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    德国是世界第四、欧洲最大和最强的经济体,经济以机械、车辆、家用设备和化学品出口而闻名,同时也是全球矿产资源的第三大消费国,除少数煤炭与铁外,其他资源全部需要进口,其矿产资源的保障体系系统而完善。60年来,德国联邦地球科学与自然资源研究所(BGR)通过国际技术合作项目在其保障体系中充当了设计师、决策者与指挥官的角色,并为其树立了良好的国际形象,其境外工作的与时俱进、专业而持久等特点,可以为自然资源部中国地质调查局的境外工作提供借鉴。

    德国联邦地球科学和自然资源研究所负责为联邦政府提供地球科学和自然资源问题咨询,参加德国和发展中国家所签署的政府间研究项目。特别是如下领域:能源资源(原材料、地热);金属矿产资源(勘探、供需分析)、工业矿物和岩石、地下水、土壤、环境保护;与地球科学相关的技术安全问题(岩石、水和土壤的结构及放射性废物质处理);地球科学研究(海洋研究、南极研究、地震学、遥感、辐射测年、各类地球科学图件等)。

    BGR国际合作特点

    从1958年起,BGR的国际技术合作项目均是通过联邦经济合作与发展部(BMZ)以项目委托的方式开展。除双边和地区性的技术合作项目外,BGR还为全球各国和地区提供与地球科学领域相关的政策性建议。BGR为德国的经济发展、为德国与世界各国的合作提供地球科学专业知识。BGR先后在130多个国家开展了500多个技术合作项目,为全球的可持续发展做出了贡献。目前每年在研项目有50多个。

    1958年~2016年BGR行业技术合作项目分布图

    1. 国际技术合作项目紧密围绕地球科学开展,涉及地球科学的各个领域。

    BGR国际技术合作项目侧重关注地下水、土壤、矿产和能源资源、采矿咨询、地质风险和环境地质等领域,分为7大类:矿产资源、能源资源、矿业咨询、地下水、环境地质和空间地质规划、地质灾害与灾害风险评估,其他项目。

    2. 国际合作项目围绕能源资源开展,更加侧重亚洲与非洲。

    在合作地域上,近65%的项目分布在亚洲和非洲的发展中国家,在亚洲与非洲项目更侧重于矿产资源和能源资源,这两类项目占到了60%左右,在欧洲与中东地区更侧重地下水领域的合作。总的来看,矿产资源与油气资源领域的国际合作项目数量占据了半壁江山。

    3. 合作项目在不同的历史阶段,随着德国经济的发展、联合国发展目标的不同而不同。

    BGR技术合作重点随时间与世界局势的变化而变化。1958年以来,BGR一直积极参与地球科学领域的技术合作,项目重点无论是合作主题还是合作地域上,在不同时期都发生了很多次变化。这些变化符合当时的全球挑战和联合国倡议,特别是与德国的发展目标相一致。主要可以分为7个阶段:

    (1)1958年~1973年,对合作伙伴国家矿产资源进行评价以维护德国的资源安全,为德国高速的经济发展服务。

    (2)1973年~1983,为应对石油危机,BRG的能源部门开展了更多的国际技术合作项目。

    (3)1983年~1990年,开展环境地质和空间地质规划方面的国际合作项目。

    (4)1990年~2004年,根据“联合国减灾十年”倡议,增加地质灾害类项目的合作。

    (5)2004年~现在,根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告,增加了气候变化的合作项目。

    (6)2005年~2015年,根据联合国倡议“国际行动十年,生命之水”开展了更多的水资源领域的合作。

    (7)2007年~现在,合作主题为:新兴市场对自然资源更高的要求——自然资源作为发展的一个因素。

    4. 方法技术与政策咨询等软硬技术相结合,并且具有持久性,潜移默化中用软科学保障硬技术发挥作用,达到其最终目标。

    在国际合作的持久性与软硬科学技术相结合方面,德国与蒙古的合作堪称典范。

    BGR与蒙古国地质部门的合作始于20世纪60年代。蒙古国地广人稀,基础设施不发达,矿产资源丰富。矿产品和畜牧业出口是蒙古国经济基础,尤其是矿产品出口额占到了总出口的80%以上。随着国际矿产品市场的剧烈波动给该国经济带来了巨大的挑战,经济增长率大大减缓;蒙古国伴随着经济的发展,矿业活动加剧了重要自然资源如水、森林和土地利用等方面潜在的矛盾。针对以上特点,BGR与蒙古国开展了系列合作。

    自1992年以来,BGR一直在由德国BMZ资助的技术合作框架内开展项目合作。其合作的目的是,提高蒙古地质部门的政府机构决策与管理能力;采用的方法主要是技术培训、技术项目合作和实践以及基础设施的现代化。

    德蒙两国的合作主要在以下三个方面:“提高资源能源效率”、“可持续的矿产资源管理”以及“保护生物多样性”,借此支持蒙古国经济部门做出的努力,帮助蒙古国矿业部门树立良好形象,并增强蒙古国竞争能力。除了以上提到的三个主要方面,德国还支持蒙古国政府:使由开采造成的环境损失降到最低,使蒙古发展成为一个负责的、社会和环境一体化的开采业国家。

    与BGR合作的蒙古国政府机构为矿产部及其下属机构:矿产资源管理局;中心地质实验室;国家矿产技术监督总局,该局可以直接上报国家副总理。

    主要合作项目如下:

    (1)与蒙古国中心实验室开展的合作,蒙古实验室能力建设(1997~2015年)

    从1997年起BGR开始了与蒙古国中心实验室(CGL)的长期合作,2015年结束。BGR和CGL通过四个持续的项目开展合作,主要成果体现在三个方面:一是协助成立了一个黄金有效分析实验室,二是提高CGL仪器分析能力并引入市场经济管理方法,三是协助CGL取得了三个国际认证机构认可的质量标准资质,取得了国际上交易认可的验证组织者资格。

    (2)与蒙古国矿产资源管理局(MRAM)开展的合作

    部分重点经济矿产资源的潜力评价(2008~2011年),BGR与MRAM成立之前的机构合作,其成果为《投资手册——投资蒙古工业矿业与稀有矿业的投资者手册》。

    综合矿产资源计划(2011-2013),组织对黄金、稀土元素等专项矿产资源进行专业培训和开展研究。

    矿产资源经济管理方面的能力开发与建设(2015年至今)。本项目为软科学研究性项目,BGR与MRAM开展本项目的合作,其目的是提高MRAM作为蒙古国政府专业服务提供者的社会服务能力。

    (3)与蒙古国矿产技术监督局的合作(GASI)

    2005~2017年,BGR与蒙古矿业技术监督局(GASI)开展了“矿业环境保护”技术合作项目,并建立了一个矿产开采监察资料系统,目前有一个小型后续项目,仍在坚持着双方的合作。

    5. BGR对企业服务方式间接而含蓄,企业在能源资源领域并不直接控制资源,而是垄断输电网络、矿山开采大型机械设备等。

    以孟加拉为例,自1972年7月开始合作,德国通过技术援助在与孟加拉开展了能源领域合作,为孟加拉的社会经济发展提供战略援助。2016年,德国为孟加拉提供1.395亿欧元(约合人民币10.3亿元)贷款及拨款,以升级孟加拉的输电系统。签署协议后,双方表示两国已存在的友好关系未来将达到新高度。但该国的输电网络、输电线路和变电站设备等被德国公司所垄断。

    蒙古的矿山开采、运输设备近80%为德国制造,德国的能源资源领域的垄断是通过间接的设施与设备。

    BGR境外国际合作对我国境外工作的启示

    1. 以国家经济社会需求为导向,持续开展地质调查国际合作。

    BGR开展国际合作是随社会发展不同阶段的不同需求和世界局势的不断变化而变化,BGR与孟加拉国从1972年开展合作,1978年到1985年间的合作工作集中在油气勘探以及人才培训方面,1985年到2005年重点在基础地质、地球化学、地球物理勘查以及人才培训方面,2005年至今在三维地质填图、城市地质模型等领域,与孟加拉国的合作持续40多年,与蒙古的合作更是如此。我国的境外地质调查国际合作开展10几年来,虽然合作国家达到50多个,但大部分国家合作时间很短,有的刚刚开始。当前,我国仍处于能源资源需求的高峰阶段,需要通过持续的合作,体现合作的效果。国际合作是建立在了解与信任基础之上,信任关系的建立需要时间,信任是合作的基石,一旦破碎,重新建立更加困难。

    2. 加强与国际组织合作,实现合作共赢。

    BGR在非洲布隆迪、喀麦隆、乍得、刚果(金)、毛里塔尼亚、纳米比亚、尼日尔、莫桑比克、卢旺达、坦桑尼亚、赞比亚等国家开展的地质矿产类合作,包括编制基础地质图件等均与欧盟合作,采用欧盟标准,降低其被世界舆论攻击的可能。建议我国境外地质工作应与国际地科联、非洲联盟地球科学委员会、上合组织等国际机构合作,以资助上述机构开展项目合作的方式达到“采用中国技术,输出中国标准”的目的。

    3. 练好内功,才更能有合作的实力与底气。

    在与国外的地矿官员谈起与中国地质调查局的合作领域时,对方基本上都是选择地球化学、岩溶与地下水资源与海洋地质调查,因为联合国国际岩溶中心、联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心在中国,我国的天然气水合物勘探开采领域位于国际领先地位。因此,练好内功,使更多的地质调查技术与标准位于国际领先水平,这样我国在国际合作中才更有实力与底气。

    做国家能源资源保障的设计师、决策者与指挥官

    在国家自然科学基金项目“岩溶含水系统森林退化/转变的水文效应(41472239)”的支持下,从2017年10月开始,由中国地质调查局岩溶地质研究所姜光辉博士领衔的项目组着手开展桂林城乡结合部生态环境调查,预计使用一年时间完成。

    城市的城乡结合部位是土地利用格局变化最强烈的部分。这里城市建筑用地、农村生活区和耕地以及自然保护区共存,并且用地矛盾突出,环境管理的难度大。丫吉试验场在八十年代成立时周围土地的用途主要为耕地和荒山。而现在城市用地已经扩张到丫吉试验场跟前。丫吉试验场的试验条件如何改变,这些变化对观测结果会产生什么样的影响,这是此次生态环境调查的主要目的。

    调查采用了由无人机采集获取高分辨率影像数据,并用路线地面调查核实,完成调查面积约9平方公里,其中包括试验区面积2平方公里。调查结果与八十年代的卫星影像资料、地形图以及档案卡片作比较,从中发现生态环境的变化趋势。调查结果显示与八十年代对比,试验场内部植被恢复显著,从原来的草坡转变为现在的灌丛为主局部为林地。植被覆盖率从1973年的37%上升至50%(2010年)。但陡坡和石峰的顶部植被恢复缓慢,依然以裸岩为主。

    丫吉试验场西侧平原土地利用变化巨大,主要表现为耕地和荒地被开发为建筑用地。剩余的耕地改为农场化经营。试验场东侧谷地仍然保持为农村居住地和耕地,但部分荒地变为畜牧养殖用地。试验场南侧有大规模采矿采石活动。

    丫吉试验场周围土地利用的变化可能形成的影响有:建筑用地的增加造成地表硬化,土壤渗透性降低,导致降雨补给量下降,地表径流增加并进入人工排水网,减少了地下溶洞天然排水系统的径流。道路修建后机动车行驶量增加,废气排放量增长可能导致局部空气质量下降。虽然建筑用地都配备了地下排污管道,但水质污染的风险上升。大规模的采矿和采石活动改变了地貌,必然影响到水文系统,危及试验场的水文地质条件。

    丫吉试验场是一个以岩溶水文系统水流过程和水均衡观测为主要研究内容的野外试验场地。试验场及其周围土地利用的变化将会通过直接和间接的方式影响场区的天然流场。由于处于桂林城乡结合部,这种影响无法避免,可能将来会更加强烈。为此需要设计新的设施和增加新的观测内容以认识和评估相关的变化过程,使试验场适应新的形势,并为评估桂林市发展与生态环境的保护之间的关系提供科学数据。

    丫吉试验场开展桂林城乡结合部生态环境调查

    南海是我国海域天然气水合物赋存的主要区域,学术界关于南海近期连续水合物演化史及其分解触发机制仍存有较大争议,甲烷渗漏引起的海洋环境和生物效应也尚不清晰。近年来,中国地质调查局广州海洋地质调查局实验测试研究所教授级高级工程师陈芳牵头团队通过对南海天然气水合物钻探岩心沉积物开展系统研究,在水合物分解的地球化学记录、水合物演化、触发机制及生物环境方面取得系列新的研究进展。相关成果已陆续发表在《Geophysical Research Letters》(地球物理研究通讯)、《Ore Geology Reviews》(矿产地质论评)、《Chemical Geology》(化学地质)、《Minerals》(矿物)和《Science China Earth Sciences》(中国科学:地球科学)等国内外著名地学期刊。

    一是开展天然气水合物分解的触发机制研究,证实了南海北部冷泉碳酸盐岩确实与水合物有关,提出温度对水合物稳定性影响更大等新认识,并首次提供高海平期存在强烈甲烷渗漏活动的证据。天然气水合物在海洋沉积物中处于动态的平衡状态,极易受到温度和压力变化引起分解,释放大量的甲烷至海水甚至大气中,因而了解其触发机制对于资源和环境调查都显得尤为重要,也是目前水合物研究最受关注的热点问题之一。

    广州海洋局陈芳及团队邓义楠、庄畅等,联合上海海洋大学、中国科学院南海海洋研究所等相关人员组成课题组,通过测试东沙海域含水合物钻孔岩心中发育的自生碳酸盐岩U-Th(铀-钍)年龄,收集迄今为止已公开发表的全球冷泉自生碳酸盐岩测年数据,并投放在全球20万年来海平面-年龄变化曲线进行研究,获得水合物分解释放及冷泉活动发生在高海平面,甲烷渗漏在高海平面暖期活动强度最大,其诱因可能与底层海水变暖有关,与压力相比,温度对水合物的稳定性影响更大等新认识,与过去普遍认为的压力是影响南海水合物动态的主要因素这一传统认识大相径庭。研究成果证实了南海北部冷泉碳酸盐岩确实与水合物有关,并首次提供了高海平期存在强烈甲烷渗漏活动的证据。

    图1全球海平面变化与甲烷释放关系图解

    二是揭示了南海东北部二十万年以来较为完整的水合物分解演化历史。研究人员通过对含水合物钻孔岩心所获连续沉积冷泉碳酸盐岩样品进行了系统地球化学分析,结合前期测年结果,揭示出南海东北部二十万年共发生了三大期的甲烷渗漏事件。通过开展多种微量元素特征研究显示,第一期和第三期的甲烷渗漏强度较小,主要局限于沉积物中,对海洋环境影响微乎其微。而第二期规模极大,形成于13.3-11.3万年之间,大量的甲烷向上渗漏至海水中,极大的影响了海洋环境。研究首次提出了天然气水合物分解可能导致海底局部的硫化环境。

      

     

    图2南海北部近二十万年以来水合物释放历史

    三是建立起新的水合物分解事件识别指标。识别天然气水合物分解事件对于了解水合物成藏模式及地质历史时期甲烷在全球碳循环中的作用具有重要意义。研究人员在含水合物钻孔岩心的沉积物和碳酸盐岩样品中发现了多层微量元素钼(Mo)的强烈富集,最高富集系数达到273(富集系数>10属于强烈富集),而正常半深海沉积物中Mo的含量偏低,一般富集系数≤1。Mo元素的富集是高度还原硫化环境的指示,推断其富集与天然气水合物分解释放的甲烷厌氧氧化作用有关。由于Mo在地质样品中所赋存的硫化物易于保存,因此,Mo作为有效的地球化学指示剂,能够更好地用于示踪地质历史时期中甲烷渗漏的强度和大规模的水合物分解事件。

    图3水合物甲烷渗漏区Mo元素富集机制

    四是对天然气水合物释放与海底生物关系取得新认识。水合物分解伴随着大量的甲烷渗漏至海水中,从而养育了冷泉生物群。然而,冷泉区生物众多,甲烷渗漏与各类生物存在何种联系目前尚未十分清晰。研究团队对南海北部深水洋流途经海域的天然气水合物异常区钻探站位采集到的冷水珊瑚、冷泉碳酸盐岩进行了鉴定,对其矿物、元素、稳定同位素进行测试和研究。鉴定出3个种的冷水珊瑚,发现南海冷水珊瑚的成因是在洋流作用下多种因素作用的结果。

    研究指出,以甲烷为主的冷泉流体形成冷泉碳酸盐岩,为珊瑚生长提供了硬质基地。渗漏最终停止后,来自西太平洋的深水洋流携带“富营”物质维持冷水珊瑚的生长和堆积。甲烷不仅可以直接为海底生物提供能量,也可间接的支撑珊瑚等生物生长。研究拓展了南海北部海底洋流、冷泉流体的环境效应研究视域。同时,研究团队首次发现在晚第四纪沉积中底栖和浮游有孔虫碳同位素值同时出现极低值事件,对解释陆坡甲烷气释放能否贯穿上层海水及有孔虫碳同位素负偏因素有很好的研究意义。对资源勘探及古海洋环境研究具有重要意义。

    以上研究成果得到国家自然科学项目基金(No. 41372012、41776066和41803026)和南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0506)的共同资助。

    论文信息如下:

    Chen, F., Wang, X. D., Li, N., et al., 2019. Gas hydrate dissociation during sea-level highstand inferred from U/Th dating of seep carbonate from the South China Sea. Geophysical Research Letters, 46, 13,928–13,938.

    Deng, Y., Chen, F., Hu, Y.,et al., 2020. Methane seepage patterns during the middle Pleistocene inferred from molybdenum enrichments of seep carbonates in the South China Sea. Ore Geology Reviews, 125, 103701.

    Chen, F., Hu, Y., Feng, D., et al., 2016. Evidence of intense methane seepages from molybdenum enrichments in gas hydrate-bearing sediments of the northern South China Sea. Chemical Geology, 443, 173–181.

    Deng, Y., Chen, F., Li, N., et al., 2019. Cold-Water Corals in Gas Hydrate Drilling Cores from the South China Sea: Occurrences, Geochemical Characteristics and Their Relationship to Methane Seepages. Minerals, 9, 742.

    Zhuang, C., Chen, F., Cheng, S., 2016. Light carbon isotope events of foraminifera attributed to methane release from gas hydrates on the continental slope, northeastern South China Sea. Science China Earth Sciences, 59, 1981–1995.

    广州海洋局水合物演化机制研究获系列成果

    地球深部上地幔的氧化还原状态控制着岩石的部分熔融,同时影响变价元素、亲铜元素的价态和挥发分的形成,其与岩浆起源、成矿作用乃至大气圈的演化密切相关。例如青藏高原发育大量后碰撞斑岩铜矿床,其形成被认为与幔源超钾质岩浆有直接或间接的关系。当前,多数构造环境下的上地幔氧化还原状态已经得到了较好的约束,如俯冲带的楔形地幔通常是相对氧化的(ΔFMQ = 0 to +3),而克拉通地幔(ΔFMQ = −4 to −2)和大洋地幔(ΔFMQ = −1.2 to −0.4)是相对还原。相比之下,造山带之下的上地幔氧氧化还原状态研究程度较弱,有关造山带之下的上地幔逸度(fO2)数据较少,且变化范围较大(ΔFMQ = –4.5 to +2.6),影响造山带上地幔fO2变化的机制也尚未得到很好的限定。

    针对上述科学问题,自然资源部中国地质调查局地质研究所杨志明研究组选择青藏高原南部后碰撞(~25-8 Ma)超钾质岩中的二辉橄榄岩包体开展详细研究,首次报道了喜马拉雅造山带之下的上地幔fO2,以及超钾质岩浆从地幔源区到浅部地壳上升过程中的fO2变化。本次研究结果进一步暗示,后碰撞时青藏高原岩石圈地幔高fO2,有利于Cu、S等成矿物质从深部到浅部地壳的迁移,这可能是青藏高原大量发育后碰撞斑岩铜矿的关键。

     

    图1. 藏南后碰撞超钾质岩及其内地幔包体的ΔFMQ vs. T (A)、P (B)和全岩Mg# (C) 图解

      研究表明,二辉橄榄岩包体的fO2范围为ΔFMQ = +0.5 to +1.2(图1A,B),指示藏南~25-8 Ma时岩石圈地幔相比克拉通和大洋地幔更加氧化,大致落在俯冲带楔形地幔的fO2范围内。矿物学证据显示,源自俯冲于藏南陆壳之下的新特提斯洋壳和印度陆壳的富水流体和/或熔体对藏南岩石圈地幔的交代作用,很可能导致了其fO2的升高。此外,超钾质岩浆在从56km的古深度上升到15km的过程中,ΔFMQ从+0.8升高至+3.0(图1C)。这一fO2从深部到浅部过程的升高规律,与深部粗面安山质岩浆至浅部粗面质岩浆结晶分异过程中钛铁矿、硫化物和橄榄石含量降低等规律一致。因此,结晶分异作用,这一壳内岩浆演化过程,很可能导致了幔源岩浆fO2的变化,幔源岩浆fO2不能简单用来代表其源区氧化还原状态。

    本研究得到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划项目资助,研究成果近期在线发表在著名地学期刊《Geology》上(Li, W.K., Yang, Z.M., Chiaradia, M., Lai, Y., Yu, C., and Zhang, J.Y., 2020. Redox state of southern Tibetan upper mantle and ultrapotassic magmas, Geology, doi: 10.1130/G47411.1)。原文链接:https://doi.org/10.1130/G47411.1

    地质所青藏高原南部上地幔氧化还原状态和超钾质岩的...