中國科學院地球深部研究重點實驗室

中國科學院地球深部研究重點實驗室以地幔和地核作為研究對象，探索地球深部的化學性狀、物理狀態、動力學機制及其地球深部過程在岩石圈的回響。實驗室現有研究和技術人員37人，其中正研究員11人（含國家傑出青年科學基金獲得者6人，中國科學院“百人計畫”入選者4人）；副研究員11人；助研4人；具有技術支撐技術人員11人。

基本介紹

• 中文名：中國科學院地球深部研究重點實驗室
• 類別：實驗室
• 地點：中國科學院
• 類型：地球深部研究

定位

　以地球系統科學作為指導思想，以岩石圈之下的厚達6200公里的地幔和地核作為研究對象，通過地震學、地磁學、高溫高壓實驗、分子和量子力學模擬、數值時空模擬和比較行星學等多學科的交叉和互補，探索地球深部的化學性狀(化學成分、礦物組合和它們的熱力學性質) 、物理狀態(結構、溫度、壓力)、動力學機制及其地球深部過程在岩石圈的回響，為固體地球系統科學理論的建立及社會可持續發展做出創新性貢獻。

發展目標

經過5-10年的建設和發展，建立一個擁有國際一流人才和設備的、能不斷加深對地球深部認識的、培養傑出人才的、可持續發展的國際知名地球深部研究中心之一。

研究內容

1、 地幔的成分、結構（不連續性、非均質性）和對流機制；

2、核幔邊界性質；

3、C-H-O-S流體的化學狀態及其行為；

4、模擬研究地球深部物質的熱物理和熱化學性質；

5、地球深部過程的古地磁學研究；

6、地球深部動力學過程在岩石圈的回響。

研究方向

1、地幔的成分、結構（不連續性、非均質性）和對流機制

通過地震探測、地震層析成像、非線性反演理論及方法、地震全波及散射成像、高溫高壓實驗模擬、分子和量子力學計算機模擬、比較行星學等研究方法的交叉和互補，研究中國大陸及全球典型構造區地幔成分、太平洋板塊俯衝的深度、冷熱板塊相互作用的機制、410公里及660公裡間斷面形態和性質、上地幔轉換帶熱結構、地幔在橫向和縱向的非均質變化和地幔對流機制。

2、核幔邊界性質

核幔邊界是地球內部最大的成分、速度、密度躍變帶，在這裡核幔之間的差別之大猶如岩石圈和大氣圈的差別，所不同的是溫度、壓力和成分大不一樣。由於核幔之間的巨大差距導致極大的物理化學不平衡，而這極大的不平衡導致劇烈的物理化學反應，從而產生地幔下界約300多公里的D″層。D"區與核幔邊界一起，構成了地球深部的"熱-化學-動力學"邊界層（thermo-chemical boundary, TCBL），它是繼岩石圈之後的地球另一強不均一圈層. 在這裡存在一系列科學問題，包括地幔固態矽質岩與地核鐵質液體之間的反應、相態變化、熱流方式、部分熔融、核幔邊界上的超級地幔柱與高密度低波速的化學異常、地幔柱的產生等等。實驗室通過地震學、地球化學、地磁學、地球動力學、分子動力學、高溫高壓實驗、比較行星學和數字時空模擬等多個學科綜合研究上述問題。研究的重點是建立太平洋及其相鄰區域下地幔底部的三維精細模型，探討這個異常區域的性質和起源，以及動力學模型。

3、C-H-O-S流體的化學狀態及其行為

火山噴氣、金剛石流體包裹體和地幔岩研究證明，在地幔中存在大量C-H-O-S 流體。在礦物反應、相變、熔融、分異和對流等一系列地質演化過程中流體發揮關鍵作用。人們已經認識到過去沒有流體參與的動力學模型必須修改。一系列有關流體的問題必須研究，比如C-H-O-S流體在不同的溫壓條件下和不同的礦物組合條件下的化學狀態或者存在的分子形式，H2O分子和其他流體分子穩定存在的溫壓範圍，H2O在地幔中的含量及其在熔融、分異和對流過程中流體發揮的作用，實驗室通過實驗測試、電導測量、熱力學計算、分子動力學模擬和量子力學模擬等手段進行綜合研究，逐步找出答案。

4、模擬研究地球深部物質的熱物理和熱化學性質

計算科學已成為與實驗和理論並列的科學研究的三大支柱之一，儘管高溫高壓實驗過去十多年來取得了長足的進展，但是，實驗所覆蓋的範圍仍然有限，許多問題無法解決，而分子水平和量子水平上的研究彌補了這一不足，分子學和地球化學相結合也已初見成效，但方興未艾，科學家(尤其歐美)正在投入大量人力財力加強這一方面的研究。二十一世紀是一個分子化數位化時代，分子水平和量子水平上的研究一定能促進對地球深部的認識。

5、地球深部過程的古地磁學研究

地質歷史時期地磁強度是認識地球內部過程的重要途徑，特別是地磁極性倒轉過程的方向和強度變化、超靜磁期間地磁強度變化是研究地核動力學的關鍵。地質歷史時期不僅發生過頻繁的地磁極性倒轉，而且存在三個超靜磁帶。主要研究內容包括：白堊紀超靜磁帶（CNS）地磁場強度的變化，分析地磁場強度與地磁極性倒轉頻率的相關性，探討CNS發生的機制和地磁場對地球深部過程的制約，為地核發電機理論建立提供重要的邊界約束條件。中長期研究目標包括：研究地磁場的形成時間和地球演化早期地磁場特徵，為約束地球早期演化（如核心的形成與生長等）等提供重要資料。隨著古強度研究水平的不斷提高，地球早期古強度變化已成為新熱點。繼續深入研究地質歷史時期極性倒轉與古強度變化，為認識地球形成與演化做出貢獻。

6、地球深部動力學過程在岩石圈的回響

與岩石圈國家重點實驗室合作，在以上兩個方面的成果套用到岩石圈研究中，闡明地幔對流、地幔柱的產生、大洋中脊的形成、大洋板塊俯衝、地幔底侵、岩石圈減薄或增厚、火山和地震等地質事件的時空關係。在全面收集地球物理和地球化學資料的基礎上，建立數值時空模擬動力學模型。

實驗平台

共有較大型數據處理計算系統（每秒萬億次以上）6套，擁有多台先進的工作站。如分子動力學並行計算系統，側重研究地球深部高溫高壓條件下各種物質的物理化學及動力學性質；地幔動力學並行計算系統，用於地幔對流和地震波傳播研究中的大型計算。

野外流動寬頻帶地震台陣主要用於對天然地震的長期觀測和對人工地震的即時觀測獲取有關地球深部結構的資料和信息，進而開展相應的分析研究。2000年以來，分三批引進美國地震聯合會通用的RefTek72A-08型、130-1型採集系統，和CMG-3ESP型（50Hz-30s）、CMG-3T型（50Hz-120s）地震計，共172套；研製生產了DAS-24型採集系統和購置了國產寬頻（20Hz-20s）地震計，共100套。已先後承擔了973項目、科學院重大研究項目等與之相關的野外數據採集工作。在山東、河北、內蒙、雲南、西藏等地區共布設近600個觀測點，接收原始數據已經超過了5000 GB。

主要大型實驗設備實施實驗室主任負責制，即由各個領域的專家擔任實驗室主任，全面負責儀器設備的運行與管理。結合學科發展的需要，組織開發儀器功能和新的實驗方法，進行數據質量控制。這種新的管理機制的實施，有力地保證並促進了儀器設備作用的充分發揮。

為了保證實驗室全面對國內外學者開放，除實驗室制定了規範的開放管理辦法並嚴格執行之外，還不定期舉辦培訓班，介紹儀器設備的功能，講解不同實驗的基本原理和實驗流程，培養年輕科研人員的實驗動手能力。地質與地球物理研究所的大多數研究生都自己動手進行各類實驗研究。

實驗室所依託的研究所擁有種類齊全的地球化學實驗研究的儀器設備，其中價格超過200萬元人民幣的大型儀器，包括CAMEC二次離子探針1台、測定氧化物及微量元素的X光螢光光譜儀（XRF）2台、全譜直讀等離子光譜儀（ICP－AES）1台、分析微量元素和稀土元素的電感耦合等離子質儀（ICP-MS）2台、用於放射性同位素分析的質譜儀4台（VG354、MAT262、IsoProbe-T、LA-MC-ICPMS）、用於氬同位素年代學研究的惰性氣體同位素質譜儀1台（MM5400配備有2台雷射系統）、用於O、S、H、C等穩定同位素成分測定的質譜儀5台（MAT251、MAT252、MAT253、DeltaS/ EA1108和硫分析專用質譜）、礦物微區成分分析的電子探針2台、礦物結構研究用X光衍射儀1台、微粒、微區表面形態研究用的低真空掃描電鏡1台等。與儀器配套還有數百平方米超淨化學室、化學處理室和各類同位素製備室等，能夠提供物質成分測定、放射性同位素分析、同位素年代學研究、穩定同位素分析、成分和結構微區分析、流體包裹體研究以及樣品製備等實驗研究。上述儀器設備，大多數都是1999年中國科學院創新基地建立以來購入的國際上最新型號的設備。

合作交流

實驗室在地球深部流體、地幔條件下高溫高壓實驗、地磁與磁場倒轉、地震層析成像等領域與美國地質調查局、美國卡耐基地球物理實驗室、美國加州大學、美國耶魯大學、俄羅斯科學院、英國劍橋大學開展了富有成效的合作。儀器設備全面對外開放，支持研究人員利用實驗室的設備條件開展包括實驗技術方面在內的實驗研究。同時力所能及地為國內研究單位提供計算機模擬、地震和地磁觀測平台。