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科研成果

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重要科研成果简介
来源:中国地质大学(武汉)地学院    编辑:佚名    时间:2014-03-21    

 

获奖成果:

1.“全球二叠系-三叠系界线层型研究”(2002,国家自然科学二等奖)

主要完成单位:中国地质大学、南京地质古生物研究所

主要完成人:殷鸿福、杨遵仪、盛金章、张克信、陈楚震、童金南、王成源

确定国际各地层系、统和阶之间的界线层型剖面和点,简称“金钉子”(GSSP),并作为全球标准,是国际地层委员会的核心任务。二亿五千万年前的全球二、三叠系界线是地球历史上最大的三个“金钉子”之一,这一时期发生了最大的生物绝灭事件,是国际地学最前沿课题之一。本成果创造性地提出以牙形石H. parvus替代耳菊石作为三叠系底界的国际新标准,准确地标定了H. parvus在煤山D剖面的首现点,建立了国际二叠系最高阶长兴阶,运用多种地层学方法对煤山剖面进行高精度研究,并开展大比例尺地质填图,综合研究了地质事件(生物灭绝、火山事件、海水进退、缺氧、碳氧同位素异常、地球化学异常等),证实了灾变事件群导致显生宙最大生物灭绝事件,并进行了全球对比,其广度和深度在界线地层研究中处于国际领先,推动了地史重大转折期各项地学研究的重大进步,是我国地学领域取得的重大进展。该成果被评为“2001年中国基础研究十大进展”、“2001年度中国高等学校十大科技进展”和“2001年中国十大科技新闻”,荣获2001年湖北省自然科学一等奖,2002年国家自然科学二等奖第一名。

2.华北及其邻区大陆地壳结构、组成与壳幔交换动力学研究(2007,国家自然科学二等奖)

主要完成单位:中国地质大学、西北大学

主要完成人:高山、金振民、章军锋、刘勇胜、张宏飞

地壳和上地幔是直接影响人类生存的固体地球圈层,大陆地壳组成与壳幔交换作用的物理和化学过程是地球动力学研究的主题之一,是当今地球科学研究的前沿领域。本成果以华北克拉通及其相邻秦岭—大别—苏鲁超高压变质带为研究基地,开展多学科结合和广泛的国际合作,围绕大陆地壳结构、组成和壳幔交换作用的关键科学问题开展深入研究,在大陆地壳组成、榴辉岩下地壳拆沉再循环作用,上地幔动态部分熔融、俯冲榴辉岩脱水熔融、榴辉岩流变学及其动力学效应等方面取得了系统原创性新成果,在国际上得到广泛反响。通过查明中国东部地壳63种元素组成,为认识大陆的形成演化和成矿作用提供了新的基础数据,丰富了元素丰度研究;提出了我国东部地壳和地幔物质交换的拆沉作用模式,中源地震形成的新认识等,为人类寻找金属矿产,探索地震灾害形成提供理论背景。为我国壳幔交换动力学研究在国际上占有一席之地做出了重要贡献。该成果荣获2006年湖北省自然科学一等奖,2007年国家自然科学二等奖(一等奖空缺)。

3.生命与环境协调演化中的生物地质学研究(2008,国家自然科学二等奖)

主要完成单位:中国地质大学(武汉)

主要完成人:殷鸿福,谢树成,杨逢清,童金南,王永标

在基础科学中,数、理、化、天均已与地球科学结合,形成了蓬勃发展的数学地质、地球物理、地球化学与天文及行星地质学,唯独生命科学与地球科学结合形成的地球生物学尚未臻繁荣。生命科学与地质学交*所形成的生物地质学是地球生物学的关键内容之一,是研究生命与环境协调演化的关键学科。本成果开展了生物与环境协调演化的生物地质学研究,实现从古生物学向地球生物学的跨越,在国内正式提出了生命与环境协调演化中的生物地质学,形成了系统的理论思想、方法体系和完整的学科体系。提出了区域生物成矿系统的思想,即生物—有机质—有机流体成矿系统。突破了生物成矿仅研究生物及有机质原地成矿的框架,强调了有机流体在成矿中的作用。提出了华南二叠纪-三叠纪过渡期生物危机的多期次说和火山成因说,指出了地球内部的灾变事件群导致了二叠纪—三叠纪之交的最大生物突变事件,并进行了全球事件对比。对曾经盛行的地外星体撞击说提出不同看法,为火山说成为国际主流思想之一作出了贡献。该成果荣获2007年教育部自然科学一等奖,2008年国家自然科学二等奖(一等奖空缺)。

4.华北及邻区深部岩石圈的减薄与增生(2011年获国家自然科学奖二等奖)。

主要完成人:徐义刚、郑建平、范蔚茗、许继峰、郭锋

本项目属地球科学领域的基础研究。近二十年来深部动力学研究最重要的进展之一是发现陆下岩石圈不是一成不变的。岩石圈的不稳定性与其结构、组成和流变学性质巨大变化有关,其起因和作用机制是理解板块内部的岩浆活动、成矿作用、地震活动乃至构造演化的关键,可为丰富板内构造理论框架、完善和发展板块构造学说提供重要的科学依据。本项目通过对华北陆块及邻区发育的不同时代(古生代、中生代、新生代)火成岩及其携带的壳、幔捕虏体的矿物学、岩石学、地球化学和年代学的综合研究,在大陆岩石圈地幔组成、结构和演化及大陆地幔动力学研究领域取得了一系列在国际学术界产生重要影响的开创性成果,为该领域的进展做出了实质性贡献。部分成果获广东省和湖北省科学技术奖自然科学一等奖。这些成果显著提升了中国科学家在大陆岩石圈研究领域的国际影响和地位,使华北东部成为国际学术界公认的克拉通下岩石圈减薄的最典型地区,推动了国家自然科学基金委重大研究计划项目《克拉通破坏》的立项。本研究集体成功主办了国际火山学和地球内部化学协会2006年度学术会议(IAVCEI-2006),并组织出版国际核心刊物专辑两部。

5.中国大陆科学深钻的科技集成与创新(2008,国家科学技术进步二等奖)

主要完成单位:中国地质调查局、中国地质科学院地质研究所、中国地质科学院勘探技术研究所、中国地质大学(武汉)、北京探矿工程研究所、国家地质实验测试中心、中国石油化工股份有限公司

主要完成人:许志琴、王达、杨文采、张伟、杨经绥、金振民、张晓西、刘福来、杨甘生、张泽明

中国大陆科学钻探深入地下5158米,不仅是我国有史以来最深的科学钻井,也是当前正在实施的国际大陆科学钻探计划20多个项目中最深的科学钻井。通过这次科学深钻,揭示了陆块会聚边界深部连续的物质组成,证明了地质历史上曾发生的板块携带巨量物质俯冲地幔深处的壮观地质事件,以及发生在700万到800万年前的重大裂解事件,标定了结晶岩地区典型的地球物理场;提出了地壳分层拆离的多重性。被称为伸入地球内部——“望远镜”的大陆科学钻探是当代地球科学具有划时代意义、带动2l世纪地球科学和相关科学技术发展的科学工程,同时也是解决人类社会所面临的资源、灾害和环境等问题的重要途径之一,是继人类登月后向地球的又一次挑战,2002年被国家科技部、科技日报社和中央电视台评为公众关注的中国十大科技事件之一,2008年该成果荣获国家科学技术进步二等奖。

6.青藏高原地质理论创新与找矿重大突破(2011年国家科学技术进步奖特等奖)

该项目由中国地质调查局牵头的大型科研项目,我院张克信教授为该项目第15完成人。我校主要贡献有:主持完成的青藏高原首批1:25万试点填图和填图方法研究,提出了造山带物态、时态、相态、位态、变形、变质历程分析填图法,发展了大地构造相方法在造山带填图中的应用,解决了一批重大疑难地层和地质构造问题;主持研制了《青藏高原艰险区1:250000区域地质调查技术要求》和《青藏高原区域地质调查野外工作手册》,发文推广应用,为我国在青藏高原全面实施1:25万地质填图起到了引领与规范作用。张克信和王国灿教授基于177幅1:25万地质填图成果,首次系统编制了青藏高原新生代1:150万地质图和1:300万构造-岩相古地理系列图,高度集成了青藏高原

新生代最新的地调和科研成果。

7.中国西南特提斯造山带构造与新生代碰撞变形研究(2001,国家自然科学二等奖)

主要完成人:钟大赉、从柏林、聂泽同、刘本培、张旗

主要完成单位:中国科学院地质与地球物理研究所、中国地质大学

本成果以活动论为指导,基于全球构造框架,选择了全球东特提斯带中关键的藏东—滇川西部及邻区两大陆碰撞前缘和构造急剧转折部位,运用当代地质、地球化学、地球物理综合方法,提出我国西南及邻区的古特提斯(晚古生代―中三叠世,约4亿年―2亿年间)是一个开阔大洋体系,由多洋盆、多陆块、多岛弧组成的多岛洋格局,类似于现今的西太平洋构造―古地理景观。详细确证了碧土―昌宁―孟连带是主洋盆遗迹,经历了一个完整的威尔逊旋回的演化过程。建立了东古特提斯构造格架和古板块构造演化模型,提出新生代正向和斜向碰撞构造三维调节模式;新生代变形和隆升是一个近同时、多阶段、非均变过程。研究区造山带岩石圈为多向层架构造,对新生代岩浆活动形成制约。本项成果深化了我国西南及其邻区的大地构造认识,丰富了全球古特提斯研究宝库和两大陆碰撞构造与高原隆升过程认识有重要理论意义,也为该区资源预测和环境保护提供了基础科学依据。主要成果(古特提斯演化)曾获1994年中国科学院自然科学奖一等奖。2001年获国家自然科学二等奖。

论文成果:

1.1994,Zhen-Min Jin(金振民), H.W.Green II, Zhou Yi. Melt topology in partially molten mantle peridotite during ductile deformation.Nature, 1994, 372, 164-167(成果获Nature封面)

本研究选用中国河北省万全县大麻坪(即汉诺坝玄武岩中)二辉橄榄岩为原始实验材料,发现橄榄岩的初始熔融物(5-7%)在固相岩石中不仅赋存在矿物三连点位置(这是静态熔融结构的特征),同时大量的熔体在差异应力驱动下沿着橄榄石矿物颗粒边界(grain boundary)呈熔融薄膜(melt film)形式分布,这种非平衡熔融分布结构特征与以往静态实验的成果有明显区别。这种熔融流体分布对岩石圈物质的物理性质(如弹性,非弹性,弹性波衰减及导电性能等和地球化学元素的分配)有直接的约束作用。实验结果有力证明,这种初始熔融流体(5%左右)实验使流变强度产生强烈弱化现象,有效粘度减低几个数量级。这一成果对于合理阐明上地幔低速高导层形成机制提供了有力的实验依据,对大陆造山带的中下地壳部分熔融也有借鉴意义。

2.2004,Gao, S.(高山), Rudnick, R.L., Yuan, H.L., Liu, X.M., Liu, Y.S., Xu, W.L., Ling, W.L., Ayers, J., Wang, X.C. and Wang, Q.H., Recycling lower continental crust in theNorth Chinacraton.Nature, 432: 892-897.

大陆下地壳拆沉作用被认为是壳-幔物质再循环重要的途径之一。本研究通过对华北克拉通晚侏罗纪安山岩、英安岩和埃达克质岩石的地球化学和岩石学研究,显示其成因与拆沉的榴辉岩发生部分熔融作用、熔体经历了与地幔橄榄岩相互作用的演化过程有关。这一研究为拆沉作用导致的下地壳再循环这一重要的地球动力学过程提供了直接证据,也为中国东部中生代强烈岩浆活动和壳幔交换与大规模成矿作用的动力学背景提供了新认识,为国际关注的中国东部岩石圈地幔减薄作用提供了时间制约,具有十分重要的科学意义。

3.2004,Zhang, J(章军锋), Green, H W II, Bozilov, K, Jin, Z. Faulting induced by precipitation of water at grain boundaries in hot subducting oceanic crust.Nature,428: 633-636.(成果获Nature内封)

本研究以中国大陆科学钻主钻孔毛北地区榴辉岩为原始材料,通过现代高温高压的实验和多学科综合研究,发现榴辉岩中名义上无水矿物(结构水)在矿物颗粒边界析出的水导致熔融,从而诱发断层作用。这种由榴辉岩结构水析出引起不稳定性和致裂作用,是一种新的断裂机制,它成功地解释了与俯冲洋壳有关的中等深度(100-250km)发生的高温地震成因,同时为地幔转化带的深源地震机制也提供了重要启示。

4.2005,Xie, SC(谢树成); Pancost, RD; Yin, HF; Wang, HM; Evershed, RP, Two episodes of microbial change coupled with Permo/Triassic faunal mass extinction,Nature,434 (7032): 494-497

本研究从分子水平和食物链底层发现了全球显生宙最大生物灭绝期存在多次生物危机,第一次为探讨该生物危机的形式提供了分子古生物方面的约束。通过采用类脂物生物标志化合物研究中国煤山二叠纪—三叠纪界线附近的微生物群落变化,利用分子记录,发现了在海洋无脊椎动物的两次集群灭绝之后,蓝细菌出现了两次繁盛期,造成蓝细菌与海洋无脊椎动物的这种耦合关系是由引起动物集群灭绝的环境变化(如火山活动)及其随后生态系统的变化造成的,揭示了2.5亿年前全球最大生物灭绝期至少存在两次生物危机。这项工作的意义在于,直接从生态系统底层证实了多次生物危机的存在,为探讨生物危机的原因提供了依据。

5.2009,Paul B. Wignall,Yadong Sun(孙亚东), David P. G. Bond, Gareth Izon, Robert J. Newton, Stéphanie Védrine, Mike Widdowson, Jason R. Ali,Xulong Lai(赖旭龙), Haishui Jiang, Helen Cope, and Simon H. Bottrell , Volcanism, Mass Extinction, and Carbon Isotope Fluctuations in the Middle Permian of China,Science, 1179-1182.

英国利兹大学Paul B. Wignall教授、中国地质大学(武汉)赖旭龙教授各自领导的小组合作研究的成果,地学院博士生孙亚东以第二作者参与研究。通过在我国峨眉山大火成岩省分布区及其周边多条地质剖面的古生物学、岩石学、沉积学以及同位素地球化学的详细研究,发现蜓类、非蜓有孔虫和钙藻生物的灭绝时间与峨眉山玄武岩火山喷发的初始阶段相吻合,从而表明两者之间存在因果联系,大规模的火山活动造成环境恶化,从而导致海洋生态系统受到冲击。本研究首次报道了了火山喷发、生物灭绝同时发生,紧接着伴随有碳同位素负偏,提供了目前为止火山活动能导致生物灭绝最直接的证据。这一研究成果极大的提高了目前对大规模火山活动对环境产生的影响的认识,为日后进一步研究岩石圈—生物圈—大气圈协同演化拓宽了思路。

6.2009,Xu X; Clark JM;Mo JY(莫进尤); Choiniere J; Forster CA; Erickson GM; Hone DWE; Sullivan C; Eberth DA; Nesbitt S; Zhao Q; Hernandez R; Jia CK; Han FL; Guo Y, A Jurassic ceratosaur from China helps clarify avian digital homologies,Nature, 459 (7249): 940

地学院博士生莫进尤(指导老师:赖旭龙教授和中科院古脊椎所徐星研究员,联合指导)作为第三作者参与研究。根据在中国西部准噶尔盆地侏罗纪地层中新发现的一个小型原始兽脚类食草恐龙化石的研究,提出了恐龙的爪向鸟类翅膀演化的新证据。鸟类手指同源问题,是鸟类起源研究上一直困扰古生物学家的一个难题,也是进化生物学研究领域长期以来最具争议性的问题之一。本研究提出了外侧转移假说,包括鸟类在内的具有3个手指的僵尾龙类所保存的3个手指头其实是第二、三、四指,改变了关于僵尾龙类保存了第一、二、三指的传统观念。这样,存在于古生物学和发育学资料之间的矛盾就消除了。

7. 2012,Yadong Sun*Michael M. JoachimskiPaul B. WignallChunbo Yan1Yanlong ChenHaishui JiangLina Wang1Xulong Lai,Lethally Hot Temperatures During the Early Triassic Greenhouse,Science19 October 2012: Vol. 338 no. 6105 pp. 366-370

地学院博士生孙亚东(导师赖旭龙教授)以第一作者和唯一通讯作者发表的成果,第一次直接证明导致2.5亿年前生物大灭绝谜题,当时海洋表面温度有40℃,陆上温度则可能达到50℃,而不是以前不会超过30℃的假设,致使生物难以生存。人类首次为2.5亿年前生物大灭绝时的地球画出了温度表,为当今全球变暖的研究提供了新资料,如果气温也上升到这个程度,生物界的复苏就需要数百万年,引起全球学者的关注。

在地球漫长的演化历史过程中曾多次发生生物大规模灭绝,距今6500百万年前的白垩纪末恐龙灭绝事件就是其中一次。每次生物大灭绝事件后,通常会紧接着一个不均匀复苏、生物多样性低的“死亡区”。距今2.5亿年前的二叠纪末生物大灭绝事件是地球历史上最大的一次灭绝事件,造成了当时地球上绝大多数的物种消失,随后的死亡区延续了500万年。2.5亿年前未遭遇大灭绝前,地球上充满了植物和动物,包括原始的爬行类和两栖类动物,还有各种各样的海洋生物。但大灭绝后,在赤道低纬度地区几乎没有生物生长,陆地上没有森林和动物,仅剩一些灌木和蕨类。而海洋里也没有鱼和海洋爬行类了,只剩一些贝壳类生物。陆地上的动物都因为高新陈代谢速率而难以适应当时的高温,只有极地成为动物逃避高温的避难所。本次温度数据来自1.5万个牙形石标本,牙形石是已经绝灭的海生动物的牙齿化石,由磷酸钙组成很好地记录下了古代海水的氧同位素组成,而氧同位素的形成是由当时的环境温度所控制,通过牙形石中氧同位素的比值,恢复出了数亿年以前的温度。该成果记录了2.52亿年前至2.47亿年前早三叠世时期的温度,是迄今为止最为详细的温度变化记录。

重大项目:

若干重大地质环境突变的地球生学过程(2010,国家“973”项目)

以谢树成教授为首席科学家的该项研究,重点探索重大地质环境突变的地球生物学过程,促进地球科学和生命科学交*融合,孕育地球生物学新学科体系在一些基础理论和前沿领域的突破,探索生命起源和外太空生命素材,以富含有机质的沉积岩为载体研究地质微生物功能群的作用,为油气母岩(烃源岩)的正演评价提供从古生产力(自养微生物)到埋藏有机质(异养微生物)的地球生物学新方法。通过选择解剖地质历史上发生过重大变化的地质环境,突破微生物功能群的地质过程这一重要科学前沿,探索微生物功能群的地质过程与碳循环的地质演化及地质环境事件响应,特别是突变事件的作用方式、机制和结果,为人类社会应对当前所面临的全球变化问题提供基础背景材料和地史证据。