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中国科学（地球科学）
中国科学（地球科学）

孙枢

月刊

1674-7240

geo@scichina.org

010-64015883

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学（地球科学）/Journal Scientia Sinica（Terrae）CSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界，《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI，多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。
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    火星探测:黄钾铁矾原地K-Ar定年

    杨静郑德文武颖陈虹...
    661-676页
    查看更多>>摘要：为了更好地确定火星不同地形所记录的气候变化的时间尺度,确定火星历史上重大事件的绝对年龄,并校准陨石坑率,需要从火星原地或从返回样品中获得精确的年龄数据.原地K-Ar定年是目前比样品返回更为实用的一种精确远程定年技术.黄钾铁矾(KFe3(SO4)2(OH)6),是火星上广泛存在的唯一一种通过就位探测、轨道遥感探测、陨石研究三种手段都确定存在的含钾硫酸盐矿物,它已被用于K-Ar和40Ar/39Ar精确定年.火星上黄钾铁矾的保存提供了火星上含水过程的性质和持续时间的信息,不同年龄的黄钾铁矾能有效地解读火星历史上地表水流动时期及过渡到当前干旱气候之间的演变历史.本文总结了近年来火星上黄钾铁矾存在的区域、矿物学特征、在火星上的稳定性、原地K-Ar定年的研究现状、黄钾铁矾氩扩散动力学等,探讨了黄钾铁矾原地K-Ar定年的关键科学问题、火星采样返回需求、未来研究方向等.

    火星黄钾铁矾原地K-Ar定年氩扩散稳定性

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    辽东地区金矿床成因与资源潜力

    朱日祥杨进辉王功文曾庆栋...
    677-692页
    查看更多>>摘要：华北东部广泛分布着与晚中生代克拉通破坏相关的金矿床,但不同地区金矿床在研究程度、成矿特征、探明储量等方面存在显著差异.华北东部的辽东具有与胶东相似的区域地质特征,并共同经历了晚中生代克拉通破坏作用,但其金成矿的理论研究和探明的黄金资源量却存在巨大差异.本文在分析研究辽东区域地质、中生代岩浆-构造演化和矿床地质基础上,通过深部-浅部综合地球物理探测和大数据AI资源量预测,提出了辽东晚中生代金元素富集主体来自于克拉通破坏诱发的幔源熔流体,金矿床主要受北东-北北东向断裂控制,金矿类型以破碎带蚀变岩型和含硫化物石英脉型为主.明确了鸭绿江主断裂带及相关的次级断裂、已知矿集区外围与深部是未来金矿资源勘查的重要区域,预测鸭绿江成矿带黄金资源潜力巨大,具备新增数千吨级黄金资源的潜力.

    辽东金矿综合地球物理勘查找矿潜力找矿突破方向

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    Acasta片麻杂岩多期次热事件:来自锆石、榍石和磷灰石的原位微区年代学证据

    梅清风杨进辉孙金凤李秋立...
    693-707页
    查看更多>>摘要：本文使用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICPMS)和二次离子质谱(SIMS)对Acasta片麻杂岩样品碎片(大小约1cm2)中的锆石、磷灰石和榍石进行了原位微区定年,以制约Acasta片麻杂岩的热演化历史.这些样品碎片中的锆石显示多期年龄,反映了继承锆石的存在或者锆石结晶后的再生长过程.结合前人研究,本文锆石数据揭示,Acasta片麻杂岩经历的多期岩浆事件发生时间分别为:＞3.96、约3.72和约3.57Ga.样品AY199中榍石的Pb-Pb等时线年龄为(2911±22)Ma(95％置信水平,MSWD=1.5),与Acasta片麻杂岩记录的太古宙最后一次岩浆事件年龄一致.样品AC478和AY066中榍石U-Pb年龄分别为(1932±270)Ma(95％置信水平,MSWD=2.3)和(1813±45)Ma(95％置信水平,MSWD=2.3).样品P090803-C中磷灰石的Pb-Pb等时线年龄为(1833±26)Ma(95％置信水平,MSWD=1.4).样品AC478、AY199和AY066中磷灰石U-Pb年龄分别为(1850±20)Ma(95％置信水平,MSWD=1.3)、(1827±100)Ma(95％置信水平,MSWD=6.3)和(1807±58)Ma(95％置信水平,MSWD=3.9).样品AC478和AY066 中的榍石U-Pb年龄以及本文所有样品中的磷灰石Pb-Pb或U-Pb年龄相同,均为约1.9～1.8Ga,指示Wopmay造山作用导致的矿物U-Pb体系重置,证明了Wopmay造山作用的峰期温度超过了磷灰石的U-Pb体系封闭温度,并接近或者超过榍石的U-Pb体系封闭温度.

    锆石榍石磷灰石Acasta片麻杂岩Wopmay造山带

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    地壳浅部S波速度结构的多频接收函数两步反演法及其在中国东北盆-山构造区的应用

    杨睿豪王旭陈凌冯铭业...
    708-724页
    查看更多>>摘要：地壳浅部(＜10km)速度模型既是地壳结构与变形研究和资源勘探前景评估的基础,又可为壳幔深部结构成像等研究提供先验信息.针对区域尺度结构,被动源方法相比主动源方法具有明显优势.被动源方法中,基于接收函数和/或体波振幅比的成像方法由于具有较高空间分辨率,近年来受到广泛关注.然而,盆地松散沉积层内部的反射混响常导致此类方法表现出较强的多解性及不确定性,限制了其应用.因此,本文提出一种基于多频径向接收函数波形及其与垂向接收函数振幅比的两步反演法,以约束地壳浅部S波速度结构.理论测试表明,两步反演策略能有效降低反演多解性、提高结果稳定性.将该方法应用于一条横跨中国东北沉积盆地的线性地震台阵数据,获得了地壳浅部S波速度精细结构图像.结果显示,盆地与山地地壳浅部结构差异显著:二连盆地浅部(＜1.0km)和松辽盆地浅部(＜2.5km)速度较低(＜2.8kms-1),反映低速沉积层;松辽盆地7km以深地壳速度较高(3.4～3.8kms-1),可能反映早白垩世镁铁质岩浆侵入体.此外,成像结果中速度异常分布与盆地内.大型断裂、隆起及沉积凹陷等构造的地表位置吻合,速度异常延深深度也与已有地震勘探结果相吻合.这些观测表明,两步反演法能有效约束松散沉积盆地S波速度随深度变化特征,并实现区域尺度地壳浅部结构高精度成像.

    接收函数频率依赖性两步反演地壳浅部S波速度结构松散沉积盆地

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    城市水系统理论及其模型研制与应用

    夏军张永勇佘敦先张世彦...
    725-744页
    查看更多>>摘要：城市水系统理论是流域水系统科学在城市尺度的拓展,为解决城市化引起的人水关系失衡和突出水问题(内涝、黑臭和水污染、生态退化等)提供了新的系统化解决方案.现有城市水系统相关研究大多关注水循环单一过程,对水循环及其伴生的物质循环、水生态以及人文等过程互馈机制仍需进一步探索.本文以流域水系统科学和水循环理论为基础,发展了城市水系统的概念、理论和技术体系;以城市多种下垫面条件下时变增益降雨-径流模型为核心,耦合自然-社会水循环及其伴生的水环境、水生态等过程和多尺度海绵措施的影响,研发了城市水系统5.0模型,实现了源头降雨-径流-面源污染负荷、排水管网系统水量水质转输、末端调蓄和净化、社会经济水循环、水系统评估和调控等五大关键模拟功能,成果已在武汉市开展示范应用.结果表明:城市水系统应以城市及其联系的河湖为研究对象,探索城市自然-人工侧支水循环和外江调蓄等耦合,以及社会经济发展、海绵措施对水量-水质-水生态等过程的调控机制.研发的城市水系统5.0模型很好地模拟了城区降雨-径流过程、水体总氮和总磷浓度、社会经济发展特征指标等.与实测数据对比,所有降雨-径流场次的相关系数和纳什效率系数分别处于优秀和良好等级;78.1％的实测点位中总氮和总磷浓度模拟偏差均在良好等级,且相关系数均在0.90以上;在18个社会经济发展特征指标中,100％、83.3％和69.4％的指标偏差、相关系数和纳什效率系数均在优秀等级.在此基础上,优选源头海绵措施、人工强化措施和源头削减-路径拦截-末端治理等分别明显改善了内涝、水体黑臭和湖泊富营养化.其中10年一遇降雨条件下最大内涝淹没面积削减达32.6％,黑臭水体去除率为65％,水体综合营养指数降低了37％,武汉市2020年绿色发展水平也由现状条件下的0.56提升到了0.67,在城市绿色发展评估体系的五个维度(资源利用、环境质量、生态保护、经济增长和绿色生活)中,生态保护维度改善最明显.本研究将进一步推动城市水文学、环境科学和生态学等多学科领域的交叉和发展,也为我国城市复杂水问题的解决和绿色发展等提供重要的理论和技术基础.

    城市水系统人水关系水问题绿色发展理论基础数学模型

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    中国碳酸盐岩地区岩溶无机碳汇格局及影响因素

    杜朝超白晓永李阳兵谭秋...
    745-759页
    查看更多>>摘要：碳酸盐岩化学风化碳汇降低了大气CO2浓度上升和全球变暖的速率,然而,其碳汇通量(CCSF)的估算结果仍存在不确定性,并且气候变化和生态修复对CCSF的贡献率尚不清晰.为此,本文汇编了中国不同流域离子浓度站点数据,并采用经典热力学溶蚀模型,重新评估了中国1991～2020年CCSF的潜力和时空格局,并定量分析了温度(MAT)、降水(MAP)、蒸散发(ET)、土壤水(SM)和归一化植被指数(NDVI)等因子对CCSF的贡献率.结果发现:(1)中国CCSF为22.76tCO2km-2a-1,高于全球平均水平(15.77tCO2km-2a-1);总量(CCS)为4772.67×104 t.CO2,以252.98×104km-2的碳酸盐岩面积贡献了全球14.91％的CCS.(2)中国CCSF由东南向西北逐渐减少,其中南方岩溶区、青藏岩溶区和北方岩溶区CCSF分别为33.14、12.93和7.27tCO2km-2a-1.(3)1991～2020年中国CCSF整体呈现增加趋势,增长速率为0.16tCO2km-2a-1.(4)MAP、MAT、ET、SM和NDVI对CCSF的贡献率分别为63.3％、3.02％、27.5％、3.1％和3.05％,其中降水增加是近30年CCSF上升的主要驱动因子,而蒸发作用的增强抵消了部分降水增加对CCSF的正贡献.总之,本文对中国长时间序列的碳酸盐岩化学风化碳汇量级、格局及影响因素进行系统的量化,这项工作对于国家和全球的碳中和能力诊断和差距分析具有很强的借鉴价值和参考意义.

    碳酸盐岩碳汇格局影响因素热力学溶蚀模型

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    风化过程中铼和硒的活动性及其对化石有机碳风化的指示

    张玉红汪进曲远馨朱超...
    760-770页
    查看更多>>摘要：化石有机碳风化是地质时间尺度上重要的碳源,对全球碳循环和气候变化具有重要影响,但如何量化一直是个挑战.河水铼(Re)含量的变化被认为具有示踪流域化石有机碳风化强度的潜力,然而Re的来源及其与化石有机碳风化之间的关系还知之甚少.为了更好地认识这一指标的有效性,本文选择重庆市城口县下寒武统水井沱组页岩风化剖面为研究对象,通过元素含量、逐级提取实验等分析,探讨页岩风化序列中Re和硒(Se)的活动性及其与化石有机碳风化的关系.结果表明,化学蚀变指数(CIA)从基岩到风化层逐步升高,指示增强的风化强度.根据逐级提取实验和质量迁移系数(τ)的变化发现,页岩中的Re和Se主要赋存于有机质相,风化过程中与化石有机碳同步流失,而与页岩中的硫化物矿物氧化无明显相关;风化过程中Re和Se不同的地球化学行为导致其与化石有机碳非等量流失.本研究支持Re作为示踪化石有机碳风化的指标,而Se是示踪化石有机碳风化的潜在指标.未来需要不同类型沉积岩剖面与流域相结合的研究,明确河水Re和Se的来源及其与流域化石有机碳风化之间的关系.

    Re和Se页岩活动性化石有机碳化学风化

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    横断山地区气候-植被区划

    张雪芹徐晓明李想崔鹏...
    771-787页
    查看更多>>摘要：横断山地区是中国今后生态保护、清洁能源生产、川藏和滇藏铁路等重大基础设施工程建设的重要布局区.这里高山峡谷纵横,气候和植被分布区域性与垂直地带性显著,孕灾环境复杂,亟待开展横断山地区气候-植被区划,以便有效服务于农业生产与生态建设、山地灾害风险防范和重大工程建设等国家需求.为此,本文基于横断山地区最新划界成果,采用横断山地区及其周边122个气象站点1990～2019年气温、降水量、气压、日照时数、风速、相对湿度等地面观测数据和高精度土地覆被类型遥感反演数据,制定了适用于横断山地区高山峡谷复杂大地貌格局、气象站点稀少、气候和植被分异显著等综合自然地理特征的气候-植被区划方案,并将横断山地区划分为5个温度带、20个干湿区、55个植被小区.该气候-植被区划方案分别以日平均气温稳定通过10℃日数、年干燥度指数、主要植被类型作为划分温度带、干湿区、植被小区的主要指标,且以≥10℃积温、最冷月气温、最暖月气温等为辅助指标.与之前区划方案相比,本方案遴选并优化了适用于横断山地区复杂地形的薄盘光滑样条气候空间插值模型;结合地理探测器,科学厘定了存在争议的气候带(区)间区划指标阈值;提出逐步降尺度窗格划分法,以确定分区界线并降低了传统区划方法对主观性和经验性的过度依赖.此外,该方案充分考虑了横断山地区下垫面复杂、气候-植被分布类型急变的典型区域特征,并基于气候-植被区划指标空间分布特征,将高原温带和中亚热带间的气候急变带单独划分为山地亚热带.该区划方案将为横断山地区农业生产、生态保护、重大工程建设、防灾减灾救灾等社会经济活动提供有效的理论指导和科技支撑,并为下垫面复杂、区域差异显著、地面观测匮乏的全球高山峡谷区的气候-植被区划及其应用提供典型范例.

    气候-植被区划薄盘光滑样条(TPSS)GeoDetector逐步降尺度窗格划分法横断山地区

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    识别液态和固态水的四波段水指数及其在咸海流域的应用

    岳兵陈曦李赛博杜正平...
    788-807页
    查看更多>>摘要：虽然已有许多水指数被运用于咸海和咸海流域的水域面积分析,然而已有研究尚存在很大的不确定性.由于所使用水指数存在水体误识别的问题,导致不同研究得出的结论差异很大.此外,各种研究采用的咸海流域面积也差异很大,流域面积从约1百万km2到2百万km2不等.因此,我们首先界定咸海流域、锡尔河和阿姆河流域以及它们的上、中、下游的边界,然后提出可识别液态水和固态水的四波段指数(ILSW),以解决传统水指数的误别偏差问题.ILSW基于绿色、红色、近红外和热红外波段反射值,是归一化差异水指数(NDWI)和地表温度(LST)的合成.验证结果显示,ILSW水指数在咸海流域的准确性远远超过其他指数.研究结果表明,南咸海的水域面积平均每年缩小963km2,而北咸海几乎没有变化;由于气候变暖,咸海流域上游常年冰雪面积有大幅度退缩趋势,阿姆河上游和锡尔河上游常年冰雪的退缩速率分别为年均6233和384km2/a.气候变化和人类活动引起了严重的水亏问题.自20世纪90年代以来,水亏呈增长趋势,平均每年增长3.778亿m3.2011～2020年期间,整个咸海流域平均总水亏量为76.967亿m3,而锡尔河流域上游(咸海流域的一个组成部分)水盈余量为25.461亿m3.研究结果对制定咸海流域可持续发展战略具有重要意义.

    咸海流域锡尔河流域阿姆河流域水指数水面积覆盖水亏缺气候变化

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    青藏高原湖泊纹层孢粉记录的过去2000年雨季时长和雨季降水时空变化

    崔安宁吕厚远侯居峙刘兴起...
    808-820页
    查看更多>>摘要：青藏高原雨季时长及雨季降水量的长尺度定量重建,是揭示高原西风、季风时空演变规律及其生态环境效应的关键,其中准确判断高原雨季的起止时间是研究难点.本文通过寻找降水拐点的方法确定了高原不同地点的雨季起、止时间,并计算了雨季时长和雨季降水量,建立了表土孢粉组合与雨季起止时间、雨季时长和雨季降水量的转换函数,重建了具有年纹层沉积特征的高原北部库赛湖区和中部江错湖区过去2000年来的雨季起止时间、雨季时长和雨季降水量变化.结果表明,过去2000以来,库赛湖区雨季降水序列记录了5次高降水时段:AD580～680、AD1000～1100、AD1200～1450、AD1550～1780、AD1920至今,其普遍对应雨季天数长的时段;江错湖区雨季降水序列记录了4次高降水时段:AD80～500、AD800～950、AD1250～1450、AD1780至今,其与雨季天数长的时段在AD1000以前对应良好,在AD1000后关系不明确.在空间上,高原雨季降水呈现出"南北同湿"、"南北同旱"、"南湿北旱"和"南旱北湿"四种模式,其中"南北同湿"可能与异常强盛的夏季风有关,"南北同旱"与弱西风和弱季风有关,"南湿北旱"与强季风和弱西风有关,"南旱北湿"与弱季风和强西风有关.本文从雨季降水的角度揭示了高原2000年来雨季起止时间、雨季时长及雨季降水量的时空演变模式,为进一步认识西风、季风耦合作用提供了自然背景的支持.

    青藏高原过去两千年雨季时长雨季降水量定量重建

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