随着全球变化加剧，地-气界面作为地球系统中关键的物质与能量交换界面，成为理解气候变化、生态演变以及地球系统反馈机制的重要窗口。地-气界面过程涉及大气与陆地、海洋之间的能量与物质交换，是陆地和海洋生态系统动态变化的核心，直接影响地球系统的演变。地-气界面科学研究对于深入理解地球系统的动力学过程至关重要，是地球系统科学中的重要前沿问题之一。本文首先概述了地球系统科学视角下的地-气界面科学研究，总结了地球系统结构中的地-气界面及其作用，以及地-气界面物质与能量交换过程与全球变化的关系。其次，综述了地-气界面过程对大气环境的影响，地-气界面过程对生态系统的碳、氮等元素循环、水循环及其功能服务的影响，以及陆-海-气系统作用与全球气候变化。最后，提出了地-气界面科学研究的前沿与挑战，包括建设地-气界面科学的多尺度跨学科研究体系，如天-地-空立体观测系统优化、地-气界面过程的模式研究与多尺度耦合机制、人工智能时代的地-气界面科学研究等，极地、高山和滨海等生态和气候敏感区的地-气界面过程及影响等。地-气界面科学研究将在气候变化应对、生态环境保护和可持续发展等领域发挥更加重要的作用。

地球系统模式是理解和预测全球变化的核心工具，近年来取得了显著进展。其性能提升体现在圈层耦合过程的精细化发展，以及圈层内复杂物理和化学过程的逐步引入。不确定性的降低则得益于新方法和新技术的发展和应用。然而，地球系统模式仍面临诸多挑战，包括对复杂交互过程的表征能力不足、社会-生态系统过程模拟的局限性，以及区域极端事件模拟能力的提升需求。未来的发展需深化跨学科协作，借助新技术强化数据获取与模型预测能力，同时聚焦社会-生态系统过程及其影响机制的研究，以增强对区域极端事件的模拟与预测能力，构建完善的陆-海-气-人相互耦合的新一代地球系统模式，为人类社会的可持续发展及全球变化的应对和预测提供更科学的支撑。

在全球变化背景下，生态水文研究的时空尺度得到了极大的拓展，研究内容从水与生物之间的互馈关系及其变化，延伸至水与其他非生物要素(如大气、土壤、岩石)以及人类活动之间的互馈关系及其演变机制。本文基于地球系统科学理念，结合全球变化下生态水文面临的挑战以及研究范式转变，从“土壤-植被-大气”连续体(SPAC)、地球关键带以及流域等多维度探讨生态水文学过程，阐释水分、能量和物质在基岩、土壤、植被和大气界面之间的传输与交换机制以及植被生长对土壤结构和水分动态的反馈作用，论述气候变化和人类活动影响下基岩风化、土壤形成与生态水文过程的协同演变及其对水文循环和物质平衡的影响，并讨论了流域作为连接全球与局地尺度的关键中间单元的重要性。面向水-生态资源可持续利用需求，提出了在人工智能背景下生态水文研究的可能突破途径，包括多源数据融合、物理过程与机器学习结合的建模方法，以及跨学科协作的研究范式。本文旨在构建生态-水文-社会协同发展理论框架，为提升生态系统质量、保障水资源可持续利用、促进社会经济绿色发展提供科学依据和决策支持。

汾渭地堑中、深层地热资源较富集,但其成因机制不明。为了更有效地勘探开发这些资源,首先必须弄清楚其形成的地质背景和热聚敛成因。在前人研究成果的基础上,综合分析了汾渭地堑构造演化与动力学背景,深部热构造特征,源、通、储、盖条件,并探讨了其热聚敛机制。印度-欧亚板块碰撞的远程效应形成了汾渭地堑新生代伸展拉张作用;软流圈底辟上涌,上地幔热隆起,莫霍面和居里面抬升,中、浅层低速高导体形成,地壳拉张减薄,固态剪切脆-韧性变形是中、深层地热资源形成的基础。新生代强烈的伸展拉张和特殊的构造格局是有利的控热构造,地幔传导热是目标热储最根本的动态热源,埋藏较浅的上地幔内和壳内的低速高导层是良好的导热体和热能汇集中心,是中、深层热储的直接热源和震源层,切割较深并在新生代具有强烈活动的边山断裂和控盆断裂具有良好的导热功能,是良好的导热构造和释热构造;夹有孔隙极为发育的火山岩的厚层状新生代松散沉积物,具有良好的阻热保温效果,是优质的热盖层。发育韧性剪切变形的变质基底不仅是干热岩型地热资源(固热能)的目标层,也是浅层水热型地热资源良好的热源层。源、通、储、盖四位一体的高效热聚敛地热系统促进了优质中、深层地热资源的形成和富集。

降雨能否穿透厚包气带到达潜水面是地下水补给领域争议较大的问题。华北平原“23·7”极端降雨事件相当于华北平原的一次大型入渗试验，为分析潜水埋深如何控制地下水补给提供了契机。本研究以雄安新区白洋淀周边潜水浅埋区4口自动监测井和容城县境内潜水深埋区6口自动监测井为例，分析不同埋深地下水对2023年3日内累积降雨量为289.2 mm的极端降雨事件的响应规律。在潜水浅埋区，暴雨开始后约16 h垂向入渗至潜水面，潜水抬升幅度达1.36～1.79 m;在潜水深埋区，暴雨后河水水位迅速抬升并引发渗漏形成水丘，在潜水回水作用下离南拒马河距离小于6 km的潜水位以较快速度抬升1.38～3.67 m。本研究表明，降雨沿着包气带的垂向入渗是潜水浅埋区地下水的补给来源，暴雨后河水入渗引发的潜水回水是河道附近潜水深埋区地下水补给的主要来源。本文加深了对不同埋深潜水补给机理的认识，对今后分析华北平原乃至其他地下水超采区的水位回升控制机理、生态补水效果具有重要指导意义。

天然源痕量活性有机气体，也叫生物源挥发性有机化合物（BVOCs）,是地球系统中重要的痕量活性有机气体，对全球碳循环、大气化学和气候调控具有重要作用。BVOCs在大气中通过与氧化剂（如羟基自由基OH、臭氧O₃和NO₃自由基）快速反应，驱动二次有机气溶胶（SOA）的生成，调节大气辐射强迫，影响区域和全球气候。同时，BVOCs通过对流层与平流层臭氧的交互作用影响大气中羟基自由基（OH）的浓度，间接参与温室气体的生命周期调控。全球BVOCs排放量估计为每年1 000 Tg碳以上，主要来自森林生态系统，其中异戊二烯和单萜占主导地位。近年来，BVOCs排放的观测技术取得了显著进展，从传统的离线采样与气相色谱-质谱（GC-MS）分析到高时间分辨率的在线技术（如质子转移反应质谱PTR-MS和飞行时间质谱PTR-ToF-MS）,极大提高了BVOCs排放数据的时间分辨率与化学精度。此外，基于无人机、卫星遥感与地基通量塔的多尺度监测技术，也为区域BVOCs排放的时空动态研究提供了新工具。结合动态箱法、涡度相关法和建模模拟，研究人员逐步构建了更精确的BVOCs排放清单，为理解其与气候变化的复杂反馈机制奠定了基础。环境因子对BVOCs排放的影响研究日益深入。光照和温度是控制BVOCs排放的关键因子，光照强度变化直接影响光合作用及异戊二烯的排放，而温度升高则加速BVOCs的生物合成和挥发。二氧化碳（CO₂）浓度的升高可能通过光合作用调节BVOCs的排放强度，同时降低气孔导度减少BVOCs的释放速率，但其长期效应可能因植物种类和适应机制的差异而有所变化。臭氧（O₃）浓度升高对BVOCs的作用具有双重效应：一方面通过胁迫反应诱导BVOCs的防御性释放，另一方面可能损伤叶片并抑制排放。气溶胶浓度和BVOCs之间存在重要的正反馈机制，高BVOCs排放可促进SOA生成，而SOA形成反过来通过散射光效应影响光合作用与BVOCs排放。氮循环改变对BVOCs排放的影响较为复杂，高氮输入可能通过改变植物养分分配与代谢路径，增加某些BVOCs的排放或抑制其他种类BVOCs的合成。未来全球变化情景下，气候变暖、极端天气频发和CO₂浓度持续升高可能显著改变BVOCs的排放模式及其与大气化学和气候系统的耦合机制。综合利用观测和建模技术，加强对多因子交互作用及长时间尺度下BVOCs排放的定量研究，将为揭示BVOCs的多圈层耦合作用机制提供重要支撑，并为气候变化和大气化学研究提供新的科学视角。

高能宇宙射线及其次级粒子与大气和地表物质中的原子发生反应，分别生成大气和原位宇宙成因核素。大气成因¹⁰Be主要由散裂中子与大气中的氧和氮原子发生核反应生成，被气溶胶吸附后在大气层中迁移并通过干湿沉降过程沉积到地表。相比于¹⁴C,¹⁰Be具有更长的半衰期（1.387 Ma）,定年尺度可达数个百万年。相比于原位成因¹⁰Be,大气成因¹⁰Be不仅可以作为年代学和地表风化剥蚀指标，同时也可以重建古地磁场强度和古气候降水变化。大气成因¹⁰Be具有应用范围广、自然界核素浓度高和实验室前处理简单等优势，有利于核素的实验室提取和加速器质谱分析。尽管大气成因¹⁰Be已经在各个领域中广泛应用，但对古地磁场强度、古气候降水、风化剥蚀通量、年代学等指标的适用性研究仍缺乏系统梳理和深入讨论。本文综述了大气成因¹⁰Be指标的基本原理和不同研究实例（如海洋沉积物、黄土沉积物、冰芯、河流沉积物等）,探讨了大气成因¹⁰Be指标在表层地球系统科学研究中的适用性，并初步展望了大气成因¹⁰Be研究的机遇和挑战。

地球深部过程对表层地球系统的影响构成了地球系统科学研究的核心议题。通过构造运动和火山喷发等多种机制，深部过程改变了物质循环和能量传输的深浅部模式，进而对表层地球系统产生深远影响。这种影响具体表现在以下几个方面：（1）构造活动通过地形的重塑，调控了流域尺度的侵蚀-沉积过程；（2）火山活动和构造运动通过改变大气成分和环流格局，在地质时间尺度上驱动了气候变化，其中硅酸盐风化作用在调节大气中CO₂浓度方面扮演了关键角色；（3）深部过程可能引发生态系统演化中的生物灭绝事件，同时也能促进生物多样性的形成；（4）在全球气候变化的背景下，地震和地质灾害通过影响社会-生态系统的稳定性，可能进一步加剧其不稳定性。随着观测技术的持续进步，地球系统科学研究将继续深入理解表层地球系统对深部过程的响应机制、量化其影响强度、预测自然灾害的演化趋势，以及增强社会-生态系统对灾害的适应能力。本文系统梳理了深部过程-表层系统-社会生态的跨尺度耦合机制，有助于理解地球系统整体演化。

在当前能源需求和“双碳”的大背景下，利用添加促进剂的水合物法储存CO₂受到广泛关注，而促进剂的使用对CO₂水合物的各项性能影响不同。因此本文以硅胶为多孔介质，以3.0 MPa、274.15 K为初始生成条件，对比分析了分解温度为275.15 K条件下，分解压力分别为0、0.5、1 MPa时纯水体系和不同浓度（0.8、0.9、1.0、1.1、1.2 g/L）的L-蛋氨酸（L-Met）体系对CO₂水合物稳定性的影响。结果表明：在0 MPa分解压力下1.1 g/L L-Met体系中的CO₂水合物稳定性最好，分解压力为0.5 MPa和1 MPa时，0.9 g/L L-Met体系中水合物均表现出最好的稳定性，有利于水合物的稳定储存。除了研究L-Met浓度对稳定性的影响外，还分析了分解压力对水合物分解的影响。研究发现在纯水体系中，分解压力为0 MPa时水合物分解速率表现为先增大后减小，而其余分解压力条件下均在初始时刻具有最大分解速率，呈现单调递减趋势；同时发现除0.8 g/L L-Met体系外，其他体系在常压下分解初期时水合物分解速率均是先增大后减小，具有水合物的“自保护”效应，而在0.5 MPa和1 MPa压力下，只在初始时刻具有最大的分解速率，呈现单调减小的趋势，对上述效应具有破坏作用。通过上述研究，为CO₂水合物的长距离运输和长时间储存提供数据及理论支撑。

川东北元坝地区上三叠统须家河组致密砂岩储层物性较差,天然裂缝的发育改善了储层物性。天然裂缝是主要的储集空间和渗流通道,对天然气的运移、成藏和高产有着重要的影响。本文根据地表露头、岩心、薄片和成像测井等资料,对元坝地区须家河组天然裂缝成因类型及发育特征进行研究,并分析控制天然裂缝发育的主控因素。结果表明,研究区主要发育构造成因的低角度和高角度剪切裂缝,主要方位为NW-SE(300°±10°)和NEE-SWW(70°±5°)向,有效性好;裂缝充填程度较低,有效性好。构造部位、岩性和岩层厚度为影响裂缝发育的主要因素。鼻状构造部位及断层上升盘距离断层面400 m以内、垂直断距在60~120 m之间、北西向断层延伸线拐点附近为裂缝发育的有利部位,有利于天然气高产;中-细粒石英砂岩和细粒长石岩屑砂岩中裂缝最为发育;高能量环境规模砂体(高石英含量,低泥质含量)更有利于裂缝发育;裂缝发育程度与岩层厚度呈明显的负相关关系,当岩层厚度小于1 m时,裂缝密度大,发育程度高。

始新世—渐新世的气候转型(Eocene-Oligocene Transition, EOT)是新生代时期最为显著的全球降温事件之一，标志着地球气候系统从“温室”向“冷室”模式的关键转变。虽然深海沉积物较为一致地记录了这一降温事件，但众多陆相沉积记录却显示不同区域的气候响应呈现出显著的空间差异，凸显了全球气候背景与区域环境相互作用的重要性。青藏高原隆升显著影响全球大陆风化的格局，与新生代全球气候变化有密切关系，因而高原周缘的大陆风化演变是反映全球与区域气候变化的良好指示。本文汇总了晚始新世—渐新世青藏高原周缘大陆风化的演变记录，结合我们在青藏高原东南缘吕合盆地35～26 Ma期间的风化历史，探索这一时期青藏高原周缘风化演变的共同性和差异性。结果显示：青藏高原北部大部分区域自晚始新世起的风化强度便开始下降并延续至渐新世，与降温和干旱化过程相耦合；而东南缘则表现为多阶段的温度波动及持续湿润的气候特征。这种区域性差异主要由全球降温、构造隆升和季风系统演化的共同调控驱动。本研究为理解青藏高原不同区域在EOT期间的风化模式及其驱动机制提供了重要线索。

城市化和城市发展是对生态环境影响最显著的人类活动，伴随人口增长和消费水平提升，城市化引发了一系列复杂的水资源与水环境问题。尤其在发展中国家，城市排水系统不足加剧了水环境恶化，严重威胁城市健康与可持续发展目标。为此，从地球系统科学视角探讨城市三维下垫面结构、水文过程与水资源管理之间的复杂关系成为关键科学问题。本研究基于“地球关键带科学”和“社会-生态系统科学理论”,系统梳理了城市下垫面结构与水循环动态变化、水环境质量及水资源可持续利用的耦合机制。通过整合物理、化学与生物过程，研究揭示了不透水面扩张对降水-径流-渗透动态平衡、污染物迁移及水资源供需分配的影响机制，强调社会与自然系统耦合研究对水资源优化管理的重要性。此外，研究结合水文过程与生态系统服务的关联，深入分析了水文动态对生态系统服务功能及人类福祉的调控作用，初步提出了基于社会-生态系统理论的城市水资源可持续管理框架。该框架为理解城市水文系统结构-过程-功能的耦合机制提供了科学支撑。本综述研究不仅有助于理解复杂的城市水文动态与生态服务关系，打通水文分支学科间壁垒，还为城市水资源管理和政策制定提供了理论依据和实践指导。

“化学地球”的概念于2008年提出,2016年由联合国教科文组织全球尺度地球化学国际研究中心发起“化学地球”大科学计划倡议,2023年被联合国教科文组织正式批准。目标:将元素周期表绘制在地球上,建立化学属性数字地球,服务于全球资源环境可持续发展。科学技术问题:关键元素在地球上的时空分布和循环,全球不同地质地貌景观特点的地球化学探测技术、元素高精度分析和大数据开发技术。主要成果如下:(1)建立全球陆地1/3地球化学基准网,提供76个元素地球化学基准值,初步揭示关键元素全球分布规律,发现一批稀土元素(REE)、锂、铜和金等超常富集区,据此发现云南红河州超大规模中重稀土矿;(2)全球8个有毒重金属元素分布显示,欧洲超过风险限值的面积最大,占欧洲面积的48%,欧洲早期工业历史,没有清洁生产技术,导致大量有害物质排放;(3)中国地球化学观测网揭示镉、汞、砷和钙4个元素近30年发生显著变化,并发现汞的循环是以纳米辰砂微粒为主,而不是传统认为的气体形式迁移和循环;(4)地球化学大数据揭示我国7大粮食主产区,耕地质量总体安全,并利用大数据技术赋予绿色土地二维码标识,通过手机客户端实现绿色食品溯源。“化学地球”大科学计划入选习总书记主持的全球发展高层对话会主席声明成果清单,服务了高层决策和全球发展。

含硫气体地球化学测量在找矿勘查中具有悠久的历史。但是由于含硫气体的高活动性和反应性、测试结果低重现性、分析测试高成本等缺点,含硫气体未能大规模应用于隐伏矿勘查。矿产勘查由近地表易发现矿转向隐伏矿以及便携式经济、高效和实时气体测量设备的成功研发,为气体地球化学勘查方法体系的完善升级和推广应用提供了一个新的契机。本文重点梳理了富硫化物隐伏矿气体地球化学测量研究进展、面临的挑战和未来发展方向。动力学平衡模拟、矿物(矿石)风化实验和矿区实例研究表明,富硫化物隐伏矿上方土壤中气体地球化学异常受多种因素影响,如矿体矿物组成、盖层特征、微生物作用、地球化学景观类型和含硫气体物理化学特征等。在土壤覆盖区可采用便携式多组分气体测量仪实现现场实时测量,若隐伏矿直接被运积层覆盖,则含硫气体异常与隐伏矿倾向于具有垂向对应关系。在基岩出露区则可采用岩石热解吸的方式测量含硫气体。隐伏矿与含硫气体异常的空间关系取决于断层和裂隙等渗透性通道的发育情况。案例研究统计表明,含硫气体地球化学测量不仅适用于半干旱-干旱地区,在半湿润-湿润地区也具有一定潜力。未来研究主要聚焦含硫气体在表生环境中的形成演化过程(查明主控因素)、不同地球化学景观区(尤其是半湿润-湿润气候区)含硫气体地球化学测量有效性以及便携式土壤气体测量设备小型化和智能化升级改造3个方面。

全球变化是自然过程与人类活动协同作用的结果,是人类活动主导下地球系统发生的结构性转变,其核心在于地球系统有限承载力与人类无限发展需求之间的矛盾,表现为气候、生态系统和社会经济的变化。圈层相互作用是驱动全球变化的关键因素,精准解析和预测圈层相互作用的过程机制、动态演变及相应的气候、环境和生态效应,有助于揭示全球变化的深层机制、准确评估地球系统突变风险和设计切实可行的可持续发展路径。本专辑聚焦全球变化与圈层相互作用前沿科学问题,从地球系统观测、模拟和管理等方面,详细阐述地球系统关键界面过程机制及其与人类活动的互馈关系,概述了当前全球变化和圈层相互作用研究领域的发展现状和进展,梳理了地球系统科学研究面临的挑战和前沿科学问题,展望了未来发展方向,旨在为全球变化科学应对、人类-自然和谐共生以及社会-生态系统可持续发展提供坚实的理论支撑。

天然气水合物主要蕴藏于海底沉积物与大陆冻土层中，深入研究多孔介质中水合物的相平衡及其影响因素，对于了解海底沉积物中水合物的形成机制、分布范围和储量评估具有重要意义。当前的相关实验研究大多聚焦于合成多孔介质，而天然沉积物因结构和成分复杂，对水合物相平衡特征影响的研究仍需进一步深化。本文综述了水合物在不同孔径多孔介质中的相平衡变化，全面分析了孔径、粒度以及表面润湿性对水合物相平衡的具体影响。研究揭示，多孔介质产生的强毛细管力会导致水的活性降低，进而抑制水合物的形成，且在纳米尺度范围内具有临界值。此外，较小的多孔介质粒度会增加成核位点和反应界面，从而缩短诱导时间，有利于水合物的成核和生长。至于表面润湿性(亲水和疏水)对水合物形成的影响，目前学界观点尚待统一，但多数研究倾向于认为疏水表面相对亲水表面能更好地促进水合物的形成。

地球系统是由地质圈、生物圈和人类圈构成的一个有机整体，研究这一复杂系统各圈层内部和圈层之间的物质能量交换及其动力学机制是地球系统科学研究的核心内容。圈层之间的物质能量交换主要受控于水和主微量元素生物地球化学循环。因此，元素的生物地球化学循环是联系地球系统各圈层的物质基础和制约或影响全球变化的关键机制。此外，在社会经济高速发展背景下，人类活动正深刻改变着元素生物地球化学循环，使地球系统发生前所未有的变化。如何精准刻画元素生物地球化学循环、揭示其动力学机制、预测其未来演变趋势及其对生态系统的影响，已成为地球系统科学前沿研究任务和面临的根本挑战。而同位素可有效追踪物质的跨圈层迁移转化和生物地球化学循环，在圈层相互作用和全球变化研究中发挥着不可替代的作用。本文回顾了近年来传统和非传统稳定同位素在示踪圈层相互作用和全球变化方面的研究现状，总结了地球系统各圈层典型同位素组成分布，阐述了圈层界面过程同位素分馏机制，追踪了人类活动对地球环境-生态系统的影响，梳理了地球系统科学框架下同位素地球化学研究面临的挑战和前沿科学问题。未来，应该在进一步完善同位素地球化学方法和理论基础上，在地球系统框架下开展同位素与地理学、生态学、分子生物学、地球系统模拟、人工智能和大数据等前沿领域交叉融合研究，完善示踪复杂地球系统多圈层、多过程、多要素耦合条件下元素生物地球化学循环的同位素分馏理论框架，突破原有应用范式，获得对圈层相互作用、人类活动与全球变化、环境与生命协同演化等领域前沿科学问题的创新认知。

砂质水合物储层是国际上水合物勘查试采的首选目标，我国在南海北部琼东南盆地钻探发现了高饱和度砂质水合物。通过三维地震、测井、岩心及测试分析资料，证实了规模化成藏的砂质水合物藏。砂质水合物储层表现为低自然伽马、低西格玛、高电阻率、高声波速度和T2谱信号幅度急剧降低等测井响应特征，同时纵波及横波信号均明显衰减。砂层呈楔形近水平席状分布。岩性为粗粉砂-细砂为主，属于深水浊积体系末端的朵体沉积。剖面上，水合物和游离气具有同层分布、横向过渡的特点。平面上，水合物藏呈现椭圆形分布，中部发育伴生游离气，外围发育水合物。与世界其他海域钻探发现的倾斜砂质水合物储层不同的是，该水合物藏是在稳定域底界附近的水平砂层，在下伏气烟囱背景下局部高热流驱动和上覆细粒沉积地层的封盖下，充足游离气由中部向外横向长运移而形成大面积高饱和度水合物。

印支运动和燕山运动是中国东部中生代时期两次十分重要的造山运动。由这两次造山运动形成的构造带,既不是陈国达所说的地壳演化第三阶段的产物,也不是一些学者所谓的由板块内部动力产生的陆内(或板内)造山带。它们是在古太平洋动力体系作用下,在中国东部先成大陆地壳之上形成的上叠造山系,过去我们曾称其为中国东部滨太平洋大陆边缘活动(活化)带。中生代时期,在古太平洋动力体系作用下,于俄罗斯东北部—锡霍特阿林—日本—琉球—中国台湾—巴拉望一带形成亚洲东缘造山系,在邻接亚洲东部陆缘的中国东部大陆地壳之上形成中国东部上叠造山系。二者在同一动力体系作用下,同步发展,共同组成亚洲东部太平洋构造域规模宏大的巨型中生代造山系,彻底改变了亚洲东部印支造山前的构造面貌。

青藏高原南部构造运动活跃，为深源含碳流体的形成和释放创造了有利条件，使其成为现今全球最重要的深部碳释放地区之一。如何估算地质历史时期构造运动导致的深部碳释放通量是探索青藏高原生长动力学过程对深部碳释放影响的重要科学问题，也是重建印度-亚洲大陆碰撞造山带地质碳循环的关键环节。活动断裂带内广泛出露的钙华沉积物为回溯地质碳排放提供了理想对象。本研究对青藏高原南部活动断裂带的44个钙华样品进行了铀系年代学、矿物学、元素和同位素地球化学分析，结果显示：（1）钙华U-Th年龄为267.3～1.8 kyr B.P.,形成于中更新世至全新世，沉积速率约为0.02～1.49 mm·yr^-1;（2）钙华主要由方解石组成，个别具有方解石和文石混合特征，CaCO₃平均含量为94.2%;（3）碳-氧同位素组成(δ¹³C_V-PDB=-3.1‰～+8.6‰;δ¹⁸O_V-SMOW=-0.5‰～+15.0‰)显示钙华具有热成因性质，沉积过程中受到不同程度的CO₂脱气、泉水沸腾及蒸发作用的影响；深部碳是钙华中总碳的最主要来源。基于钙华体积、孔隙度、CaCO₃含量以及沉积时间，估算得到研究区伴随钙华沉淀释放的CO₂通量处于10～4～10～6 mol·km^-2·yr^-1数量级，与意大利中西部构造活跃区的部分钙华沉积区相当。本研究为理解藏南活动断裂带中钙华的形成年代、成因机制以及CO₂释放通量提供了新视角，对于全面认识印度-亚洲大陆碰撞造山带的深部碳循环特征具有重要意义。

构造-地貌-气候-生态系统的相互作用构成了表层地球系统的核心动力学框架。这些要素之间的内在联系和作用体现了系统科学的属性：构造运动首先塑造了大地地貌格局，并与气候和生态系统形成了相互作用系统；气候因子驱动地貌演变和生态系统变化；生态系统通过生物地球化学循环反馈于地貌和气候。构造-地貌-气候-生态系统的协同作用是表层地球系统演化的核心内容。从地质时间尺度看，板块运动和地貌重组引发了区域气候变化和生物群落更替；在现代尺度上，这种耦合关系塑造了地球表层环境的动态平衡。对构造-地貌-气候-生态系统的系统研究对揭示表层地球系统过程和功能以及服务机理至关重要。本文通过梳理构造与气候和地貌、地貌和气候与生态系统变化的耦合关系，旨在探索构造-地貌-气候-生态系统动力学和表层地球系统科学研究的系统性思路。同时，青藏高原是研究这一主题的天然实验室，其独特的构造活动、复杂的地貌形态、多样化的气候带和敏感的生态系统提供了系统研究的关键平台。围绕青藏高原构造-地貌-气候-生态系统的综合研究，将帮助解决青藏高原表层地球系统科学中的前沿科学问题，为全球环境变化研究提供借鉴。构造-地貌-气候-生态系统动力学研究发展需要注重各要素之间的定量耦合关系与协同演化，深化多学科交叉融合，利用先进的实验测试与观测/监测技术，强调大数据驱动的多尺度整合与人工智能的深度应用，构建地球系统动态耦合模型，以期达到对地球系统多圈层相互作用的深入理解，并为应对全球变化带来的挑战提供理论支撑。

硼是一种新兴战略矿产,在现代高新技术产业中应用广泛。近年来,硼的需求持续上升,硼矿资源勘查也日益受到重视。本文依托中国地球化学基准值计划所采集的3 380件汇水域深层土壤数据,提供了全国B元素地球化学分布和异常特征。全国汇水域土壤深层样品B平均含量为46.4 μg/g,B整体上具有南高北低、连片分布的特点,可划分为5个地球化学分区,分别为东北与内蒙古东部地区(Ⅰ)、西北部地区(Ⅱ)、华北地区(Ⅲ)、青藏地区(Ⅳ)和南方地区(Ⅴ)。以B含量70.9和52.4 μg/g(累频85%)分别作为南北方异常下限,共圈定出37个B地球化学异常,在全国圈定10个地球化学省和9个小规模异常。根据B异常空间分布,结合地质背景和硼矿床分布,进一步划分出9个成矿远景区,建议加大盐湖型硼矿的找矿勘查力度,并将硬岩(海相沉积)型硼矿作为下一步勘查目标。

古特提斯阶段VMS矿床仅在中国三江等地区有出露,该类型矿床在特提斯带内其它位置是否发育?其成矿潜力如何?都是值得关注的重要科学和现实问题。塔吉克斯坦帕米尔地区位于青藏高原和伊朗高原之间,是特提斯域的重要组成部分。该地区因地质工作程度低,缺少系统的地质勘查和投入,还未实现重要的找矿突破。地球化学调查是研究铜铅锌等金属元素分布特征、快速定位和优选找矿远景区和靶区的有效技术方法。本文基于前期中国地质调查局和塔吉克斯坦地质调查局合作完成的帕米尔地区1∶100万和1∶25万地球化学调查数据研究基础之上,选择异常区开展1∶5万地球化学调查,并进行异常查证,对发现的矿化体进行成因分析,同时探讨区域成矿潜力。研究表明:(1)帕米尔托赫塔梅什地区主要异常元素组合为Fe、Cu、Pb、Zn、Ag、Sb、Au、As等,异常规模大,强度高,浓度分带明显,异常整体受地层和断裂构造控制明显,可划分为Z01号和Z02号两个找矿靶区,具有寻找块状硫化物铜铅锌和热液脉型金矿的潜力。(2)异常查证发现6条铁铜多金属矿化体,识别出3期成矿作用,第1期为主成矿期,二叠纪地层内形成VMS型铜铅锌矿化体(Z01号找矿靶区:Ⅰ号和Ⅱ号矿化体)。第2期为热液改造期,发生变形变质作用,形成顺层和切层产出的脉状铁铜矿化体(Ⅲ号、Ⅳ、Ⅴ号和Ⅵ矿化体),同时对已形成的VMS型铜铅锌化体进行改造。第3期为表生氧化期,经风化剥蚀对已形成的矿化体进行氧化,产生分带现象。推测Z02号找矿靶区仍然具有寻找VMS铜铅锌矿的潜力。(3)塔吉克斯坦帕米尔-中国甜水海地区具有良好的VMS铜铅锌矿的成矿潜力,预测找矿远景区9处。提出特提斯带内古特提斯阶段二叠纪地层内具有寻找VMS块状硫化物矿床的前景,是未来重要的找矿勘查方向。

大地热流值是开展地热研究的基础关键参数。本文在分析历次汇编热流数据的基础上,对2016年以来作者实测(260组)与收集筛选(112组)的热流数据特征进行了说明与分析。新增大地热流数据共372组,在空间上有效填补了西南、西北和东北地区的大片测点空白,提高了东部地区热流测点密度,同时将高质量测点数据占比提升至86.3%,较历次汇编的热流数据在覆盖范围、测点密度、数据质量等方面均有较大提升。依托以上热流数据统计得出我国陆区大地热流平均值为63.8 mW/m²,高于第四次汇编时的全国平均值,其中大部分一级、二级构造单元热流平均值均有提高,青藏高原各构造单元热流平均值则相对降低。典型地热系统热流数据统计显示,高热流背景的存在可明显提高传导型地热资源的分布范围与对流型地热系统的显示温度,但不是两类地热资源形成的控制因素。基于最新成果,对青藏高原低热流区域范围增大、华北平原早期热流“高估”、长白山热流指示岩浆囊存在等现象与问题进行了讨论,指出我国现有热流测点仍相对较少,随着大地热流值测量技术方法的不断更新与规范以及测点数量—质量与覆盖范围的进一步提升,以往对各区域地热分布特征的定性与定量认知可能需要重新审视。以上成果加深了对全国及各区域地热背景的认识,可为区域地热基础研究及资源勘查提供更好的支撑。

日喀则蛇绿岩是雅鲁藏布江缝合带的重要组成部分,但是对该蛇绿岩的成因和构造背景还存在较大的争议。本文以日喀则地区却顶布—路曲蛇绿岩为研究对象,通过详细的野外地质、岩石学、矿物化学及岩石地球化学研究,显示该蛇绿岩主要由方辉橄榄岩组成,另有少量辉长岩、辉绿岩和玄武岩。与路曲方辉橄榄岩相比,却顶布方辉橄榄岩中橄榄石的Fo值较低,斜方辉石Al₂O₃和Cr₂O₃含量较高,单斜辉石Al₂O₃含量和Cr^#值较高,尖晶石Cr^#值和TiO₂含量较低。却顶布—路曲方辉橄榄岩具有较高的MgO含量和较低的Al₂O₃、CaO、TiO₂含量,稀土元素总量为(0.17~1.63)×10^-6,低于原始地幔和亏损地幔。路曲方辉橄榄岩的LREE/HREE和(La/Yb)_N比值较高,分别为1.34~9.22和0.56~12.14;却顶布方辉橄榄岩与其相反,LREE/HREE和(La/Yb)_N比值分别为0.29~0.81和0.11~0.25。路曲方辉橄榄岩呈轻稀土富集型的U型稀土元素配分模式;却顶布方辉橄榄岩为轻稀土亏损型的左倾型稀土元素配分模式。路曲方辉橄榄岩和却顶布方辉橄榄岩具有近似的微量元素分布特征,但是又有一定区别,路曲方辉橄榄岩大离子亲石元素Rb、Ba高于却顶布方辉橄榄岩,但K、Sr低于却顶布方辉橄榄岩。却顶布—路曲方辉橄榄岩的源区可能来源于地幔中的尖晶石相二辉橄榄岩。却顶布—路曲方辉橄榄岩矿物化学和全岩地球化学特征与深海地幔橄榄岩相似。矿物学和全岩岩石地球化学特征显示却顶布方辉橄榄岩为经历了10%~15%部分熔融的残余,路曲方辉橄榄岩为经历了20%~25%部分熔融的残余。却顶布—路曲方辉橄榄岩形成于慢速-超慢速拉张的洋中脊环境。日喀则蛇绿岩的多样性与源区部分熔融程度和后期流体交代密切相关。

为研究地质学领域的大数据和人工智能研究现状、热点和前沿,在中国知网(CNKI)核心期刊和Web of Science(WoS)核心数据库收集了2000—2022年相关中文文献3 600篇、英文文献1 803篇,利用社区结构分析软件CiteSpace,从合作作者、研究国家、研究机构、关键词聚类、关键词时空分布图谱等进行可视化分析,并统计了2021—2022年间,地质学领域国际顶级期刊(综合影响因子10以上)的文献进行前沿分析。分析结果表明,近10年内该研究领域全球累计发文量激增,以中国为代表的亚洲国家和以美国为代表的欧美国家研究为主,双方累计发文量相差不大,论文中介中心性欧美国家普遍较高。我国研究机构之间的交流合作居多,与国外的研究机构交流合作较少,国外研究机构则与之相反。该领域以应用机器学习类方法、知识图谱构建等,在地质灾害防治、地震解释、石油与天然气勘查、固体矿产资源预测等方向进行的科学研究为研究热点,以深度学习、集成学习、智能平台搭建等为手段的地球演化过程中的重大地质事件研究、全球性气候变化、极地及海洋地质研究、数字地质建模及定量分析、地震预报、地灾易发性精准评估等为研究前沿。

地球系统科学特别关注跨圈层的相互作用,包括深部系统与表层系统的相互作用、表层系统海-陆-气之间的相互作用。这种庞大时空尺度的地质作用过程可以被小小的地质微生物记录下来,足见地质微生物的以小见大、见微知著特征。在二叠纪-三叠纪之交和晚奥陶世这两个完全不同场景的显生宙火山活动过程中,爆发的初期都出现了包括蓝细菌在内的海洋固氮微生物繁盛,紧接着出现了包括藻类、放射虫、有孔虫等真核微生物的繁盛,显示了火山活动引发了从原核微生物向真核微生物群落的转变过程。不仅如此,人们还发现地质微生物可以通过条带状铁建造等生物成因岩石引发了前寒武纪的火山活动,而且还可能启动了最早的板块运动。地质微生物不仅对火山活动这一与碳循环有关的跨圈层地质作用具有很灵敏的响应和反馈能力,而且还能示踪表层系统复杂的海-陆-气相互作用及其物质传输过程。利用地质微生物的诸多干湿古气候代用指标,发现了中国东部地区不同时间尺度干湿状况的三极模态空间变化格局,而且还识别出了西北地区与西太平洋海洋上层热量有关的极端干旱事件。地质微生物记录的这些干湿状况是高纬与低纬的海-陆-气相互作用在水循环方面的体现。地质微生物演绎的与碳循环和水循环有关的这些跨圈层过程仅是地球系统的冰山一角,随着地球生物学的发展和技术方法的创新,越来越多的宜居地球形成之谜会被地质微生物所破解,包括地质微生物与深部过程的互馈效应、地质微生物与地球重大环境转型的关系以及地质微生物对地球生态系统演化的影响。

中国已发现的150 ℃以上的高温地热资源及其成因机制研究集中分布在地中海—喜马拉雅地热带的西藏南部和云南、四川西部,环太平洋地热带的台湾省。近年来,华北中东部高温地热资源探测取得突破:2019年在河北省马头营3 965 m深钻获了151 ℃的高温花岗岩干热岩体,2020年在山西省天镇县1 586 m深钻获167 ℃的高温片麻岩裂隙热储地热流体,2023年在山东省东营市桩西地区4 283 m深钻获167.5 ℃的高温碳酸盐岩岩溶热储;因此,亟需对华北中东部高温地热资源成因机制进行系统研究。本文以上述高温地热田为例,分析华北克拉通破坏、壳幔热物质上涌对地壳浅部高温热异常作用的动力学过程,结合地球物理、地球化学和钻探成果,阐明深部地球动力地质作用对地球浅部高温地温场的塑造和高温热异常制约机制,揭示深部高温热源机制及其上涌通道,形成深部高温热源及其上涌通道和热能聚集构造部位识别技术;阐释典型地段高温地热资源成因机制及其对华北中东部高温地热探测的示范意义。(1)在印欧板块碰撞的远场效应和西太平洋板块俯冲回撤作用下,华北克拉通破坏造成岩石圈减薄、软流圈上涌和热侵蚀、伸展断陷盆地及深大走滑断裂发育等深部地球动力作用,是幔源热物质上涌至地壳浅部的主要驱动力。(2)高导低速体、地球化学证据和高温地热资源分布形成了良好的对应关系,认为幔源热物质向上侵入引起了浅层热异常,为高温地热形成提供了稳定热源;岩石圈构造薄弱带如板块边缘带和切入岩石圈的深大走滑断裂构成了幔源热物质向上侵入的主要通道。(3)凹凸相间的构造格局和地下水流场主导了地壳浅部的热量分布,在浅部岩石热导率差异驱动形成的“热折射”效应下,热流由凹陷区向凸起区聚集,形成古潜山高温热异常。

近百年来京津冀地区社会经济快速发展、城市化进程加快、农田扩张、用水需求提高，叠加气候变化，导致区域水资源衰减和供需严重失衡；近年来大规模调水、节水、产业结构调整等缓解了水资源衰减和供需失衡状态；未来低碳、绿色发展以及应对全球变化，京津冀地区社会经济、生态环境将面临极大的调整，水资源演变情势、供需结构和安全保障将面临一系列新的挑战。本文将京津冀地区水文情势及水资源供需演变划分为三个阶段，系统分析历史不同阶段水资源演变“S型”曲线形成及驱动机制，阐述低碳、绿色发展以及应对气候变化对水资源供需格局转变的影响，提出促进当地水资源恢复能力的水循环机理以及提升应对极端气候变化的水资源保障能力研究途径，为京津冀地区乃至其他缺水地区水资源可持续利用提供科学支撑。

地球化学野外样品采集是勘查地球化学工作的重要环节。然而,长期以来缺乏专门针对地球化学野外样品采集的信息化软件支持。随着信息技术的迅猛发展,传统的野外地球化学调查模式正加速向智能化、便捷化和现代化方向转型。因此,实现地球化学野外样品采集全流程的信息化已成为必然趋势。本文基于国内外地质调查信息化的最新进展,系统总结了地球化学野外调查及地质调查信息化的关键发展方向与核心技术特点,并深入探讨了未来地球化学野外调查系统的功能需求和特性。研究旨在推动地球化学野外样品采集向数字化与信息化迈进,为构建覆盖勘查地球化学全流程的信息化产品体系奠定基础,同时助力地质调查信息化服务能力的全面提升。为最终形成勘查地球化学全流程信息化的产品体系,提升地质调查信息化服务品质打下基础。

土壤圈是表层地球系统中大气圈、水圈、生物圈和岩石圈相互作用的产物，在地球表层系统演变中起着关键作用。本文回顾了控制土壤形成和演化的界面过程，强调了它们复杂的相互作用和反馈机制。土壤圈的形成和演化受物理和化学风化过程、气-水-岩异质反应以及生物有机质-矿物相互作用的协同影响。这些过程在不同的地理、气候和生物条件下有所不同，导致土壤的异质性和组分多样性。本文将界面过程分为两大类：无机圈之间的相互作用和生物与无机圈之间的相互作用。无机圈之间的相互作用包括空气和水对岩石的改造、热交换、风蚀、水-岩反应和成岩作用。这些过程对母质的物理分解和化学转变至关重要。生物与无机圈之间的相互作用包括光合作用、呼吸作用和微生物降解有机物的有机碳输入和输出，以及生物转化，其中涉及生物矿物营养素的释放和矿物-有机质聚集体的形成。本文探讨了土壤圈与生物圈的关系，强调了土壤与生态系统之间的物质和能量交换及其对生态系统的支撑作用。此外，本文还讨论了土壤在生态系统服务中的作用，如生产力、生物多样性维护和气候调节。最后，本文强调了多时间和多空间尺度研究的重要性，以了解地表过程对土壤圈演化的影响，并确定未来的研究热点。总体而言，本文详细概述了驱动土壤形成和演化的界面过程，强调了它们在维持生态平衡、支持人类活动和应对全球环境挑战方面的重要性。

天然气水合物因其潜在的能源价值而备受关注，我国自20世纪90年代开始在南海开展水合物调查，截至目前已实施了9个水合物钻探航次，取得了一系列水合物找矿突破。钻探结果证实，南海北部发育多种类型水合物，神狐海域主要发育扩散型水合物，东沙海域发育复合型水合物，琼东南发育渗漏型及砂质型水合物。本文结合钻探成果，详细阐述了各种类型水合物的地震反射特征以及测井响应特征。扩散型天然气水合物在地震上主要表现为显著的BSR以及BSR之上的强正极性反射，在测井上主要表现为高电阻率、高纵波速度和高横波速度，如出现水合物与游离气共存的混合层则在测井上表现为高电阻、低纵波速度、高横波速度和中子-密度反交等特征。渗漏型水合物在地震上通常不发育典型的BSR,BSR之上发育亮点反射或者浅部地层发育上拉反射以及柱状的空白反射，海底发育显著的异常地貌，如丘状体和麻坑，在测井上表现为极高的电阻率、稍微增高的纵波及横波速度、高角度层理等特征。砂质水合物在地震上表现为极强的BSR和指示砂质水合物的强正极性反射，测井上表现为低伽马、极高的电阻率、极高的纵横波速度、略微增高的密度和略微降低的中子孔隙度等特征。最后总结了神狐及琼东南水合物成藏控制因素，认为神狐海域发育的深大断裂以及倾斜的天然堤沉积控制了神狐海域高丰度天然气水合物藏的发育，而琼东南海域水合物发育受古潜山及差异压实作用控制。

天然裂缝是油气重要的储集空间和渗流通道。在复杂构造变形区,裂缝明显受断层影响控制,但其规律和模式尚不清晰。为此,本次研究以库车坳陷为例,通过现场地质观测、成像测井裂缝解译和理论分析,计算断控裂缝系数,揭示走滑断层、逆冲断层控制复杂构造变形区天然裂缝的规律,提出断控裂缝发育分布模式。结果表明:(1)逆冲断层对天然裂缝产状和发育程度均具有明显的控制作用,裂缝密度与距断层距离呈现负指数关系,距断层由近及远可以划分为断层强控制裂缝带、断层弱控制裂缝带和区域裂缝带。(2)走滑断层包括调节走滑断层和逆冲-走滑断层。调节走滑断层与地层走向近垂直或大角度斜交,发育断层控制裂缝带,其受断层规模影响显著;逆冲-走滑断层与地层走向近平行或者小角度斜交,天然裂缝主要局限于断层带内,沿断层走向断裂带宽度发生变化。(3)定义断控裂缝系数(K),即断层强控制裂缝带宽度与断层断距(滑距)的比值,通过分析,库车坳陷逆冲断层K值为1.50~1.80,走滑断层K值为0.125~0.150。研究成果对复杂构造变形区油气勘探开发具有理论和实践指导意义。

构造裂缝是碳酸盐岩的主要储集空间之一,能为致密灰岩提供油气运移的良好通道和储集空间。构造裂缝的发育受构造位置、岩性、地层厚度、温度、围压和构造破裂等多种因素的影响,其中区域构造应力场的局部构造应力导致的构造破裂是控制构造裂缝发育的主导因素。针对碳酸盐岩储层的特点与裂缝发育特征,采用在单井动态岩石力学参数标定下,基于三维地震数据体的岩石力学参数反演功能获取非均质岩石力学模型,以提升应力场模拟中模型力学参数的真实性和准确性;引入自适应边界条件约束方法,以自动获取模拟结果与实测结果误差最小时的最优边界条件,从而显著提升应力场模拟的精度与可靠性。并在此基础上,通过储层张破裂率、剪破裂率、综合破裂率、水平两向应力差、应力非均质系数和断裂面滑动趋势系数等参数,定量表征了SHB16号断裂带及邻区的储层裂缝发育特征与活动性。储层裂缝的发育特征与断裂的活动关系密切,故定性或定量研究了水平两向应力差、距断裂的距离和断裂的垂向活动强度等参数对储层裂缝发育特征的控制作用,用斯皮尔曼等级相关系数定量研究变量之间的相关性。在明确储层裂缝发育的控制因素的基础上,构建奥陶系碳酸盐岩储层规模储集体发育指标,将奥陶系碳酸盐岩储层划分为从最优至最差的I~IV类储集体,并明确了走滑断裂的变形方式和规模储集体发育程度的相关性,进一步建立了不同类型储集体中钻井奥陶系碳酸盐岩储集体发育的地质模式。该地质模式不仅提升了基于应力场模拟的裂缝发育特征及多参数分布定量预测的准确性和可靠性,而且对碳酸盐岩储层裂缝发育的控制因素的定性或定量研究、规模储集体发育指标的构建以及单井储集体发育的地质模式的建立、对碳酸盐岩储集体的勘探与开发进程的加快,具有重要的参考价值。

岩溶碳汇是实现碳中和的重要手段,其稳定性是亟待解决的关键科学问题。地球上每年约45%的光合作用发生在水环境中,而岩溶区沉水植物如何影响岩溶碳汇稳定性仍不明确。以3条岩溶区河流中的沉水植物为研究对象,利用样方法、pH-drift技术和元素化学计量学,从定性和定量角度开展了沉水植物对岩溶碳汇稳定性的影响研究。结果表明:ZDR中沉水植物有8种,CTR中沉水植物有5种,HXR中沉水植物有7种,Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数的趋势均为ZDR>HXR>CTR。在3条河流中沉水植物的优势种为苦草、海菜花、竹叶眼子菜和黑藻,且均具有利用$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$的能力。ZDR、HXR和CTR中沉水植物的年固碳量分别为8.56×10³、4.83×10³ 和3.88×10³ g·m^-2·a^-1,平均值为5.76×10³ g·m^-2·a^-1,分别是草地的37.65倍和人工林的40.56倍。3条河流中沉水植物多样性越高,其固碳量也越高。总的来说,在岩溶水生态系统中沉水植物发挥着碳泵的作用,进而提高了岩溶碳汇的稳定性。

作为全球碳循环系统及陆地生态系统的重要组成部分,冻土区土壤甲烷排放在土壤碳库与气候变化之间的反馈联动机制中扮演着关键性角色,并因此成为全球气候变化研究中的前沿热点问题。冻土区土壤甲烷排放的气源主要为微生物产甲烷活动和冻土层、天然气水合物中的气体释放作用,其中,微生物气源的研究较为成熟,而冻土层和天然气水合物气源甲烷的排放研究目前尚停留在定性分析阶段。在影响因子方面,文献计量学统计结果中出现频次最多的关键词依次为土壤温度、湿度和水位条件、有机质含量、地表植被条件等,这些要素可以对甲烷产生、传输和氧化吸收等多个环节产生影响。模型计算法是当前冻土区土壤甲烷排放评估预测的主要方法,包括早期的统计计算模型和近年来出现的基于土壤甲烷排放成因机理的过程模型,相关计算结果有效地支撑了全球气候变化评估研究。通过对冻土区土壤甲烷排放研究成果的梳理和总结,发现当前对冻土区土壤甲烷排放的气源和单因子影响作用认识较为明确,不同尺度的监测和评估方法也较为成熟。但是,对多气源作用下的冻土区土壤甲烷复合排放研究仍然较为薄弱,尤其是在冻土层和天然气水合物的甲烷释放方面,还缺少相关的定量计算研究。与此同时,在影响因子研究方面,也缺少多因素作用下的成因机理和驱动机制分析。因此,可以通过多方法、多因素综合监测研究,利用产甲烷微生物的元基因组分析、多气源土壤甲烷排放的同位素示踪等新技术和新方法,结合卫星遥感等大尺度观测结果,完善冻土区土壤甲烷排放的过程模型。此外,作为全球的“第三极”,青藏高原区域碳循环系统的变化将对亚洲,乃至全球气候变化产生重大影响。因此,还应进一步加强对青藏高原中纬度高原冻土区土壤甲烷排放的相关研究,为区域碳排放的定量评估和全球气候变化的研究提供理论支撑。

光合作用是决定农作物产量的首要关键因素,当前农作物的光合作用效率对日光能的利用率仅为2%左右,影响粮食蔬菜等作物产量。《地学前缘》面向世界科技前沿,面向经济主战场,跟踪我们系列科研成果近三十年。近年来,围绕矿物增强生物光合作用这一原创性国际前沿科研成果,及其在解决农业增产提质这一国际难题的突破性应用成果开展了连续报道。我们最近研究进一步证实植物叶绿体中锰簇物质(Mn₄CaO₅)与地表矿物膜中水钠锰矿具有起源关系和成因联系,在光催化裂解水功能上具有异曲同工之处。矿物红外发射光谱特性能够影响水功能,促进光反应裂解水的作用。植物经典光合作用仅限于叶绿体中锰簇物质对可见光部分波段的吸收转化作用,叶绿体外的矿物非经典光合作用可拓展功能水对太阳光波谱利用范围,即通过改变灌溉水功能实现对太阳能利用效率的提升,开拓了提高植物光合作用效率的崭新途径。据此提出“矿物-水-光合作用”国际原创技术,田间试验农作物普遍增产达20%~50%,显著提升多种农作物产量和品质。这是自然界矿物通过影响水功能以促进生物光合作用的创新案例。

西加拿大盆地上泥盆统Duvernay页岩是最大海侵期形成的一套页岩油气富集与生产层系。为明确Duvernay页岩油气富集控制因素,在Duvernay页岩地质背景分析的基础上,运用岩心、测井、薄片、扫描电镜、3D孔隙重建信息及有机地化资料,对有机质富集的沉积因素、流体分布、储层质量及影响因素进行了分析,认为Duvernay页岩油气富集主要受盆内成因的硅质页岩沉积环境、有机质热演化、页岩储层质量及稳定构造背景的共同控制。研究发现,Duvernay组为晚泥盆世的深水陆棚环境,岩性以泥灰岩、灰泥岩和泥页岩为主,可识别出10种岩石相,其中硅质页岩最为发育;Duvernay页岩中主要发育II、III型海相有机质,有机质热演化程度中等,处于凝析气-湿气阶段,因此凝析油含量高;油气主要富集在黏土级矿物形成的富含有机孔的硅质页岩中,孔隙类型以有机质孔和粒内孔为主,有效孔隙度占比高,连通孔隙非常发育且横向连续分布,并具有垂向上相互连通的特征;成岩作用改善了页岩储层物性,天然裂缝提高了页岩储层的渗透率,而稳定的构造发育特征是Duvernay页岩油能够较好地保存至今的关键。

本期是《地学前缘》组织出版的“人工智能与大数据地质”主题专辑。它由17篇学术论文组成，涵盖了知识图谱、基于深度学习的图像识别、非结构化地质信息的机器可读表达、图形大数据与社区发现、关联规则算法、三维地质模拟与成矿预测、物联网与在线监测系统等不同主题，提供了极其有价值的应用场景和研究案例，在一定程度上反映了中国人工智能与大数据地球科学领域研究的最新进展，值得同行关注。

裂缝是超深层致密油气运移的主要渗流通道,对超深层油气勘探开发至关重要。高温高压环境下的岩石物理性质更为复杂,裂缝测井响应弱且多解性强。针对这一难题,本文提出一种基于深度核方法(DKM)的超深层致密砂岩裂缝测井识别方法,该方法通过核主成分分析提取裂缝非线性特征,通过深度学习级联结构深度挖掘用于裂缝识别的不同尺度测井响应特征,通过无梯度优化算法自动确定最优模型结构及参数,避免了深度学习需要进行的超参数调整的问题。以塔里木盆地克深气田下白垩统巴什基奇克组的超深层致密砂岩储层为例,对所提方法进行了实例应用和验证,在测井裂缝响应敏感性分析的基础上,优选了6种测井曲线用于裂缝识别,前3种DEN、RD和RM为实测测井数据,后3种RSD、nT1和nT2是为了获取更多裂缝信息而重构的曲线,并厘清了裂缝段与无裂缝段在测井参数方面的差异。裂缝识别结果与岩心裂缝描述对比表明,深度核方法可以较为准确地识别超深层致密砂岩裂缝,相比常规多核方法,精度可以提升5%以上,在实际单井裂缝识别工作中具有较强的适用性。