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学科讲座-沉积(岩石)学研究现状与进展

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学科 讲座 沉积 岩石 研究 现状 进展
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沉积(岩石)学研究现状及进展,,,中国矿业大学资源与地球科学学院,郭英海,E-mail: guoyh@cumt.edu.cn;gyhai@163.com,学科专题讲座——,,,沉积(岩石)学的研究现状沉积(岩石)学的发展趋势地球系统科学及其思想,提 纲,沉积(岩石)学研究现状,,,1、沉积环境与沉积模式研究 自20世纪70年代起,有关沉积环境与沉积体系的研究范畴几乎涉及从大陆到海洋、从浅水到深水的、当今已知的各种沉积环境,并且紧密结合矿产资源的勘探开发实践,开展了大量的、卓有成效的研究工作。 近30年来,对我国地史时期的沉积环境与沉积体系的研究几乎包含了所有已知的环境:冲积扇、河流、三角洲、湖泊、滨岸、生物礁、陆架、台地、缓坡以及重力流、等深流、深水牵引流、潮汐沉积、风暴沉积、地震沉积等,沉积环境与沉积体系理论得到了不断充实和完善。,一 沉积(岩石)学研究现状,,我国开展沉积环境与沉积模式研究的一个突出特点是紧密结合石油、煤炭、蒸发岩、磷块岩以及铝、锰、铀等矿产资源的勘探实际。经过多年的努力,其研究成果不仅已成功地应用于预测有利相带和指导勘探开路。 新生代含油气的湖泊沉积环境与沉积模式以及近海含煤沉积体系研究方面已位居国际先进行列。,海相,,海陆过渡,陆相,,,,,一 沉积(岩石)学研究现状,,一 沉积(岩石)学研究现状,,2、碳酸盐岩研究 碳酸盐岩在世界上分布面积广、厚度巨大,地时间延续长,是沉积学一个重要的研究领域。20世纪,由于寻找油气资源的需要,对碳酸盐岩的研究给予了极大的关注。因此,各时代的碳酸盐岩研究都获得了进步。 其主要研究方向为: 1)碳酸盐岩沉积相和微相分析; 2)碳酸盐岩成岩作用和油气储层的研究;,一 沉积(岩石)学研究现状,,3)碳酸盐岩生油潜力研究:通过地球化学方法确定其生油潜力和识别其油源岩,这对于寻找碳酸盐岩的油气至关重要; 4)碳酸盐岩事件沉积研究:如风暴岩、碳酸盐浊积岩; 5)碳酸盐岩层序地层学研究; 6)古代生物礁和新生代珊瑚礁的研究; 7)白云岩和白云石化成因的研究。,3、中国海海底沉积作用研究 近年来,中国海沉积作用的研究取得了显著进展,主要是: 1)随着海上定位技术和调查手段的不断改进,在渤海、黄海、东海已编制了1∶50万,局部达1∶25万沉积类型分布图;在南海可达到1∶100万至1∶50万精度。 2)从沉积学、矿物学和地球化学的角度详细地研究了沉积物的物质组成。发现并确定了海底新矿物及其分布、扩散的模式。 3)物源的性质和状况对海底沉积物有重要影响。对黄河、长江和珠江等河流的入海物质(含三角洲)的组成、入海后的扩散、影响强度等有了深入的研究。,一 沉积(岩石)学研究现状,,4)海底沉积作用与早期成岩作用的形成与变异都是在特定的环境下发生发展的。沉积物反映的环境记录促进了古环境的研究。但是,目前研究的时间尺度多半是在晚更新世以来。 5)对浊流沉积、火山沉积、潮流沉积、风沙沉积、风暴沉积、三角洲沉积以及珊瑚礁沉积等一些特殊类型的沉积物都做了程度不同的研究。 6)陆架沉积模式的研究。近年来不断出现一些新的学术观点,例如强调水动力因素控制作用的沉积动力学模式;根据上升流的海底区为细粒沉积的事实,提出“冷涡沉积”以及“通道沉积”;陆架沙漠化的模式等。,4、储层沉积学的发展 储层沉积学脱胎于储层地质学,是沉积学与储层物理学、储层地球化学等相互交叉综合产物。它是以沉积学理论为基础,对储层古地理、沉积相、成岩作用、孔隙演化及其与储层发育、演化及其分布之间的关系进行研究,进而为有利储层的勘探和预测提供科学依据的边缘分支学科。 长期以来,储层储集性的不均一性和差异性一直构成储层研究和勘探的最大障碍。目前,在能源研究由勘探转向提高油气回采率的新形势下,储层沉积学引起极大关注并开始迅速发展。 研究重点对象就是储层不均一性和差异性及其控制因素。,一 沉积(岩石)学研究现状,,重点研究内容: a.成岩作用及其模拟在储层沉积学研究中的应用(成岩储层沉积学)。包括三方面:储层定量化模拟——储层孔隙度和渗透率及其变化的模拟;储层流体动力学研究——流体运移及物质平衡模拟;化学热力学研究——化学反应及物理平衡模拟。 b.古岩溶学、有机地球化学、矿物包裹体学在储层沉积学中的应用。 c.成岩作用与孔隙演化的关系; d.储层物性与产能的关系; e.裂缝性储层沉积学的发展。 f.综合成因储层沉积学的发展。 g.储层描述。,一 沉积(岩石)学研究现状,,5、大地构造沉积学的发展 亦称为构造沉积学、板块沉积学、造山带沉积学、构造地层学、沉积大地构造学、构造论岩相古地理或构造沉积组合等。 大地构造沉积学是大地构造学(确切地说是板块构造学)与沉积学相结合的产物。它是以板块构造学和沉积学的基本原理为基础,从宏观和整体的角度,对沉积盆地的大地构造背景、形成条件、成因及其机制和演化历史以及沉积作用过程进行研究的边缘学科。 它以各种大地构造背景(克拉通板块被动大陆边缘、活动大陆边缘和大洋岛弧沉积区)的沉积岩为主要研究对象。,一 沉积(岩石)学研究现状,,板块边界类型——包括离散环境、聚敛环境和转换环境,一 沉积(岩石)学研究现状,,按板块构造理论,全球的地球表面可划分为若干个板块,如欧亚板块、南太平洋板块、北太平样板块、印度一澳大利亚板块、北美板块、南美板块、南极洲板块等,这些板块由聚敛、离散、转换等边界所分隔。,,一 沉积(岩石)学研究现状,地球动力学,分类指标,盆地所处地壳性质;陆-洋-过渡壳,相对于板块边缘位置;板内-板缘-缝合带,成盆板块边缘性质;活动-被动-转换-碰撞,地壳动力过程;裂陷、拉伸、挠曲、 挤压、伸展、平移,,有机地球化学,充烃因素(含地热史)低-正常-超,运移因素(孔隙度和渗透率),圈闭因素(封闭),含能源盆地——是大型沉积盆地的一部分,,平面上,垂向上,,,以板块构造学为基础的沉积盆地分类,一 沉积(岩石)学研究现状,,,沉积盆地分类(Klein,1990),大西洋的海底地形,5、大地构造沉积学的发展 大地构造沉积学主要研究对象具有如下基本特点: a.属宏观沉积学范畴,以“活动论”为指导思想; b.强调板块构造对盆地沉积作用的控制意义; c.强调板块构造背景与沉积作用的对立统一性; d.强调不同大地构造条件下沉积盆地类型及其成因地层格架的差异性; e.强调前陆与断陷盆地中幕式沉积作用与板块构造周期性活动的关系; f.注重活动大陆边缘海平面变化与板块构造的关系及其对沉积作用的控制。,一 沉积(岩石)学研究现状,,5、大地构造沉积学的发展 研究内容主要包括: a、盆地所处的大地构造背景及其对盆地形成、演化的控制作用; b、不同大地构造背景下沉积盆地古地理、沉积环境和相、沉积过程、地层格架、层序及海平面变化; c、编制体现大陆变形和地体运动的不同级别的活动论岩相古地理图; d、重建基于板块理论的沉积岩石学方法和标准。,一 沉积(岩石)学研究现状,,研究目的: 通过对不同大地构造背景下沉积盆地的形成演化以及沉积作用过程的动态模拟,借以认识地壳演化特征,并对相关矿产资源(如石油、煤和天然气等)进行评价和预测,从而达到指导人类宏观经济活动之目的。,6、事件沉积学的发展 随着GSGP(全球沉积地质计划)、CREC(白垩纪地质记录与全球地质作用、资源、韵律和事件)和PGP(联合古陆计划)的提出与实施, 20世纪80年代“灾变论”复活,事件沉积学与事件地层学已发展成为新兴边缘学科。认为风暴及其他类似突发沉积事件、季纹泥沉积物、不整合事件或沉积物漫流面事件、大洋缺氧事件、大洋分层事件及海洋环流事件是一种区域性甚至洲际性事件。,一 沉积(岩石)学研究现状,,另外,磁极倒转事件、气候突变事件、构造巨变事件、全球海平面上升事件、星球撞击事件、凝灰沉降事件、全球冰川事件、全球生物事件(革新、辐射、播散及绝灭事件)、全球化学事件以及包括陨石在内的其他事件等已经确认为全球地质事件,目前成为地学研究的热点。,上述事件沉积记录中,记载着有关地球和太阳系统甚至其他宇宙系统有关物理、化学及生物演化过程中灾变事件信息。因而事件沉积学的发展不仅对地球、生命的起源和演化研究带来巨大冲击和突破,而且对研究和预测全球环境变迁、全球水文循环和全球气候变化等,具重大的现实意义。,美国科学家纽维尔统计了显生宙海洋和陆地无脊椎动物化石分布资料,发现有6个绝灭高峰。元古宙末(650Ma)寒武纪末(495Ma)奥陶纪末(435Ma)晚泥盆世弗拉斯期末365Ma二叠纪末(251Ma)三叠纪末(203Ma)白垩纪末(65Ma),地史上海生和陆生动物科一级的兴衰曲线(N.Newell,1962,1967),显生宙以来的生物绝灭事件,一 沉积(岩石)学研究现状,,二叠纪末的集群绝灭,是显生宙中规模最大的一次生物绝灭事件。 科的数量减少了52% 种的数量减少了90% 我国华南地区二叠纪末,7个海洋生物门类的212个属中,绝灭160属。绝灭率高达75%。种一级绝灭率多数达95-100%! 原因:火山大爆发,大规模海退,缺氧事件,陨石撞击、地球各圈层之间的异常相互作用事件、全球联合古大陆的形成。,一 沉积(岩石)学研究现状,,美国阿佛雷兹父子(J.Alvarez,1980)利用高灵敏度的放射化学中子活化分析的方法,在意大利、丹麦等地的白垩纪和古近纪的界线粘土层发现依异常,比相邻的岩层高30倍。界线粘土层厚30cm,形成时间2-3万年。,一 沉积(岩石)学研究现状,,7、全球旋回地层学的发展 全球旋回地层学是指对由全球海平面变化、全球气候波动、全球构造运动、全球古地理背景和全球沉积过程综合作用形成的产物——全球旋回地层进行研究的沉积学分支。 是沉积学与古海洋学、全球大地构造学、古地理学、古气候学等相互渗透交叉综合的产物。亦称全息地质学。,一 沉积(岩石)学研究现状,,它在强调古气候、各种事件及地球动力学条件在沉积作用中的意义的同时,还承认沉积记录及其中矿产资源分布的全球同时性。 其宗旨是通过再造全球旋回地层模型和年代地层格架,对全球不同演化时期古气候、古地理、古环境、沉积作用和成矿序列以及生物界各种事件的起源、演化过程进行动态模拟,从而有效地指导全球找矿勘探、合理开发、利用和安排全球自然资源。,8、实验沉积学的发展 随着显微技术、波谱、色谱、核分析、热分析、电子和和计算技术等各种测试技术的广泛应用,沉积学理论体系和研究领域发生了重大变革,出现了实验沉积学、模拟沉积学和定量沉积学等新的边缘学科。 实验沉积学是指以野外宏观沉积学为基础,利用各种仪器设备和技术方法对沉积岩微观领域进行观察、测试和分析,从而对各种沉积学现象进行解释的交叉学科。,一 沉积(岩石)学研究现状,,8、实验沉积学的发展 实验沉积学作为沉积学高度发展和高新技术应用的综合产物,它使沉积学研究的深度、广度和成效大大提高。它摒弃了定性和描述性研究,注重定量统计、成因规律和机制模拟等方面的研究。 研究内容及途径是: a.对沉积岩物质构成(矿物成分、化学成分及有机组分)和组构(粒度分布及概率、颗粒形态、表面结构、排列方式、填积型式和孔渗分布特征等)进行观察、测试和分析,提供定性-定量资料和数据;,一 沉积(岩石)学研究现状,,b.对所获得资料和数据进行分项整理、参数计算、统计观察,并绘制相关图表; c.对处理结果进行综合分析,并与野外宏观实测资料进行对比验证,从中寻找其相关性和规律性; d.在综合分析之基础上,对沉积岩分类、成因、岩相、古地理、环境、盆地、成矿关系进行合理解释和模拟; e.对沉积岩搬运、沉积、成岩及孔隙演化史进行运动学、动力学、热力学等方面的定量模拟,建立相应模型; f.对相关矿产、能源及地下水的形成、演化及分布进行动态模拟; g.指导找矿及油气勘探活动。,9、沉积盆地分析 沉积盆地是沉积地壳上最基本的单元之一,其中的沉积物记录了海陆变迁、构造格局演化及其周围环境相互作用。沉积盆地分析作为当代地质学热点和前缘,汇聚了许多学科的最新进展。近年来,我国沉积盆地分析基本上在三个不同侧面进行开创性的工作:,一 沉积(岩石)学研究现状,,(1)沉积盆地分析已进入动力学研究阶段,即多学科结合揭示盆地演化的动力学过程及其与岩石圈和地幔深部过程关系。 (2)沉积盆地演化与周边的造山带耦合关系研究进一步深化,特别是前陆盆地的研究。 (3)盆地的定量动态摸拟已经成为沉积盆地分析研究不可缺少的手段,高技术手段得到进一步掌握和运用。,叠(复)合盆地和原型盆地:沉积盆地自太古代至新生代的整个地质历史长河中经历了形成、消亡、再形成的多旋回的演化。在地层记录中有多个盆地的叠复。 单一的盆地又称原(单)型盆地,多个盆地的叠置形成叠(复)合盆地(朱夏,1980) 。它们为重要的地层间断和构造变革事件所分隔。不同的原型盆地形成和演化与其同期的构造作用等有关。,塔里木叠合盆地层格架,,一 沉积(岩石)学研究现状,10 煤沉积学研究现状与动态 统计资料表明,自上世纪80年代末以来各国发表的有关煤炭地质研究的论文呈明显的下降趋势,这反映了当前国际煤炭工业的不景气。但是在过去的10年内,含煤沉积研究的进展和发展令人瞩目。 (1)对现代泥炭沼泽的大量调查结果使人们对成煤沼泽类型与成因及其各种控制因素之间的关系有了进一步的了解; (2)沉积相分析中加强了对煤层本身的研究,冲破了以往只侧重于其顶、底板岩性分析的局限性;,一 沉积(岩石)学研究现状,,一 沉积(岩石)学研究现状,,(3)煤岩学的理论与方法已扩大到了石油、天然气和沉积物中分散有机质等研究领域,并取得了一系列进展。 (4)煤层甲烷气勘探和工业性开发的成功,扩大了煤炭地质学范畴; (5)层序地层学原理和方法已广泛地应用到了煤盆地分析和全球煤炭资源评价。但在有些方面不能简单地采用层序地层学方法,因为煤系往往是以非海相沉积为主的。 “多层叠置煤层气系统”与层序地层关系。,10 煤沉积学研究现状与动态,10 煤沉积学研究现状与动态,一 沉积(岩石)学研究现状,,(6)开展含煤岩系(含煤盆地)和含油岩系(含油气盆地)的综合研究。如煤、油气的形成和分布规律及其共生关系、含煤岩系中烃的主要贡献者是煤还是碳质泥岩,以及有关煤成油理论和实践等问题。,(7)在层序地层学研究中,对华北、华南、西北各地区含煤岩系Ⅲ级地层层序开展了普遍的研究和探讨,Ⅳ级或Ⅳ级以上的高分辨率层序的划分及建立高频层序地层格架的报道尚不多见。,10 煤沉积学研究现状与动态,一 沉积(岩石)学研究现状,,(8)对我国煤系高岭岩(土)、镓矿床的形成机理、地质和地理分布、资源评价和开发利用等方面开展了系统调查、研究,并获得显著成果。 (9)含煤岩系沉积学与岩石(土)力学和采矿工程学的结合。上世纪80年代以来, 开展了沉积岩(体)的工程地质力学性质研究,通过实验室分析、测试,提出了合理的支护对策,使复杂的工程设计与施工管理更趋于合理与可靠,拓宽了煤系沉积学在采矿工程的应用。,地震沉积学是以高精度三维地震资料为基础,以精细沉积学模式为指导,通过综合应用地球物理技术方法,在等时地层格架内研究沉积体系分布特征及其演化的一门学科。 在地球物理技术方面,是一种新的可以自动追踪所有的等时沉积界面、基于导向体的地层切片生成方法及频谱分解中的时频分析技术。 应用地震沉积学进行沉积、构造和储层的一体化研究,进行有利区带和储层预测的新思路。,11 地震沉积学测井沉积学,一 沉积(岩石)学研究现状,,岩相古地理图(综合成果图。反映沉积边界、母岩性质、古水流向、物源方向、海侵方向、沉积相带、沉积中心、沉降中心、典型沉积相序列、砂体和砂岩富集区、以及生储油有利地区等); 指导思想与编图方法 ——活动论与固定论 ——岩比图法、相比图法、优势相法、单因素分析综合作图法,三 室内工作与综合编图,,12 古地理编图,沉积(岩石)学发展趋势,,,长期以来,地球科学的作用主要是通过研究地球指导寻找矿产、能源和地下水等自然资源,以保证人类和社会发展的需求,即所谓的地球科学发展过程的矿产型时代。 在进入21世纪时,面对人口、资源、环境等的全球性问题这些严峻挑战,地球科学除发挥原有作用外,尚需帮助解决社会发展中面临的诸如资源短缺、环境恶化及全球变化等重大问题。沉积学作为地球科学的主要基础学科之一,其重点和前沿将围绕资源、环境、灾害和全球变化四个主题展开。,二 沉积(岩石)学的发展趋势,,第31届国际地质大会(2000年8月6日~17日在巴西的里约热内卢 )与沉积学相关的论文及摘要200余篇。当代沉积学研究的最新进展与发展趋势,主要包括:碎屑岩、碳酸盐岩及混合沉积的环境变化及其演变;沉积盆地分析与大地构造沉积学;层序地层学;冰川事件沉积学;全球变化沉积学;环境沉积学;资源沉积学;生物礁及白云岩成因;碳酸盐岩成岩作用等。 现代沉积学研究向多学科交叉渗透、多种高新技术的引用和多领域应用的方向发展,未来沉积学研究以人类的生存与发展所依托的环境、气候和资源为服务对象,展示了旺盛的生命力和美好的未来.,二 沉积(岩石)学的发展趋势,,1、资源沉积学 资源沉积学是资源科学与沉积学之间交叉学科。按研究内容、范围及重点,可分传统资源沉积学和现代资源沉积学。 传统资源沉积学是指对各种地质矿产、能源矿产及地下水资源等的矿源层(或烃源岩)、含矿岩系(或储层)和含水层等进行沉积学研究,并了解成矿地质背景、成矿条件、成矿过程及其与古地理、沉积相和成岩作用之间的关系,进而对矿产的时空分布规律进行预测的一个沉积学分支。它是沉积学在找矿、煤田及油气勘探活动中应用的产物,属“矿产型”资源沉积学。 现代资源沉积学的研究重点主要包括资源与环境生态之间的关系,研究内容涉及资源、环境、生态、社会以及它们之间的相互关系。其目的是为资源生态、资源经济、资源管理以及区域资源开发战略等提供背景资料和科学依据。,二 沉积(岩石)学的发展趋势,,2、环境沉积学 环境沉积学是利用沉积学的数据、原理及研究方法,研究人类活动与沉积环境相互作用、相互制约的关系,用以解决人类开发利用自然环境所碰到的和可能引起的与沉积学相关问题的学科。它的目标是探求防治对策,促进社会、经济的持续繁荣与沉积环境保护的协调发展。 随国际地圈生物圈计划(IGBP)、国际减灾十年计划(IDDR)和全球环境变化中的人类因素计划(HDP)等重大国际计划的提出和实施,环境沉积学应运而生并得到迅速发展。 目前,环境沉积学以现代沉积物或现代沉积环境(如海洋、湖泊、河流、冰川、沙漠、水库等)中沉积物来源、搬运、沉积、压实、胶结及成岩作用为研究基础,主要通过与生物学、生态学、土壤学、第四纪地质学、环境科学和社会科学的交叉综合,围绕人地作用、人口、经济、资源、环境的协调持续发展开展研究。 按环境不同环境沉积学可分为河流沉积学、湖泊沉积学、冰川沉积学和海洋沉积学等;按研究领域可分为灾害沉积学(人为灾害和自然灾害沉积学)、水动力沉积学、生态沉积学和气候沉积学等。,二 沉积(岩石)学的发展趋势,,2、环境沉积学 在21世纪,研究重点和目标亦将发生转变,主要表现在: (1)环境沉积学研究已经从环境地质背景的调查分析,发展到为解决实际规划和设计决策提供定量和最优化评价科学依据的新阶段,重视对各种环境沉积过程和环境效应的定量预测; (2)地下水资源和水环境作为环境沉积学研究的核心问题之一,其研究重点将由水资源勘查为主转入注重地下水与大气降水的相互关系,并重视水质和污染研究; (3)地质灾害作为环境沉积学研究的一项重要内容,研究重点将由地质灾害发生的地质背景、过程及机理研究,转向预测、防治和减灾,重视自然灾害系统的规律和防治研究。 未来的环境沉积学必将围绕着环境保护、遏止日趋严重的环境恶化方面发展。,二 沉积(岩石)学的发展趋势,,3、大陆动力沉积学 作为大陆动力学和沉积学相互渗透综合的产物,它以大陆动力学和沉积学理论为基础,探讨与造山带相关的沉积盆地的形成机理和发展演化。并借以了解岩石圈、地幔、生物圈、大气圈和水圈之间的相互关系。 研究的主要内容和任务: a.造山带与盆地的同步演化史研究; b.造山带与相关盆地岩石圈的圈层结构及其相互作用研究; c.流体作用与盆山系统形成演化的耦合关系研究; d.造山带升降和沉积盆地沉降的定量研究;,二 沉积(岩石)学的发展趋势,,3、大陆动力沉积学 e.造山带的揭顶作用与相邻盆地层序地层格架和充填序列研究; f.协助研究大陆组成、特征、形成及演化; g.地震及板块边界相互作用以及火山系统与沉积盆地演化的关系; h.定量确定并模拟巨厚的大陆边缘沉积堆积的过程; i.陆壳变形与陆内沉积物充填及变形关系; j.岩石圈变形和变位过程对全球气候变化的影响; k.沉积盆地形成过程的动力学模拟; l.了解地壳与水圈和大气圈之间的物理化学过程; m.大型沉积盆地内热和水动力演化; n.深部过程对浅部构造、成矿、沉积过程的控制。,二 沉积(岩石)学的发展趋势,,4、全球变化沉积学 全球变化沉积学为全球变化地质学的重要分支,是以现代沉积学理论为基础,结合气候学、第四纪地质学、环境沉积学、灾害沉积学、资源沉积学、生态学、生物学、水文学、物理化学等自然及工程学科,对沉积记录中近2Ma来有关气候、环境等全球事件的成因、过程及后果进行研究,为预测未来可能的全球变化提供科学依据的交叉边缘学科。 沉积记录中蕴含着过去全球变化的信息。近年来,通过深海沉积、冰芯、黄土、古土壤、湖泊及河流沉积等研究,进一步验证了近2Ma来地球气候主要受轨道参数控制的米兰科维奇理论;并把这一理论推向前第四纪的全球变化研究,使得全球变化再造研究越来越重视地表变化、海陆分布、地壳隆起、火山活动、大气环流和洋流等多种因素对地球气候和环境的影响。,二 沉积(岩石)学的发展趋势,,4、全球变化沉积学 在21世纪,全球变化沉积学研究范围将扩大,表现在: a.地球气候历史的高精度再造; b.近2Ma来古气候和古环境再造; c.非轨道力驱动旋回研究;d.全球水文循环与气候旋回的相互作用及其效应; e.古大气圈、生物圈及水圈演化及其动态模拟; f.米兰科维奇气候旋回过程的动态模拟; g.温室-冰室气候作为全球碳物质循环变化响应的检验; h.可能的全球变化预测。 目前,随着GSGP(全球沉积地质计划)、GCP(全球变化计划)、WCRP(世界气候研究计划)、HDP(全球环境变化中的人类因素计划)和IGAC(国际全球大气化学计划)等重大国际地学计划的不断实施,沉积学有可能再次进入繁盛时期。,二 沉积(岩石)学的发展趋势,,沉积(岩石)学作为一门地质学的学科,还有许多现象和规律目前没有被认识。随着现代社会的发展,社会对沉积学的需求呈现愈加迫切的趋势,沉积学的几乎每一个研究领域,都与社会发展密切相关。 在21世纪,除层序地层学、储层沉积学、全球古地理、盆地分析、定量沉积学等不断发展和完善外,更重要的、新的分支学科将飞速发展。,二 沉积(岩石)学的发展趋势,,地球系统科学及其基本思想,,,1、思维方式的变化:整体性研究思想,一 20世纪后期到21世纪初,地球科学的特点,,1、从学科纵向深入发展转到了学科交叉、横向发展,从固体地球科学(Geoscience)转向了行星地球的地球科学(Eearh Science)的系统科学; 2、从增加地球知识、侧重资源开发时代,转向增进地球认识、为人类社会、经济可持续发展服务时代; 3、科学研究的时空尺度在扩大,局地、区域、全球的认识彼此联系; 4、高新技术在分析测试、观测监测、计算机模拟中得到了日益广泛的应用,“上天、入地、下海、探极”,地球科学作为大科学研究的舞台愈加宽阔。,一 20世纪后期到21世纪初,地球科学的特点,,1、思维方式的变化:整体性研究思想,2、研究对象时空尺度变化:展望全球与预测未来,时间:既面向过去,也面对未来,从其过去的历史、现在的状态预测未来的发展趋势,形成“了解地球系统的过去、现今和未来的行为”。空间:由过去侧重于局地现象的认识,转向对该现象区域性、全球性的表现、影响、过程与动力学机制的模拟研究。思维:正在从局部观向整体观拓展,由线性思维走向复杂性思维,从注重分析转变为分析与综合集成相结合,研究者的视野越来越宽阔。,一 20世纪后期到21世纪初,地球科学的特点,,3、研究内容的变化:为社会发展服务,可持续发展观:努力寻求一条人口、经济社会、环境和资源相互协调的、既能满足当代人的需求而又不影响后代人需求的的道路。科学发展观:全面、协调和可持续的发展观。坚持以人为本(核心内容);促进全面发展(重要目的);保持协调发展(基本原则);实现可持续发展(重要体现);实行统筹兼顾(总体要求)。地质学科变化:在以学科为导向研究的同时,出现了以问题为导向的跨学科研究。研究重点、学科结构也发生了变化,如地质学研究已从“找矿型”向“社会型”转变。,一 20世纪后期到21世纪初,地球科学的特点,,4、研究形式的变化:多学科的综合性研究,现代科学技术发展史,是各学科不断相互交叉、渗透并产生新学科的历史。科学上重大突破,新的生长点乃至新学科的产生,常在相邻学科彼此交叉和相互渗透过程中形成。特别是地学中“以问题为导向”的研究更体现了这一点。气候变化最新认识。气候变化不仅仅是由大气层的内部热力、动力过程而产生,还包括了大气圈、水圈、冰雪圈和岩石圈所构成的地球气候系统中各圈层相互作用的结果,而且与生物圈、人类活动有很大关系。因此,气候系统动力学与气候预测研究涉及到大气科学、海洋科学、地理学、水文学、地球化学、生态学等地学各分支学科,同时与物理学、化学、生物学、计算数学等也有密切关系。 那么,要预测全球气候变化,必须以多学科、跨学科的形式进行科学研究。,一 20世纪后期到21世纪初,地球科学的特点,,5、组织形式的变化:国际化与合作研究,重大地球科学研究突破依赖于国际性研究计划:例如,世界气候研究计划(WCRP),国际地圈生物圈计划(IGBP),全球环境变化的人文因素研究计划(IHDP),国际生物多样性计划(DIVERSITAS),国际岩石圈计划(ILP),国际减灾十年计划(IDNDR)等。近年来,中国科学院先后建立的一些联合研究中心,如水问题研究中心、区域持续发展研究中心、灾害问题研究中心等也是这种跨研究所的多部门联合研究组织形式的具体体现。,一 20世纪后期到21世纪初,地球科学的特点,,6、信息交流的变化:地球信息科学的诞生,首先,信息(交流)已与物质(迁移)、能量(交换)一道成为地学现象过程研究的主要问题之一。其次,地球信息科学(geoinformatics)这一新概念的出现,标志着在地球科学范围内形成了由测绘学、摄影测量与遥感、地图学、地理信息系统、计算机图像图形学、卫星定位技术、专家系统技术及现代通讯技术等有机结合的又一跨学科优先研究领域。地球科学发展中涉及的上述两个方面,目的是用各种现代化方法获取、存贮、处理、显示、传播和应用与地理和空间分布有关的地学数据,虽多为数据信息,但也给地学研究提出许多新问题、挑战与发展机遇。,一 20世纪后期到21世纪初,地球科学的特点,,7、方法手段的变化:高新技术的应用,观测探测:航空航天遥感,超深钻技术,深潜技术,地球层析成像,全球数字地震台网,全球定位系统等,共同构成了向海陆空和地下深部进行全面探测的技术体系。模拟与实验:高温高压大腔体设备,同步辐射技术,精密测定技术,模拟分析方法,计算机技术等,全面描述和研究地球介质的物理、化学性质及条件的能力。测试与分析:高灵敏度、高分辨率、自动化仪器分析的技术,精度10-19~10-21g。如,纳米地质学/矿物学与TSEM。数据计算与信息处理:大型计算机设备,GPS、RS、DIS一体化,自动化、数字化处理数据的能力。效果:提高了取得第一性资料的质量和效率,提供了更多事实依据,促使一些新思想和新理论的诞生。,一 20世纪后期到21世纪初,地球科学的特点,,涉及学科:以地球科学和系统科学为基础,涉及众多自然科学和人文社会科学的学科领域。驱动力:强调从整体统一的角度出发,把太阳和地核作为两个主要的自然驱动器,人类活动作为最活跃的第三驱动力。主要特点:规模空前宏大,跨学科、跨部门合作与国际化、统一化、网络化组织形式;地球系统研究将不仅使人类在认识地球方面更为深刻,而且使人类进入了“维护地球”的阶段;把地球系统作为一个统一的整体进行研究,促进了地球科学的发展。,二 理论框架,,1、基本概念,系统:相互作用的多元素的复合体。兼具多样性和统一性的两个特点。地球系统:不存在没有任何内在相关性的事物群体。地球系统科学: 狭义上,为解释地球动力与演变和全球变化,对组成地球系统各部分、各圈层相互作用机制综合研究的一门科学。 广义上,跨越一系列自然科学和社会科学领域,把地球各圈层(包括智慧圈)和行星系统看成统一系统,研究各组成部分相互作用,了解地球系统的过去、现在及未来。研究范围:领域,层次,整体与局部。整体涌现性:高层次(整体)才具有,而低层次(孤立部分及其加和)所不具有的特征。,二 理论框架,,2、分类与学科分支,当代最前沿的科学阵地。新的自然科学理论:突变论、耗散结构论、协同论与超循环论等。,二 理论框架,,1)地球是一个开放的动力系统,地球是一个巨大的系统,地球系统科学就是要从整体的观点出发,研究地球这个系统内各子系统,即各圈层内部和圈层之间的运动变化的全过程、形成机制以及可能发生的变化趋势。,自地球诞生以来,整个系统与周围环境之间一直发生着质量、能量和动量的交换。地球是一个耗散系统,绝非一个封闭系统。,3、基本观点,二 理论框架,,地球上的物质都在运动,而物质的运动都具有一定的速度、一定的演化过程,并有一定的动力学机制。,地球的各圈层——地核、地幔、地壳、生物圈、水圈、大气圈是相互作用的。意味着各圈层之间发生着耦合与解耦作用。耦合作用是指两个系统通过相互作用彼此影响以至联合起来的现象;解耦作用指通过互,2)地球各圈层之间发生着相互作用,相作用之后,两体系解除耦合关系,仍分别各具特色、自成体系的现象。不仅相邻两圈层之间可以互相作用、互相影响,而且相隔甚远的圈层其实也可能以某种形式互相影响着。,2004年12月26日印度洋地震海啸,并造成巨大财产损失和人员伤亡,是地球各圈层间相互作用的结果,二 理论框架,,3、基本观点,印度洋地震是海底地质板块猛烈滑落所致。 地震发生在两个厚重地质板块相互剧烈挤压的地点。印度洋板块逐渐受到苏门答腊地下板块的挤压,苏门答腊属于欧亚板块一部分。挤压速度近似于人类手指甲生长的速度。 地壳板块互相猛烈挤压,在海底造成一个高10米、长1200公里的隆起地带。这就像在海底划动一支巨大的桨……一个数十亿吨的巨大水柱在移动。这是巨大的搅动。,印度洋发生地震海啸,中间凹陷部门为印度洋大地震给海床烙上的“伤疤”,二 理论框架,,3)地球经历着由简单到复杂、由低级到高级、不可逆的进化过程,宇宙中地球各圈层——地核、地幔、地壳、生物圈、水圈、大气圈,都是在相互作用的条件下,不可逆地进化发展而形成的。自从地球形成后,这些圈层就一直处于不断由简单到复杂、由低级到高级的演化发展之中。,人类系统的演化过程,二 理论框架,,3、基本观点,地球的变化,并不是匀速、线形发展的,表现为相对匀速变化与突变(灾变)交错相间的特征。 地球是一个均变(连续变化、量变)与灾变(间断式变化、质变)相继、有序与无序相间、平衡与不平衡相替的复杂系统。,4)地球是均变与灾变交替进行的复杂系统,地史上海生和陆生动物科一级的兴衰曲线(N.Newell,1962,1967),二 理论框架,,3、基本观点,地球上许多运动变化常可存在一定的周期性,周期有长短,并且都是非线性的变化的周期。各种时间尺度的周期还可互相叠加、互相影响,是周期性表现出十分复杂的演化过程。,5)地球可具有各种时间尺度的周期性演化,地质学研究的不同尺度,二 理论框架,,3、基本观点,21世纪,三个方面主要研究内容:地圈—生物圈系统动力学:研究人类赖以生存和发展的环境的变化规律和机制,预测环境变化趋势,探索环境变化对社会、经济发展的影响,研究地球系统中水圈、岩石圈、生物圈、大气圈等的相互作用。大陆系统动力学:以大陆动力学为核心,把岩石圈研究与地球深部研究相结合,阐明大陆的形成、变形、裂解、迁移和控制的基本过程,壳幔相互作用、地块间相互作用、流体形成和动力学,超大型成矿作用,强调对地球化学循环过程和地球内部流体动力学的研究。人—环境系统动力学:从整体性和动态性角度,研究人口、经济、社会与环境和资源间相互作用,谋求它们间的协调统一,形成相互依存、相互促进和可持续发展的动态平衡系统,使资源得以充分利用,环境得以有效保护。,二 理论框架,,地球系统科学已形成若干学科分支,主要包括:(1)地球系统场:原理,基本类型,引力场,生态场等。(2)地球系统构造学:地球系统科学核心,统一构造场理论。(3)地球系统复杂性:系统结构,系统分类。(4)地球系统物质学:物质组成,形成演化规律,相互作用。(5)地球系统资源学:各类资源特征,如类型、质量、数量、分布规律、开采利用潜力、形成演化机理,预测方法等。(6)地球系统观测学与数字学:对地观测系统;数字地球模型,数字地球理论与技术方法,推动从定性向定量发展。(7)地球系统大气学:大气圈演化,动力学,气候预测预报。(8)地球系统水文学与海洋学(9)地球系统生物学(10)地球系统陆地学、环境学与灾害学(11)地球系统可持续发展,二 理论框架,,4、时间尺度,两个重要结论:一,行星尺度变化,是地球各子系统之间相互作用和反馈的结果;二,任何尺度变化,都包含发生在各种时间尺度上的地球系统过程之间的相互作用。,二 理论框架,,5、研究步骤,1)采集观测数据,即现象的观测和数据的积累;2)分析和解释,对观测数据进行分析和解释,从物理学的、化学的和生物学的规律出发,建立有关地球过程的定量关系;3)概念化和数值模式,在前两个步骤工作的基础上,建立概念模型和数学(数值)模型,或设计相关实验;4)验证和预报,验证模型或实验结果,并用模型来预测和预报未来变化的统计趋势。四个步骤并非循序渐进,而是以某种循环方式相互连接,并共用全球信息系统。特点:全球性和复杂性,针对性,多种基础学科和技术科学的综合,全球范围内科学家和政府之间合作。,二 理论框架,,当前,一些重大的国际计划正在进入其新阶段,我国地球科学的发展也需要进行中长期规划,探讨今后的发展方向对此有所裨益。我国地球系统科学研究与国际前缘的差距仍有拉大趋势,国际前沿许多热点问题在我国尚未提上议事日程,中国学者在国际计划中的贡献份额很少。为此,中国地学工作者应当扩大视野,立足本国,面向全球;注意国际前沿动向,促进地学与生命科学在分子水平上的结合;中国的地球科学应当从以描述为主向探索机理的方向发展。,
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