第181次-- 科学与技术前沿论坛

主题报告

地球宜居性形成的双引擎：地质微生物与板块构造http://videozh.cas.cn/masvod/public/2025/09/12/20250912_1993c97d80b_r36_1200k.mp4
谢树成中国科学院院士中国地质大学(武汉)

地球宜居性已经成为当前地球系统科学的最前沿研究主题，它因涉及地球各圈层之间的相互作用、涉及地球的物理化学过程和生命过程交织在一起的动力学过程而被国家自然科学基金委员会地球科学部确立为 2021~2030 年中长期发展战略，探索宜居地球的形成和演化机制因而具有重要的科学意义。本报告提出了地质微生物与板块构造是宜居地球形成的双引擎。地质微生物与板块构造的联动不仅涉及地球物质运动的三大过程交织，而且还涉及表层系统与深地系统的跨圈层相互作用，覆盖了地球的绝大部分演化历史。单纯从表层系统来看，生命塑造了地球，而其中最为关键的生命系统是地质微生物，因为它是地球之王、地球的元老、生态系统运转的齿轮、元素生物地球化学循环的引擎。特别是，地质微生物与板块构造的相互作用驱动了地球上的元素循环，进而导致气候环境的演变，包括元古宙的两次增氧作用、显生宙的降碳作用等，从而使得地球向适合人类生存的宜居方向演化。不仅如此，地质微生物与板块构造的相互作用还进一步推动了地球历史上的生物演化，包括生态系统从单极向两极和三极的演化、从扁平向立体生态系统的演化，原核生物向真核生物的演化，以及显生宙动物多样性的演变等。地质微生物还通过板块构造影响深地系统，使得地球的深、浅系统进行双向联动和互馈，从而导致地球系统不断演变。在宜居地球的深部驱动方面，虽然涉及岩浆作用、火山活动和板块构造运动等诸多过程，但其中最为关键的是板块构造运动，它是地球区别于其他星球的关键所在。板块构造和地质微生物的相互作用通过一系列沉积物对深部圈层产生重要影响。实际上，有人甚至提出板块构造的启动也与地质微生物作用有关。综上，地质微生物与板块构造的联动驱动了地球系统的跨圈层相互作用、生命系统与非生命系统的相互作用，进而导致生命系统与地球环境系统的协同演化，并最终演化出适合人类生存的宜居地球。
生命与地球协同演化过程探索：以复杂生命早期演化为例http://videozh.cas.cn/masvod/public/2025/09/12/20250912_1993cb7cae0_r36_1200k.mp4
朱茂炎研究员中国科学院南京地质古生物研究所

地球作为已知唯一具有生命活动的星球，自生命出现以来，地球的演化与生命的演化就一直紧密相连，构成了一个协同演化的地球-生命系统(Earth-life system)。以生命系统演化为特征，40 余亿年的地球-生命系统演化史可以划分为差异明显的不同演化阶段，即(1)以原核单细胞生物为特征的早期缺氧地球，(2)以微体真核生物和简单多细胞真核生物为特征的低氧地球，和(3)以宏体复杂多细胞动物为特征的现代富氧地球。以动物出现为标志的现代地球-生命系统崛起于距今 6 亿年前后的新元古代-古生代之交，其复杂的演变过程已经被越来越多的研究所揭示。然而，当今学界对距今 6 亿年前的地球-生命系统演化过程的了解非常有限。其中，距今 18 亿~8 亿年之间的元古宙中期(“沉寂的十亿年”)的地球-生命系统演化问题，成为当前地球科学界和演化生物界共同关注的热点。例如：以多细胞真核生物为特征的复杂生命起源于什么时间？是什么原因阻滞了复杂生命在元古宙中期的兴起？元古宙中期地球的缓慢演化是真实的吗？等等。针对这一基础前沿科学问题，本报告首先简要介绍当前学界有关真核生物起源和早期演化的模型，以及元古宙真核生物已有的化石记录，重点介绍近年来我们在华北燕山地区 16 亿前后古-中元古代地层中发现的、全球最早的微体和宏体多细胞真核生物化石，结合生物标志化合物和分子系统学等方面的最新研究进展，认为冠群真核生物的起源早于 16 亿年前，较广泛接受的模型提前了约 6 亿年之久。同时指出，真核生物在起源之后不久就发生了“多细胞化”演化事件，这将改变之前将其作为生命演化史上一个难以跨越的鸿沟的固有认识。在此基础上，分析探讨多细胞真核生物早期演化过程和推迟兴起的原因，以及在元古宙中期地球-生命系统演变这一研究领域中需要重点关注的科学问题。
碳酸盐岩俯冲再循环岩浆作用及其表层地质效应http://videozh.cas.cn/masvod/public/2025/09/12/20250912_1993cb3ab9e_r36_1200k.mp4
刘勇胜教授长江大学

在地质历史时期以及一些正在发生俯冲作用的海沟中存在大量碳酸盐岩。板块俯冲过程中会有大量碳酸盐岩和其他物质一块进入地球内部，从而打破地球内部的物质平衡而可能诱发熔融作用等，同时也会破坏地球表面的碳平衡而影响表生地质作用。因此，俯冲带碳循环不仅是影响地幔物理化学性质和不均一性的重要因素，也是调节大气 CO 2 浓度、影响全球气候变化和维持地球宜居性的关键因素。我们对华北克拉通北缘及邻区含金刚石碳酸盐岩捕虏体、碳酸盐岩侵入体和碳酸盐岩脉进行系统研究，构建了沉积碳酸盐岩通过俯冲带发生地球深部再循环后形成火成碳酸岩的历史。发现沉积碳酸盐岩再循环形成的火成碳酸岩会保留沉积碳酸盐岩大部分特征(如 REE、LILE 组成以及 Sr 同位素)，但俯冲带发生的脱碳作用会导致这种成因碳酸岩出现显著的碳同位素负偏现象。埃迪卡拉纪晚期的碳酸盐岩地层具有地球历史上最显著的碳同位素负偏特征。低温地球化学家将这些碳同位素负偏现象解释为溶解有机质氧化的结果，或者形成于成岩或自沉淀过程。这些成因解释面临一系列挑战，包括(1) C 同位素变化幅度大；(2) 地层 δ 13 Ccarb 不对称变化；(3) 沉积速度极快；(4) 地层内部δ 13 Ccarb 存在微米尺度极大变化；(5) 碳酸盐 Corg-Cinorg 无相关性，但在许多剖面上 C-O 同位素强相关；(6) δ 13 Ccarb 负偏碳酸盐稳定的 Ce 异常；(7) 出现指示高温作用的矿物组合。低温化学沉积作用难以解释这些特征的形成，但俯冲碳酸盐岩再循环相关火山沉积作用可以很容易予以解释。因此，埃迪卡拉纪晚期具有碳同位素负偏的碳酸盐地层可能是碳酸盐岩俯冲再循环的表生地质产物，提供了地球深部碳循环和浅部碳循环之间的直接联系。
高精度地震学：建模、成像及应用
杨顶辉教授清华大学

由于地球内部的不可入性，使得人类认识地球结构、物质组成、深部过程和演化机制长期面临重重挑战。地震学是迄今为止对地探测深度最大、分辨率最高的非侵入式探测的主流技术方法，它不仅为人们提供了有关固体地球层圈结构的基本认知，而且也是支撑能源和资源勘探开发、工程勘察、防震减灾的利器。自19 世纪早期以来，地震学发展主要经历了基本理论奠基、观测与理论初步结合、定量地震学的提出与发展等多个阶段。当前，地球及行星奥秘的探索、深地空间及能源资源的开发利用、自然灾害的预防及减轻等广泛重大需求，为地震学的发展带来了新的机遇与挑战。本报告将通过回顾地震学的发展历史，提出高精度地震学。其次，分别从复杂介质建模、波动方程快速高精度求解、全波场信息利用及全局优化等地震成像的若干关键环节，系统阐释高精度地震学的科学内涵、研究现状与科学前沿，重点涉及：(1) 多尺度、多物理机制耦合的统一数学-物理模型的构建；(2) 基于多物理场重构地震波场的、快速高精度数值求解波动方程的NAD 类算法；(3) 基于最优输运理论 Wasserstein 度量的全波形反演理论和方法；(4) 中国大陆典型构造域高分辨率速度模型及强震分布规律。最后，对高精度地震学的应用和发展前景进行展望。
地震储层预测与油气识别进展——从叠前反演到五维地震数据解释http://videozh.cas.cn/masvod/public/2025/09/12/20250912_1993cbddc51_r36_1200k.mp4
印兴耀教授中国石油大学(华东)

石油和天然气是保障国家能源安全的重要战略资源，地震勘探是找油找气最主要的技术。以二维、三维、四维(叠前三维)地震数据为基础的解释理论推动了油气储层预测技术的进步。三十多年来地震储层预测技术经历了从以地震属性、波阻抗反演为基础的定性预测发展到基于岩石物理的叠前地震反演为基础的储层预测和含油气性识别。报告首先介绍岩石物理驱动下地震流体识别研究的主要进展，阐明复杂储层油气地震识别的物理机制、制约地震反演精度的瓶颈、岩石骨架和孔隙与油气水解耦预测的理论方法。随着油气勘探开发不断向深水、深地、非常规等复杂油气领域推进，油气藏特征更加复杂，其中最为典型的裂缝型储层的预测及油气识别成为研究难点，为此，提出了五维地震(空间三维＋炮检距＋方位角)数据解释理论和方法。五维地震数据是在叠前空间三维的基础上又拓展了方位角维度，其丰富的方位信息为开展以各向异性介质为基础的裂缝型储层地震综合解释奠定了数据基础。针对复杂裂缝型油气藏多方位地震数据解释中存在的地震波传播机理不清、物理参数预测多解性强、地质信息解译精度低等关键问题，定义了五维地震数据概念，创建了耦合多种微观岩石物理机制的复杂油气藏五维地震岩石物理模型，推导了复杂各向异性介质弹性波近似解耦波动方程，建立了各向异性理论表征的多组裂缝型储层参数五维地震反射系数方程。通过定义五维视域地震几何属性，量化表征了五维数据的方位变化规律，创新了基于方位弹性模量椭圆各向异性拟合、傅里叶级数分解及逐级扰动理论的非均质储层裂缝参数五维地震预测方法，实现多维度信息融合的五维地震储层预测技术。

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第181次：地球科学研究：挑战与机遇