科研进展--中国科学院广州分院

该研究发现碳材料局部对称性与其活性呈现强相关性，即局部结构对称性越低，其催化活性则会增强。
　　电催化氧还原和析氧反应（ORR/OER）是水分解，燃料电池，金属空气电池，二氧化碳还原等一系列清洁能源技术的关键反应之一。同时加快氧还原（ORR）和氧析出（OER）反应，实现高稳定的双功能氧催化是实现可持续能量转化与存储的关键。目前最常用的方法是将具有ORR和OER催化活性的材料进行混合制备双功能催化剂，但是这种类型催化剂均一性较差，且难以对电子结构进行合理优化，导致活性和稳定性依旧欠缺。
　　北京时间3月31日，中国科学院深圳先进技术研究院碳中和所唐永炳、郑勇平团队成功研发出了一种双功能碳基高效催化材料，在《自然·可持续性》Nature Sustainability上发表了题为“High-entropy single-atom activated carbon catalysts for sustainable oxygen electrocatalysis”的研究成果。该研究发现碳材料局部对称性与其活性呈现强相关性，即局部结构对称性越低，其催化活性则会增强。通过引入高熵催化剂使碳材料局部对称性最小化，降低离域电子芳香性，从而激活碳骨架原本惰性的π-电子网络，增强了催化剂位点之间的协同作用，使中间态产物与催化位点的作用强弱适中，ORR/OER可逆过程更容易发生。
　　文章上线截图
　　原文链接
　　
　　该研究工作同时从理论与实验上深入剖析了对称性最小化在电催化活性提升方面的作用，将有助于开发高效、低成本的催化材料以满足特定的应用需求。有望在燃料（金属）电池，二氧化碳还原，氮还原等清洁能源领域，为催化材料的合理设计提供理论指导。该论文的通讯作者为中科院深圳先进院唐永炳研究员、郑勇平副研究员，论文第一作者为中科院深圳先进院博士研究生雷新、中国科学技术大学硕士研究生唐青云。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科技计划与中国博士后科学基金等项目的大力支持和帮助。
　　此外，唐永炳、郑勇平研究团队从理论计算与材料设计出发，结合实验研究，近期在能量转换材料设计方向取得了连续成果（Adv. Mater. 2023, 2300381; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202301711; Adv. Mater. 2022, 2202714）。
　　对称性与催化活性关系图
　　团队长期招聘具有材料计算、能源催化研究背景的博士后和研究生，有意申请者请将个人简历以邮件方式发送至yp.zheng@siat.ac.cn。
　　

2023-04-04

华南植物园鼎湖山站“氮沉降促进热带森林捕获大气碳”研究成果入选2021年度氮循环十大科学进展

4月1日， 2021年度氮循环十大科学进展于第四届氮素生物地球化学循环学术论坛开幕式发布。华南植物园鼎湖山站氮素生物地球化学创新研究团队的研究成果“氮沉降促进热带森林捕获大气碳”成功入选。鼎湖山站鲁显楷、郑棉海和禤映雪参加了会议，在学术论坛上，鲁显楷研究员做了“南亚热带森林氮素生物地球化学循环”的报告，展示了长期氮沉降如何驱动南亚热带森林氮素循环的最新进展。鼎湖山站鲁显楷研究员（左。上台接受颁奖。
　　
　　
　　4月1日，2021年度氮循环十大科学进展于第四届氮素生物地球化学循环学术论坛开幕式发布。华南植物园鼎湖山站氮素生物地球化学创新研究团队的研究成果“氮沉降促进热带森林捕获大气碳”成功入选。
　　基于长期定位研究，鲁显楷和莫江明研究员及其同事首次提供了过量氮沉降促进热带“富氮”森林土壤有机碳积累的直接证据，提出了氮驱动的土壤碳吸存假说。该成果可为全球变化下中国森林生态系统碳汇潜力评估与碳中和目标实现提供重要的决策基础。此次学术论坛线上、线下同步进行，总参会人数约15000人次。鼎湖山站鲁显楷、郑棉海和禤映雪参加了会议，在学术论坛上，鲁显楷研究员做了“南亚热带森林氮素生物地球化学循环”的报告，展示了长期氮沉降如何驱动南亚热带森林氮素循环的最新进展。
　　2021年度氮循环十大科学进展评选活动是首次开展，入选进展内容反映了氮循环领域前沿发展动态，在引领技术创新，鼓励氮循环领域跨学科研究，营造社会创新氛围，提高公众环保意识方面起到了积极的作用，影响深远，意义重大。
　　
　　“氮沉降促进热带森林捕获大气碳”研究成果框架图
　　鼎湖山站鲁显楷研究员（左6）上台接受颁奖
　　

2023-04-04

广州地化所：不同类型原油焦沥青的形成机理及演化模型

　　固体沥青的概念属于有机质岩石学的范畴，通常根据野外观察将固态不可流动的烃类物质定义为固体沥青。它广泛存在于含油气系统的储层、运移通道乃至烃源岩等多个组成要素中。由于其可以作为桥梁沟通石油/天然气与烃源，为油气的成因及演化提供有用的信息而广受关注。研究表明固体沥青的成因多样，可经热蚀变、脱沥青质和生物降解等多种途径形成。在经受强烈的热蚀变（Easy% Ro > 1.4~1.5）后，不同成因的固体沥青最终都会转变为热裂解成因沥青（又名“焦沥青”）。焦沥青中尽管蕴含有油气形成演化过程中的信息，但易被热裂解作用破坏或掩盖。此外，焦沥青如果存在于储层中，根据电阻率测井数据得到的储层含油饱和度也会有较大的误差。因此，了解焦沥青的形成演化机理对于油气资源的分布与预测以及油气藏开发均有重要意义。然而，目前人们对于焦沥青形成演化过程中不同族组分（SARA），特别是极性组分所起的作用的认识并不全面。
　　针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所吴亮亮副研究员团队通过三类典型原油（轻质油、正常原油、稠油）的热模拟实验，以及对气、液、固三相产物的产率及元素组成进行综合分析，揭示了原油中极性组分在焦沥青形成过程中所起的作用，并提出了不同类型原油形成焦沥青的“三段式”演化模型（图1）。随后还对上述模型在固体沥青成因判识、成熟度评价指标建立、天然气储量评价等研究中的应用进行了探讨。
　　综合分析表明，H/C值作为成熟度标尺可有效表征和研究固体沥青的形成演化过程。随着H/C递减（成熟度增大）不同原油裂解形成的固体沥青中的N/O/S杂原子的相对含量呈规律性变化。由于原油中绝大多数的N/O/S杂原子存在于非烃及极性组分中，上述杂原子的演化规律可以反映极性组分在焦沥青演化过程中的作用。研究团队据此提出一个原油裂解形成焦沥青的“三段式”演化模式（图1）。演化模型首先假定碳氢化合物和极性组分具有相同的热演化速率。焦沥青演化的第一阶段以极性组分的交联反应为主，发生在热成熟度较低的阶段（1.0 < Easy %Ro < 1.4~1.6，焦沥青Easy %Ro < 0.8时，H/C > 0.6）。第二阶段（Easy %Ro > 1.4~1.6，或焦沥青H/C < 0.6）饱和烃和芳烃都将发生明显的缩合反应，并参与到焦沥青的形成。此外，如果原始原油缺乏极性组分，其焦沥青的形成将从这一阶段开始。而在Easy %Ro > 3.0（焦沥青H/C < 0.4）后，原油中的大部分馏分将转化为焦沥青和CH4。随后随着热成熟度继续增大，焦沥青的H/C继续下降将会变得十分困难。
　　图1. 不同类型原油裂解形成焦沥青的演化机制.
　　根据上述结果，我们建议将H/C = 0.8定为原油裂解的纯液相和纯固相残渣分界线。而H/C值界于0.8 ~ 1.0的范围是液体残渣或焦沥青单相或两相混合物都可能存在的过渡区域。目前许多固体沥青（甚至是焦沥青）样品存在H/C值大于1的现象，很可能是由于样品直接检测未经抽提除去裂解残留的液态烃所致。同时基于本研究得出的杂原子演化规律，可将原油裂解过程中液体残留和焦沥青中杂原子演化简化成图2。对于轻质油，由于NSO组分丰度较低，生成的焦沥青N、S含量较低或不足，导致N/C和S/C比值小于0.01。且相比正常油和稠油，极性组分由于绝对量少在轻质油裂解生成的残留液态烃和固体沥青中的占比变化会更为显著（图2B）。此外，上述液态残渣中杂原子向碳原子的演化趋势（图2）可以帮助地质学家判断固体沥青提取物是否受到外源烃的污染。
　　图2. 不同类型原油裂解形成焦沥青时其焦沥青和液态烃残留物的O/C、N/C、S/C原子比随H/C原子比的演化规律图(红线为轻质油，蓝线为正常油，黑线为稠油).
　　原油裂解可简化为以CH4和焦沥青为最终产物的歧化反应。在本研究中，三类不同原油形成的焦沥青其最终H/C值均在0.4至0.5的范围（最大Easy %Ro约为4.4时）。假设某原油以C和H为主，其他原子数量较少，最终产物为甲烷（CH4）和焦沥青（CH0.4），则该原油的热解过程由于元素平衡的原因，可按式（1）进行。因此，如果我们能够得到某一储层原始原油的H/C值，则可以通过图3来预测甲烷（或焦沥青)的资源量，这为深层原油裂解气资源量评价提供了又一种途径。
　　 100 CHx → yCH0.4↓+(100-y)CH4↑ （1）
　　本研究成果提出了三段式焦沥青形成演化模型，完善了不同类型原油裂解形成焦沥青的认识，并将其初步应用到固体沥青成因判识、成熟度评价指标建立、深层天然气资源量评价等研究中，为深层油气的勘探与开发工作提供了理论基础及技术支持。
　　图3.原油的初始H/C原子比与其最大焦沥青及甲烷产率的关系图.
　　研究成果近期发表在期刊《Marine Petroleum Geology》，研究得到了国家自然科学基金（41972150）和中国科学院战略性先导科技专项（A类）（XDA14010103）的资助。
　　论文信息： Liangliang Wu*(吴亮亮), Shufen Liu (刘淑芳), Xinyan Fang(方新焰), Pufan Wang(王普凡), Ansong Geng(耿安松). Formation of pyrobitumen from different types of crude oils and its significance: Insight from elemental composition analysis. Marine Petroleum Geology, 2023, 106227. DOI: doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2023.106227.
　　论文链接

2023-04-04

南海海洋所牵头首个红树林抗污染生态修复技术团体标准发布

　　近日，由中国科学院南海海洋研究所牵头主导编制的团体标准《红树林抗污染生态修复技术规程》（编号：T/CI 035-2023）由中国国际科技促进会标准化工作委员会批准发布、实施，并已在全国团体标准信息平台发布（www.ttbz.org.cn）；该标准为我国首个红树林抗污染生态修复技术标准，有望解决目前红树林污染生态修复无技术规程可依的局面。
　　红树林生态系统处于海陆动态交界面、周期性遭到海水浸淹的潮间带环境，作为独特的海陆边缘生态系统，在自然生态平衡中起着特殊的作用。红树林具有很高的生态、社会和经济价值，尤其在发展近海渔业、净化环境和固碳增汇等方面。
　　近30年来由于人类活动（如污染、海岸工程等）和全球气候变化（高低温、海平面上升等）的影响，全球超过1/3的红树林消失，其中损失的红树林有超过60%归因于人类活动的直接和间接影响，人类活动增加导致全球滨海湿地退化、红树林大面积丧失，受损红树林湿地生态修复与保护已成为国际关注重大科学问题。因此，如何加快恢复受损红树林已成为国际海洋科学亟需解决问题之一，为了改变红树林退化和消失现状，红树林的生态修复已经成为了国际红树林研究领域中的热点内容。
　　目前，我国现有2.7万公顷红树林每年埋藏蓝碳约27万吨CO？，具有巨大的固碳、储碳潜能，红树林资源保护和发展将在我国“双碳战略”中起到十分重要作用。但迄今为止，国内外都没有红树林抗污染生态修复技术规程，为了规范受损污染生境红树林生态修复技术应用，迫切需要制定红树林抗污染生态修复技术规程，进一步指导红树林抗污染生态修复生产实践，促进我国乃至南亚、东南亚红树林生态保护和生物资源可持续发展，助力国家海洋生态文明和国家“一带一路”战略发展。
　　《红树林抗污染生态修复技术规程》中规定了红树林抗污染生态修复的原则、抗污染生态修复技术流程和种苗质量控制等，以及修复和重建红树林管护、验收和监测评价等方面的技术要求。
　　该标准所提出的技术规程力求符合实际、便于操作，并符合国家有关法律法规的要求。确保了红树林生态修复工作有标可依，填补了该领域的国家标准空白，为海洋生态文明建设提供技术支撑，促进红树林生态修复工作发展，提升红树林的生态健康水平和功能服务效果。该规程适用于全国范围内污染生境红树林修复与重建。
　　团体标准编制的主要工作由中国科学院南海海洋研究所王友绍红树林研究团队完成，广东湛江红树林国家级自然保护区管理局、温州市洞头区海洋与渔业发展研究中心等为该标准的参与编制单位。该标准的编制得到中国科学院A类战略性先导科技专项（美丽中国生态工程）、国际伙伴计划和国家重点研发计划等项目的资助。
　　湛江红树林生态修复示范区
　　巴基斯坦坝区红树林生态修复示范区
　　

2023-03-31

南海海洋所研究发现马里亚纳海沟“挑战者深渊”俯冲板块上地幔顶部强蛇纹石化层

　　近日，中国科学院南海海洋研究所边缘海与大洋地质重点实验室（OMG）丘学林研究团队，联合中国科学院深海科学与工程研究所和中国科学院地质与地球物理研究所研究团队，通过万米级人工地震剖面，发现了穿越马里亚纳“挑战者深渊”的俯冲板块上地幔顶部存在4.0-6.5 km的强蛇纹石化层，相关成果发表在Gondwana Research（《冈瓦纳研究》）上，贺恩远博士为论文第一作者，丘学林研究员为通讯作者。陈传绪副研、王元副研、徐敏研究员、赵明辉研究员和游庆瑜研究员为共同作者。
　　全球最深海沟“挑战者深渊”位于伊豆-小笠原-马里亚纳俯冲带的最南段，该区域的俯冲板块年龄古老，俯冲角度陡峭，基底变形强烈，被认为是典型的“冷俯冲带”。由于极限水深的制约，长期以来对该区域的深部结构探测不足，对其地质表象背后的俯冲过程和运行机制认识较少。
　　2017年1-3月，研究团队搭载TS03航次在马里亚纳俯冲带南段横穿“挑战者深渊”布设了一条230 km长的广角深地震测线TS2017-2，该测线垂直海沟走向，包括了多个构造单元。沿测线共投放和回收18台主动源海底地震仪（OBS）。其中，在海沟内成功投放和回收了我国最新研发的万米级OBS，坐底最大水深为10060米，使我国成为世界上首个成功获取万米级海洋人工地震剖面数据的国家（图1）。
　　正在进入“挑战者深渊”的太平洋板块由于俯冲挠曲发生了强烈的地壳破碎和上地幔蛇纹石化，大量的水通过俯冲板块地幔进入俯冲系统。研究团队在八台OBS数据中均识别到了来自太平洋俯冲板块上地幔内的反射震相（PnP），由此，确定了上地幔内存在反射界面。计算发现该区域存在厚4.0-6.5 km，速度为7.0-7.5 km/s的上地幔异常层。结合区域的多波束地形和地球物理数据，研究提出该异常层为强蛇纹石化地幔层，其形成可能与蛇纹石化地幔橄榄岩的机械强度快速变化有关（图2）。
　　本次全球新发现的俯冲板块内强蛇纹石化地幔层，对于认识典型端元“马里亚纳”型俯冲系统的俯冲过程和变形机制具有重要意义。该研究得到了国家重点研发计划深海专项、中科院海洋中心重点部署项目、国家自然科学基金的资助。
　　相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gr.2023.02.020
　　图1. 马里亚纳俯冲带南段的基底特征及OBS测线TS2017-2位置
　　图2. 沿TS2017-2测线的速度结构及地质模型

2023-04-03

广州地化所：云南点苍山-哀牢山新元古代花岗岩成因对扬子西南缘元古代地壳熔融机制的指示

　　华南克拉通新元古代岩浆事件和构造演化历史对于重建罗迪尼亚超大陆裂解和冈瓦纳大陆聚合过程至关重要。前人对华南北缘和西缘的元古代岩浆岩做了非常详细的研究工作，并取得了一系列重要成果。然而，扬子西南地区新元古代火成岩的构造归属（古洋盆俯冲、大陆碰撞或者地幔柱相关）尚存争议，其成因和深部动力学机制仍不清楚。针对上述科学问题，中国科学院广州地球化学研究所的博士后徐健、夏小平研究员与中山大学尹常青教授等人合作，选取华南西南部点苍山-哀牢山构造带(DCS-ALS)中的新元古代花岗岩（图1-2）展开研究，通过系统的野外地质考察、矿物学、锆石U-Pb年代学和Hf-O同位素、全岩主微量元素和Sr-Nd同位素分析，揭示了俯冲带大陆地壳层状脱水熔融机制。研究发现：
　　图1 华南构造地质简图（据Cawood et al. 2018, ESR）
　　图2 点苍山-哀牢山构造地质简图（据Cai et al. 2014, PR）
　　（1）DCS-ALS花岗岩根据其标准矿物组成可分成两组：奥长花岗岩和花岗岩（图3A）。奥长花岗岩(ca.771-762 Ma)与花岗岩(ca. 767 Ma)具有相同的侵位年龄，总体上具有高硅低镁以及岛弧岩浆岩的微量元素组成特征（如富集大离子亲石元素和亏损高场强元素）。此外，两组花岗岩之间显示系统上的不同的主微量元素和同位素组成（图3-5），指示不同的源区岩性组成、形成深度以及熔融机制。
　　图3. DCS-ALS花岗岩（A）标准矿物An-Ab-Or三角图解；（B）主量元素源区辨别图解。
　　图4. DCS-ALS花岗岩(A) Sr/Y vs. Y, (B) La/Yb vs. Yb, (C) Rb/Sr vs. Sr and (D) Rb/Sr vs. Ba二元图解。
　　（2）奥长花岗岩源区岩性为低K2O的基性岩石（图3b）；其埃达克质高Sr/Y和La/Yb比值（图4a-b）指示其形成于下地壳深度；低Rb/Sr比值反映源区经历了注水熔融过程。花岗岩的源区岩性为高K2O的酸性岩石（图3b）；其低Sr/Y和La/Yb比值（图4a-b）指示其形成于中地壳深度；高Rb/Sr比值反映源区经历了黑云母脱水熔融过程。
　　（3）奥长花岗岩与花岗岩的同位素组成暗示其源区均为新生岛弧地壳物质，不同的是，奥长花岗岩侵位过程中混染了一部分的古老地壳物质（图5）。
　　图5. DCS-ALS花岗岩Sr-Nd-Hf-O同位素组成
　　图6. 俯冲带流体控制地壳熔融机制示意图
　　综上，DCS-ALS新元古代奥长花岗岩和花岗岩的形成分别反映了扬子下地壳和中地壳不同层位不同岩性岩石的部分融熔事件，且均与流体活动有关。结合前人研究成果，研究人员发现华南板块西南缘大陆地壳的不同层位（基性下地壳和酸性中/上地壳闪长质或者变沉积岩石）在新元古代时期曾经历了广泛的熔融事件。据此，研究人员提出以下俯冲带大陆地壳层状脱水熔融机制：新元古代大洋板块俯冲引起软流圈上涌和含水玄武质岩浆底侵(图6)，导致下地壳底部岩石发生广泛的脱水反应，继而，下地壳底部的玄武质底侵体或者堆晶体中含水矿物中的水以自由流体相转移至上覆岩石中，引发下地壳岩石的注水熔融(图6)，而中地壳岩石则在幔源岩浆的持续热供给下发生脱水熔融(图6)。此外，通过对比区域地质数据，研究人员认为新元古代俯冲带可能从扬子北/西缘的攀西-汉南地区延伸至西南缘的DCS-ALS地区，并推测华南克拉通可能位于罗迪尼亚超大陆的西北缘。
　　本项研究受到二次青藏科考（2019QZKK0702）、国家自然科学基金（42130304, 42202051）和中国博士后科学基金（2020M672851）等项目的联合资助。
　　论文信息：Xu Jian (徐健), Xia Xiao-Ping* (夏小平), Christopher Spencer., Chun-Kit Lai, Zhang Le (张乐), Cui Ze-Xian (2022). Geochronology and geochemistry of the granitoids in the Diancangshan-Ailaoshan fold belt: Implications on the Neoproterozoic subduction and crustal melting along the southwestern Yangtze Block, South China. Precambrian Research.
　　论文链接
　　

2023-04-03

广州地化所揭示干酪根对饱和烃吸附能力随热成熟度的演化特征

　　干酪根在地质温压条件下发生裂解生成烃类化合物，并通过排烃及之后的运聚形成油气藏。在排烃过程中，干酪根与烃类化合物分子间有着较强的相互作用，导致部分化合物在烃源岩中富集，直接影响排烃效率及油气性质。同时，随着热演化程度的增加，干酪根对烃类分子的束缚能力也会出现变化。开展不同成熟度条件下干酪根与烃类间相互作用研究对烃源岩排烃、油气资源评价意义重大。
　　已有研究多采用溶胀法评估干酪根对不同烃类化合物的吸附能力，该方法对具体化合物滞留能力的研究效果较好，但其实验的复杂性是的开展系列化合物研究的难度和成本均较大，且易受化合物特殊性质及实验误差影响，也难以准确揭示不同烃类与干酪根相互作用的内在机理。为此，中国科学院广州地球化学研究所博士后梁天在邹艳荣研究员和彭平安院士的指导下，首次通过分子模拟及分子对接技术研究了干酪根对饱和烃吸附能力随热成熟度的演化特征，并探究了其内在作用机理。
　　研究团队选用生油能力最强的芦草沟组Ⅰ型干酪根为研究对象，通过黄金管热模拟技术开展生烃实验，制备出不同成熟度的干酪根样品。再通过元素分析及固体核磁共振检测，建立三维分子模型（图1）并计算出不同成熟度干酪根分子与链烷烃分子间的吉布斯自由能分布，以此为基础评估分子间作用力。
　　图1 下马岭干酪根三维分子模型
　　研究发现，正构烷烃化合物随着分子量的增加与干酪根分子间相互作用力分为三个主要阶段：C2-C13阶段内随着分子量的增加，正构烷烃与干酪根分子结合力逐渐增加；C14-C20阶段内分子间相互结合最为紧密；C21-C30阶段内，随着正构烷烃分子量的增加，结合能力在波动逐渐减弱。这说明，正构烷烃中C14-C20化合物更倾向于在干酪根中发生富集，难以发生排烃作用（图2）。
　　图2 不同成熟度干酪根与正构烷烃分子对接结果
　　除分子量外，甲基的相对含量也是影响分子间作用力的关键因素。图1显示出成熟度0.75（Easy%Ro）的干酪根残渣与正构烷烃分子间吉布斯自由能最低，图3所示的甲基相对含量分布也印证这一观点。
　　图3 干酪根甲基相对含量随成熟度变化情况
　　为进一步确定甲基相对含量对分子间相互作用力的影响，选择了6个C16异构体作为配体开展分子对接研究，结果表明干酪根与烷烃分子间作用力与烷烃分子甲基数量呈正比（图4）。
　　图4 干酪根与异构C16分子对接结果
　　（图中Type1，3，5，7异构分子甲基数量分别为3，5，7，9；Type8，9甲基含量均为4）
　　上述结果表明，干酪根与链烷烃发生相互作用的过程中，分子量及甲基的相对含量是影响分子间作用力的重要因素，这导致在排烃过程中异构C14-C20化合物倾向于在干酪根中发生富集作用，而其他的链烷烃则更容易从烃源岩中排出形成油气藏。
　　研究成果近期发表在期刊《Chemical Geology》。本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项A类（XDA14010102）的资助。
　　论文信息：
　　Tian Liang(梁天), Zhao-Wen Zhan(詹兆文), Yan-Rong Zou(邹艳荣), Xiao-Hui Lin(林晓慧), Yun Shan(单云), Ping’an Peng(彭平安). 2023. Research on type I kerogen molecular simulation and docking between kerogen and saturated hydrocarbon molecule during oil generation. Chemical Geology 617 121263. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2022.121263
　　论文链接
　　

2023-04-03

广州地化所揭示上寒武统排碧阶SPICE事件的地球化学成因

　　全球范围内上寒武统排碧阶地层中普遍记录了一次碳酸盐岩稳定碳同位素（δ13Ccarb）正向漂移事件，即SPICE（Steptoean Positive Carbon Isotope Excursion）事件。对于SPICE事件的成因，研究学者普遍认为是由于在广泛的大洋缺氧/缺氧硫化条件下有机质埋藏增加所致，但这种认识也一直存在较大的争议。如图1所示，发现在全球区域等时沉积地层中残余有机质（干酪根）也同时富集重的稳定碳同位素（δ13Corg），驱动这种协同变化的可能机制仍需进一步探究。
　　图1. 全球可对比的SPICE事件分布(a) 及同位素（δ13Ccarb /δ13Corg）漂移特征(b)
　　中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室、深地科学卓越中心博士生王浩哲在导师廖泽文研究员和程斌副研究员指导下，选取新疆塔里木盆地英东2井和中深1井上寒武统沉积地层探讨其SPICE事件记录特征，发现有机/无机稳定碳同位素协同正向漂移的同时伴随有一次有机质稳定氢同位素组成（δDorg）的负向漂移。经过调研古环境及地质历史上生物固碳机制与古气候变化的关系，研究人员提出该事件期间pCO2逐渐降低，同时pO2突然增加可能会诱发一些浮游生物通过CCMs（CO2 Concentrating Mechanisms）机制利用海水中HCO3–（富集13C、亏损2H）进行光合作用合成有机质，从而导致图2最右侧耦合的同位素变化特征（δ13Ccarb /δ13Corg/δDorg）。
　　图2. SPICE事件期间CCMs主导的光合作用约束的耦合碳氢同位素协同变化
　　该研究成果近期由地球科学领域主流期刊Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology和Marine and Petroleum Geology在线发表。该研究得到国家自然科学基金面上项目和中国科学院A类战略性先导科技专项资助。
　　文章信息：
　　论文1：Wang H Z（王浩哲）, Deng Q（邓倩）, Cheng B（程斌）, Zhang H Z（张海祖）, Liao Z W（廖泽文）, Peng P A（彭平安）. Synchronous positive δ13Ccarb and δ13Corg excursions during 497–494 Ma: From a CO2 concentrating mechanism dominated photosynthesis? Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2022, 602: 111160.
　　文章链接
　　论文2：Wang H Z （王浩哲）, Zhao G Y（赵冠宇）, Cheng B（程斌）, Zhang H Z（张海祖）, Liao Z W（廖泽文）. Molecular record of the SPICE event in well YD2, Tarim Basin: Insights from catalytic hydropyrolysis of kerogens. Marine and Petroleum Geology, 2023, 148: 106038.
　　文章链接
　　

2023-04-03

广州能源研究所超长重力热管产出蒸气直驱地热发电系统试车成功

近期，中国科学院广州能源研究所蒋方明团队在中科院先导专项课题等支持下，完成了世界首创热管产出蒸汽直驱汽轮机地热发电系统的设计，在河北省雄安新区安新县开展了超长重力热管蒸气直驱地热能发电系统的场地实验研究，并于3月23日至26日成功进行了72小时发电试车。
　　近期，中国科学院广州能源研究所蒋方明团队在中科院先导专项课题等支持下，完成了世界首创热管产出蒸汽直驱汽轮机地热发电系统的设计，在河北省雄安新区安新县开展了超长重力热管蒸气直驱地热能发电系统的场地实验研究，并于3月23日至26日成功进行了72小时发电试车。
　　地热能稳定可靠，不受气候变化和昼夜交替等的影响，可用作电力系统的基础负荷。目前主要的地热发电技术手段限于地热水闪蒸式发电或有机朗肯循环（ORC）发电两种方式，但地热水闪蒸和有机工质蒸发过程均会导致？损失，且地热卤水容易在闪蒸器、ORC蒸发器中结垢。相较于传统技术，蒋方明团队原创技术成果超长重力热管SLGHP（中）深层地热开采系统产出的饱和蒸气，可用于直接驱动汽轮机进行发电，能够有效避免中间过程的？损失及腐蚀结垢问题。
　　超长重力热管中（深）层地热开采系统已在多地成功开展了场地实验或示范。河北省雄安新区的场地示范为蒋方明团队联合中国地质科学院水文地质环境地质研究所王贵玲团队共建，2021年至2022年期间完成了目前世界最长（4150米）热管的研发和地热开采系统建设，产出地层平均温度约81℃、地面获得最高温度78℃的氨蒸汽；长时平均采热量可以超过1MW。
　　SLGHP蒸气直驱地热发电系统试验现场
　　

2023-03-30

南海海洋所研究团队构建了基于纳维-斯托克斯求解器的强非线性海啸波浪生成模型

　　近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）谢培炜博士构建了基于纳维-斯托克斯求解器的强非线性海啸波浪生成模型。该模型的构建弥补了海啸灾害领域中强非线性波浪生成模型的缺失，并在国际范围内首次实现对典型海啸波浪记录的模拟重现。相关成果由谢培炜博士为第一作者，杜岩研究员为共同作者，发表在国际期刊Coastal Engineering上。
　　2004年的印度洋海啸记录和2011年的日本海啸记录，都揭示了海啸波浪除具有长波的特征之外，还拥有明显的强非线性特征，即在近岸海域具有接近于水深的波高，通常伴随着一个前置波谷。在海啸灾害领域中，运用求解纳维-斯托克斯方程组的计算流体力学求解器生成海啸波浪是研究海啸的工程影响及岸滩冲刷效应的基础。在现有的基于纳维-斯托克斯求解器的海啸波浪生成模型中，传统的孤立波模型已被证实并不适用于海啸波浪的模拟研究，而采用线性浅水方程的模型亦无法生成具有强非线性特征的波浪。为满足海啸研究领域中模拟生成强非线性波浪的需求，该研究采用非线性浅水方程推导求得海啸波速边界条件的控制方程，并将该控制方程编译入计算纳维-斯托克斯方程组的开源求解器interFoam中，实现对海啸波浪生成模型的构建。通过与多个物理实验的比对验证得知，该模型具备了模拟海啸波浪生成、传播、陡化、频散和上岸破碎过程的能力。运用此模型实现了对2004年印度洋海啸和2011年日本海啸两组典型的强非线性海啸波浪的模拟重现，这在国际范围内为首例。
　　该文章还进一步研究了波谷前置型海啸波浪的爬升及上岸过程，展示了海表高度和流速场的空间和时间变化过程。研究表明，更大波幅的前置波谷会导致波浪上岸之前的岸线后退得更远，而后在上岸时产生更高的波浪爬高。随着前置波谷波幅的增加，上岸波浪的海向和陆向流速都得到加强。前置波谷的存在使得上岸波浪的波前更加陡峭，并可能引发波浪破碎，造成剧烈的岸滩侵蚀。
　　该研究由国家自然科学基金、中国博士后基金和LTO实验室自主项目等共同资助完成。
　　相关论文信息：Xie, P., & Du, Y. (2023). Tsunami wave generation in Navier–Stokes solver and the effect of leading trough on wave run-up. Coastal Engineering, 104293.
　　https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2023.104293
　　图1：(a), (b)和(c)为海啸波浪上岸至岸滩中段时的波形及流速场图像，其中(a)无前置波谷；(b)前置波谷波幅较小；(c)前置波谷波幅较大。(d), (e)和(f)为波前抵达岸线位置且波浪破碎时的图像。
　　图2：数值模拟结果（红线）与 (a) 2004年印度洋海啸记录和 (b) 2011年日本海啸记录的对比（星形）。
　　

2023-03-27