和实验测试支持等平台。实验室面向国际开放与合作,向全球招聘科学家,与国际组织和机构、大学合作研究。前期深部探测实验专项(SinoProbe-1,2008-2014)已奠定了扎实的基础,储备了技术装备和人才队伍,在国际上产生良好的反响。

    北京大学地球与空间科学学院设有5个本科生专业(地质、地球化学、固体地球物理学、空间科学与技术、地理信息系统)。地球科学与空间科学既是一门基础科学,又是一门在现代国防和国民经济建设中有着广泛应用的科学。北大地质学及地球物理学均为我国同类专业中历史最悠久的学科,地空学院是我国地球科学科研和人才培养的重要基地,承担着为国家现代化建设输送高级专门人才的重任,对我国现代科学发展和国民经济建设发挥了重要作用。

     

     

    图1. 重复地震的内核信号随时间变化示例图。在1998年到2004年间,地震波的波形存在明显的变化,而在2009到2017年间,并未观测到波形的变化。不经过内核的波形一直保持不变(图b中的BC震相)。

     

    图2. 从地表到内核的耦合共振系统示意图。其中包括内核(差速旋转)、外核(磁场变化)、地幔地壳(日长变化)、地表和大气(全球平均海平面和气温变化)等多个圈层(和对应的地球物理观测)。

    链接:

    研究论文: Yang, Y. and X.D. Song, Multidecadal variation of the Earth’s inner core rotation, Nature Geosci, Jan. 24, 2023. https://www.nature.com/articles/s41561-022-01112-z 

    研究简文:Yang, Y. and X.D. Song, Rotation of the Earth's inner core changes over decades and has come to near-halt, Nature Geosci, Jan 24, 2023. https://www.nature.com/articles/s41561-022-01113-y

    深地科学新进展——我国学者宋晓东、杨翼发现地球内...

    近日,国际期刊《Frontiers in Microbiology》(微生物学前沿)发表了中国地质调查局广州海洋地质调查局冷泉微生物研究新成果“Active Anaerobic Archaeal Methanotrophs in Recently Emerged Cold Seeps of Northern South China Sea(南海北部新发现冷泉的活跃甲烷厌氧氧化古菌)”。

    冷泉生态系统蕴藏着大量的微生物和底栖动物群落,主要发育于富含甲烷流体渗漏的陆坡环境。目前,学界已对冷泉系统中的微生物类群进行了广泛的研究,但其中大多数是基于DNA(16S核糖体脱氧核糖核苷酸)测序手段,而DNA的弊端是无法区分活跃和死亡微生物。由于RNA(16S核糖体核糖核苷酸)较易降解且对于环境的变化极为敏感,因此RNA测序可用于评估环境中的活性微生物。本研究利用RNA和DNA相结合的分析方法,对南海北部冷泉三个渗漏点的微生物群落(特别是参与甲烷循环的古菌群落)及其网络相关性进行了研究。

    主要形成三方面认识:

    一是通过DNA和RNA测序方法对比沉积物“总菌”和“活菌”的差异性,为有效识别原位冷泉环境下的活性微生物提供新的思路。

     冷泉沉积物中基于16S rDNA 和rRNA测序的古菌和细菌群落组成

    二是揭示了冷泉不同发育周期对应的微生物群落结构差异,为深入研究冷泉演化过程提供了重要依据。

    三是初步探讨了冷泉环境中甲烷代谢菌与共生细菌的网络关系,为研究微生物间的相互作用机制提供了参考。

    论文第一作者为广州海洋局张亭亭和肖曦工程师,通讯作者为赵静高级工程师,合作作者为陈松泽、陈宗恒、冯俊熙、梁前勇、Tommy J. Phelps、张传伦。该研究由国家自然科学基金(No. 41806074和No.41730528)、南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)重大专项创新团队项目(No. GML2019ZD0307)、中国地质调查局海洋地质调查项目(No. DD20190218)共同资助。

    广州海洋局冷泉微生物研究获新成果

    近日,由自然资源部中国地质调查局青岛海洋地质研究所科研团队在天然气水合物微观实验探测方面取得新进展,研究成果先后被国际SCI期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》和《Journal of Natural Gas Science and Engineering》在线发表。 

    其中,“基于纳米焦点X射线CT的含水合物石英砂多参数观测”(Investigation on the multiparameter of hydrate-bearing sands using nano-focus X-ray computed tomography)一文,从石英砂介质内部孔隙结构、水合物赋存形态和微观渗流规律角度,揭示了三者之间的内在联系。研究结果显示,孔隙尺度下水合物的赋存形态在不同的生长或分解阶段呈现显著差异,孔隙中气泡的存在也会改变水合物的分布特征;水合物赋存形态及含量的变化影响介质内部有效孔隙的连通性,继而控制的渗流性质;基于CT数字岩心分析,实现了介质内部绝对渗透率参数计算以及流体运移的仿真模拟。JGR审稿专家对本研究给予评价:“这是一个令人印象深刻的研究,前所未有的细节。”

    “南海神狐海域沉积物中水合物分解过程声学特征和微观分布预测”(Acoustic characteristics and micro-distribution prediction during hydrate dissociation in sediments from the South China Sea)一文,主要针对南海粉砂质沉积物水合物微观赋存形态与声波速度之间的响应关系开展研究。研究结果展示了南海沉积物中水合物分解过程声波速度呈曲折式下降;沉积物中富含的有孔虫壳体对水合物的赋存产生显著的影响。结合CT扫描和声学探测结果,对南海沉积物水合物分解和赋存规律进行了预测。JNGSE审稿专家对本文给予了高度肯定:“文章完成了具有挑战性的实验研究,将地球物理特性和水合物微观特征结合到一起,既有趣又有非常重要的意义。”

    上述研究利用了高精度X射线CT扫描、数字图像分析、超声探测等多项实验技术,通过实验方法创新有效提升了青岛海洋所在水合物微观实验探测的能力。研究成果在揭示水合物储层属性变化的内在机制方面迈出了重要一步,可为海洋水合物资源勘探和开采提供参考。

     

     
    青岛海洋所天然气水合物微观实验探测取得新进展