美国威斯康星大学麦迪逊分校郑新源博士访问地化所,中国科学院测量与地球物理研究所

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5月21日,地球化学研究所成功举办了主题为“科技创新
追梦未来”的第十二届公众科学日活动,活动吸引了省内各大高校、重点中小学校及科研院所的师生、职工,以及市民们千余人来所参观。

板块构造学说是固体地球科学的基石,刻画了岩石圈的基本运动学特征,而地幔对流理论则为理解板块运动规律提供了动力学基础。然而长期以来,地幔对流模式的研究一直存在巨大的争议,分歧主要集中于全地幔对流和上下地幔分层对流两个模式。近年来,还有一些学者提出了地幔混合对流模式猜想,即一些区域地幔分层对流、其它区域上下地幔整体对流。

应中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室刘耘研究员的邀请,美国威斯康星大学麦迪逊分校郑新源博士后于5月9日对地化所进行了学术访问。报告会由刘耘研究员主持,地化所部分科研人员和研究生参加了本次报告会。

地化所于2014年10月从原址搬迁至贵阳市观山湖区林城西路99号新所址,占地160余亩,一期建筑面积5.5万平方米的科研园区投入使用。在公众科学日当天,地化所崭新的科研园区和实验大楼,以及各大型科研设施向公众开放,在向公众大力普及科学知识,弘扬科学精神,提高全民科学素养方面取得了良好的效果。

中国科学院测量与地球物理研究所倪四道研究团队与中国科学技术大学及国际同行开展合作,首次发现了非对称路径660千米间断面散射波震相,揭示了地幔410及660千米间断面的小尺度起伏特征,为地幔对流模式研究提供关键证据。

9日上午9点,郑新源博士在矿床室三楼学术报告厅作了题为“前寒武纪沉积岩中硅同位素分馏—还原前寒武纪海洋温度的一种更有力的方法(Si
isotope fractionations in simulated Precambrian seawater –towards a
better informed interpretation on Si isotope records from Precambrian
sedimentary
rocks)”的学术报告。报告中,郑新源博士详细介绍了硅同位素在前寒武纪海洋中的循环模式、硅同位素在还原前寒武纪海洋温度中的重要作用、硅同位素在非生物过程和生物过程同位素分馏的实验研究及结果。郑新源博士的研究很好地解释了硅同位素在硅质岩和BIF的分馏和发生的原因,对与会科研人员和研究生深入理解硅同位素如何在还原前寒武纪海洋温度过程有着重要的促进作用。报告结束后,与会人员分别就前寒武纪海洋温度、铁元素对硅同位素分馏的影响等问题与郑新源博士展开了广泛的交流和讨论。

活动当天,参观者在工作人员的引导下分批进入矿床地球化学国家重点实验室、环境地球化学国家重点实验室,在科研人员的讲解下,通过科普展板、趣味实验等多种形式获知到各实验室所涉及的领域。稀有气体质谱实验室、纳米地球化学实验室、电子探针实验室、扫描电镜实验室、热电离质谱实验室等十余个实验场所让参观者们看到各类实验仪器,了解地球化学学科研究的相关内容。由科研人员、职工和研究生组成的志愿者们通过耐心讲解和示范,生动地揭示了地球化学的奥妙,让来访者兴趣盎然、热情高涨。

研究团队基于温度及化学成分对地幔间断面各种横向尺度起伏的不同控制作用,对间断面的成因及地幔对流模式开展研究。温度异常及化学成分异常均可造成大尺度和中等尺度的地幔间断面起伏。但是,间断面的小尺度起伏,难以利用温度异常解释,而是主要反映了化学成分的变化。学者们对地幔间断面的大中尺度起伏特征已经有了深入的认识,但是其小尺度起伏特征尚未见报道,也因此难以判定410/660千米间断面的成因。在大中尺度的间断面起伏研究中,P波、S波及其转换波或多次波等体波震相发挥了重要作用,但是由于这些体波的菲涅尔区较大,难以约束小尺度起伏特征。

上午十点,地化所倪集众研究员为参观者带来一场名为《走进美丽的石头世界》的科普报告,报告大厅座无虚席。报告中,倪集众研究员用了大量生动的图片,以图文并茂的形式,深入浅出地向参观者介绍了各种各样的矿石、岩石、晶体、化石、观赏石等,生动的演讲配上精致的图片,让在座的同学们时时惊呼,纷纷掏出手机拍照和录像。

该研究聚焦于地球内部界面起伏探测方法,提出了非对称路径背向散射PKP波约束小尺度起伏的新方法。基于新方法,研究了非对称路径散射波P′SurfP′震相,据此估算的地表起伏及地壳浅部散射体强度与已有的结果一致,表明了该方法的有效性(
Wu et al, 2012,
GRL
)。此后的数年间,研究团队搜集了全球密集台阵记录到的深震波形,开展了慢度、偏振、到时、包络形态等多震相特征分析,计算了系列理论散射地震图、并与实测地震波形对比,发现了660千米界面小尺度起伏导致的前驱散射波(P′.660.P′),而且该信号强度存在区域差异。然而,对应于410千米界面的前驱散射波没有被观测到,表明该界面比较平滑。以PKiKP、P’SurfP’等体波作为参考震相,估计了采样区域内660千米间断面小尺度起伏的幅度,推算其功率谱系数C2D量级范围为10-1000米,远大于地表的全球平均小尺度起伏,表明660千米间断面小尺度起伏远比地表的更剧烈。基于地震学的观测与分析,研究团队提出410千米界面主要成因为相变;但是660千米界面则不完全为相变面,在一些区域还应该是化学分界面,在其它区域化学分层不明显。这项发现难以用全地幔对流或分层对流模式解释,而支持地幔混合对流模式。文章还建议,开展地球动力学、地震学、地球化学等多学科交叉合作,有助于定量研究上下地幔物质交换的效率,从而进一步深化对地球动力学的理解。国际著名学者Christine
Houser在(Science)同期Perspective栏目撰文评述道:“该项研究成果可以帮助回答地球演化的根本性问题(The
results may help to answer fundamental questions about Earth’s
evolution
)。”

活动中,地化所免费向参观者们发放了内容丰富的科普知识宣传手册,用通俗易懂的文字与丰富多样的图片,对地球的生命、北极冰层融化速度、地震多发地等话题进行详细解读,并向大家介绍了关于禽流感、雾霾、小行星采矿等一系列科普知识。

该研究成果于2月15日在国际学术期刊(Science)以Report形式发表,文章题为Inferring
Earth’s discontinuous chemical layeringfrom the 660-kilometer boundary
topography
。中国科学院先导专项“地球内部运行机制与表层响应”、国家973项目以及国家自然科学基金提供了经费资助。“全院办校,所系结合”政策为此项研究的顺利开展提供了保障。

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