科研进展--中国科学院广州分院

汪程远等-EPSL：源于浅部（< 100 km）含钛铁矿辉石岩的月球年轻火山活动

月球岩浆洋模型认为岩浆洋晚期会在月幔顶部形成富含钛铁矿的辉石岩堆晶（IBC）以及富集放射性元素的克里普组分（KREEP）。而IBC堆晶由于密度较大会沉入深部引发月幔翻转。一些研究认为是下沉到深部的IBC的活动导致了嫦娥五号玄武岩（CE5）的形成其形成。然而，这一观点会面临两个问题：1）IBC的沉降发生在岩浆洋结晶的晚期（~44-43亿年）；2）之前的研究认为CE5玄武岩是由低钛玄武岩演化而来，而后者源区不应该有IBC。因此， CE5玄武岩的成因仍有待探索。在中国科学院广州地化所徐义刚院士的指导下，汪程远副研究员、张乐高级工程师以及月球科学研究团队的其他成员一道，针对上述问题展开了研究。研究团队通过对CE5玄武岩中的辉石进行微区分析，结合微量元素模拟以及相平衡计算等综合手段，提出月球年轻火山的源区是位于其浅部（< 100 km）的IBC堆晶。这一发现革新了学界关于月幔翻转过程以及月球内部热演化的认识。图1. （a）CE5及其他月球玄武岩微量元素组成。（b）月球玄武岩的Ti异常和Ta异常。研究团队首先注意到， CE5玄武岩具有显著的高场强元素（HFSE）的负异常（图1），表明其或者经历了钛铁矿的分离结晶，或者源区含有残余钛铁矿，或者需要KREEP混染。然而，同位素不支持显著KREEP混染，且CE5玄武岩中的辉石成分演化和低钛玄武岩完全不同（图2）。图2. （a）CE5玄武岩中的辉石端元组成。（b）月球玄武岩中辉石的Mg#-TiO2关系图。（c）CE5和低钛玄武岩中辉石的Ti异常-TiO2关系图。为进一步制约分离结晶过程的影响，研究团队利用辉石成分反演了CE5玄武岩演化过程中TiO2 含量的变化（图3）。结果显示，初始岩浆没有经历钛铁矿结晶分异，其HFSE可以反映原始熔体的信息。图3. CE5及其他月球玄武岩的演化路径对比。因此，CE5玄武岩源区很可能含有钛铁矿。研究团队利用非批式熔融模型进行了模拟（图4）。结果显示，CE5玄武岩源区需要> 10%的钛铁矿，大部分为辉石岩。图4. IBC月幔的非批式熔融过程中的Zr/Hf、Zr/Nb和Ta/Nd的变化模拟。因此，CE5玄武岩应是一种新型月球火山熔岩，其源区和阿波罗玄武岩完全不同。利用相平衡模拟计算其形成温压的结果显示，形成温度约为~1100至1140 ℃，压力约为3到5 kbar（图5）。表明CE5玄武岩起源深度较浅（~ 100 km）。图5. （a）CE5及其他月球玄武岩的形成温度和压力条件。（b）CE5及其他月球玄武岩的形成深度随时间的变化。（c）IBC源区的温度-成分相平衡计算。（d）遥感观测的月球玄武岩TiO2含量随时间的变化。遥感数据显示，年轻月球火山的TiO2含量是逐渐升高的（图5），支持年轻月球火山源于IBC的可能。由于岩浆洋模型预测的IBC形成深度也正是60到100 km，CE5玄武岩的源区应是那些未发生沉降的IBC。这表明，月幔翻转其实是不完全的。此外，月球在以CE5玄武岩为代表的爱拉托逊纪时代的热状态和雨海纪时代也并不相同。此时月球火山的热源主要来自浅部，或是IBC和月壳之间的KREEP，或是撞击过程。令人困惑的是，这些玄武岩并未显示显著的KREEP信号，而同时期的大型撞击坑也并未观测到，因此年轻月球火山的热源问题仍有待进一步研究。该研究主要受中国科学院广州地球化学研究所所长基金和中国科学院重点部署科研专项的资助。研究成果发表于国际权威地学期刊《Earth and Planetary Science Letters》。　　论文信息：Chengyuan Wang（汪程远），Yi-Gang Xu（徐义刚），Le Zhang（张乐），Zhiming Chen（陈志铭），Xiaoping Xia（夏小平），Mang Lin（林莽），Feng Guo （郭锋） (2024). A shallow (<100 km) ilmenite-bearing pyroxenitic source for young lunar volcanism. Earth and Planetary Science Letters,639,118770. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118770

2024-07-25

姜连等-PPP：利用碳同位素和生物脂类化合物解密古新世南太平洋海洋环境

随着全球气候变暖的不断加剧，了解极端温暖地球气候系统的开始、演变和结束的变得日益紧迫。古近纪早期是一个地球气候极其温暖的时代，具有典型现代澳大利亚东南部和新西兰地区热带-亚热带的动植物群（Thomas et al.,2020），且古新世-始新世时期释放到大气中CO2总量与与现今人类燃烧化石燃料排放CO2总量相似，因此被认为是未来暖地球气候系统的一个很好的模拟实例（Zeebe and Zachos,2013）。目前关于南太平洋古近纪的现有数据来自ODP航次177、181、183和189，以及DSDP航次29、35和92。这些ODP/DSDP钻探点时间较早，大多完成于1973-1999年，始新世沉积物剖面恢复率低或古新世沉积物缺失。其中，最为人们所熟知的当属1973年DSDP航次29（钻探点277）。该钻探点位于新西兰南部的坎贝尔高原。该钻探恢复了上古新世到上渐新世碳酸盐，但是由于当时钻井取芯技术问题，大部分剖面岩心采收率相对较低，且始新世剖面恢复率低（Kennett et al.,1974）。受制于样品局限性，对南太平洋的古新世-始新世的研究报道有限，尤其是古新世早期南太平洋的海洋与生态环境对地球科学家来说仍然是知之甚少（图1）。近期，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的姜连博士后与合作导师王云鹏研究员及国际合作者，通过对一系列国际大洋钻探计划378站点获取的南太平洋早古新世海相岩芯的有机地球化学和碳同位素分析（图2-3），建立了首个早古新世生物标志物剖面（图3-4），恢复了南太平洋古近世的古气候条件和海洋生物圈组成（图5），从而填补了地质学家对南太平洋早古新世海洋生态环境的认识空白。图1 国际大洋钻探378航次与深海钻探计划277采样岩芯对比该项研究通过对国际海洋发现计划378钻探点U1553（新西兰坎贝尔高原）的一组早古新世深海岩芯进行了系统的生物标志物、碳酸盐含量和碳同位素研究，对南太平洋这一时期的海洋生产力、生态群落组成和古环境进行综合评价，取得了多项重要进展：（1）根据研究结果建立了新西兰坎贝尔高原一个新的古新世生物标志物剖面。一系列藿烯、ββ藿烷、甾烷的赋存和分布特征以及基于生物标志物的成熟度参数表明，这些贫有机质沉积物处于早期成岩阶段，其等效镜质体反射率约为0.4%。（2）古新世南太平洋的海洋生产力来源组成丰富多样，包括藻类、细菌、硅藻、鞭毛藻和高等植物等，而主要生产力由水生生物主导（图3-4）。图2 国际大洋钻探378钻探井U1553D总有机碳（TOC）、硫含量、甲烷含量、碳酸盐含量以及碳酸岩碳同位素深度剖面变化图图3 国际大洋钻探378钻探井U1553D不同藿烷类生物标志化合物深度剖面变化图（3）生物标志物（伽马蜡烷指数和同藿烷指数等）、碳酸盐碳同位素(- 27.9‰~ +2.0‰)、硫含量和甲烷含量表明，古新世南太平洋的氧化还原性质由氧化-缺氧过渡带向还原性较强的海洋环境（水深> 1000 m）转变（图5）。图4 国际大洋钻探378钻探井U1553D不同甾烷类生物标志化合物深度剖面变化图图5 （a）南太平洋早古新世(~65 Ma) IODP 378 Site U1553地理位置图（据Cande and Stock,2004修订)。（b1-b2）钻探井U1553D岩性单元Va和Vb沉积模型。该研究成果展示的生物标志物记录弥补了高纬度南太平洋古新世生物圈知识空白，首次提出的古新世沉积模式图加强了地质科学界对南太平洋的认识，为古新世全球海洋环境的研究提供了新的数据支持。此研究成果近期发表于国际期刊《Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology》上，得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金和中国科学院PIFI项目的资助。论文信息：Jiang,L. (姜连),Ausín,B.,Khanolkar,S.,Wang,Y. (王云鹏),George,S.C.,2024. Unlocking the geochemical features of the Paleocene southern Pacific Ocean using carbon isotopes and biolipids. Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology 650,112368.论文链接：https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2024.112368

2024-07-25

广州健康院合作通过空间转录组学绘制脊髓损伤时空动态图谱和细胞原位互作网络，发现IGFBP2蛋白促进神经修复功能

2024年7月18日，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心方燕姗课题组、中国科学院广州生物医药与健康研究院彭广敦课题组和暨南大学李昂课题组合作，在Developmental Cell期刊在线发表了题为“A spatiotemporal molecular atlas of mouse spinal cord injury identifies a distinct astrocyte subpopulation and therapeutic potential of IGFBP2”的最新论文。2024年7月18日，中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心方燕姗课题组、中国科学院广州生物医药与健康研究院彭广敦课题组和暨南大学李昂课题组合作，在Developmental Cell期刊在线发表了题为“A spatiotemporal molecular atlas of mouse spinal cord injury identifies a distinct astrocyte subpopulation and therapeutic potential of IGFBP2”的最新论文。该研究利用空间转录组技术对急性损伤引起的脊髓中分子和细胞水平的复杂变化进行了全面深入的梳理和分析，通过刻画脊髓损伤 (spinal cord injury, SCI)后基因表达和分子变化的时空特征，以及绘制原位细胞互作网络图谱识别出一类发生特定位置迁移的星形胶质细胞亚群，并鉴定出该亚群的特征基因之一Insulin-like growth factor binding protein 2 (Igfbp2)，进而揭示了SCI引起Igfbp2表达上调的细胞功能和潜在生物学意义。成年哺乳动物中枢神经系统的再生能力非常有限，其损伤所造成的伤害大多不可逆、难以恢复。以SCI为例，SCI后可出现轴突退化、神经元丢失、脱髓鞘、炎症反应、巨噬细胞和免疫细胞浸润、胶质瘢痕生成等改变，从而导致永久性的运动、感觉和自主神经功能障碍，并伴有各种局部或全身并发症。尽管SCI 的慢性期可持续数月至数年，但基因表达水平和分子编程中最主要、最剧烈、最纷繁芜杂的改变则发生在损伤后的数小时至数天内。此外，基因表达和细胞响应的空间动态变化在该时期也是最明显的。故此，全面系统地在时间和空间维度下解析SCI急性期所发生的基因表达改变、分子调控程序和细胞响应机制对于理解SCI的病理过程和制定有效治疗方案至关重要。以往SCI表达图谱和分子变化网络的研究主要依赖单细胞或单核测序，但上述技术无法提供这些分子和细胞变化的空间位置信息和对应的解剖学注释。同时，这类技术受单细胞分离方法的局限，造成某些细胞类别比如神经元、星型胶质细胞等的捕获比例远低于其生理状态下的占比，导致最终测序数据和以此进行的分析带有很强的“生存者偏差”。近几年，空间组学的出现和发展为弥补这些缺陷带来了希望。在这篇新发表的论文中，研究人员以小鼠脊髓全横断模型为例，在SCI后的多个时间点、距离损伤位点头尾两端的多个不同位置、对多个生物学重复的脊髓组织进行了基于10xVisium的原位空间转录组测序（图1A）。通过对过滤后保留下来的超过22,800个空间位置点的数据进行生物信息学整合分析，在组织结构被严重破损的情况下，通过空间分布和基因表达相似性仍然能够准确定义出脊髓的解剖结构。该研究系统性地揭示了损伤后不同脊髓解剖区域、不同损伤时间以及损伤位点不同方向和距离处的基因表达动态变化、共表达基因模块以及转录调控网络（图1B）。更具创新意义的是，该团队通过自主开发空间转录组数据分析的新计算策略和工具，绘制出脊髓损伤后原位细胞-细胞交互 (spatial-aware cell-cell communication, SA-CCC) 的动态图谱（图2），相比于传统仅仅基于单细胞基因表达进行细胞互作分析，整合细胞在空间上的临近关系，降低了最终结果的假阳性率。并通过细胞互作网络，发现了一类在SCI后从脊髓白质迁移到脊髓灰质的星型胶质细胞亚群（图1C）。接着通过脊髓实质注射和lineage tracing实验，证实了SCI后这类由白质向灰质定向迁移的星型胶质细胞亚群的存在及其细胞来源（图3），该团队将其命名为“injury-induced, gray matter-relocated astrocytes (Astro-GMii)”。研究人员通过整合空间转录组数据和已有的SCI单细胞/单核测序数据对Astro-GMii细胞的分子特征进行了多水平、多维度的分析，从中鉴定出可以标记Astro-GMii并在SCI后特异性上调的特征基因之一Igfbp2。值得一提的是，通过空间转录组识别出某种特定细胞亚型或亚群后，可以对其位置信息进行分子特征提取，获得“位置指纹”。用这些位置指纹可以对已发表的单细胞数据进行空间特征注释和虚拟细胞分选（virtual cell sorting）。例如，利用Astro-GMii的位置指纹对第三方发表的SCI单细胞数据进行比对和分析，研究人员也鉴别到Astro-GMii亚群并利用这些数据进一步分析了该亚群的分子演化过程，充分体现了空间位置特征这一维度对发掘细胞功能异质性的重要作用（图4）。在后续工作中，通过原代星型胶质细胞培养、原代神经元培养以及conditioned medium共培养等实验，研究人员揭示了高表达Igfbp2不仅可以促进星型胶质细胞的迁移、增殖和反应性，并且星型胶质细胞可以分泌IGFBP2蛋白，后者作用在神经元上可以促进神经轴突的生长。最后，研究人员将IGFBP2蛋白和基质胶制备成生物材料注射进小鼠的SCI损伤部位后，损伤灶附近神经元的存活得到了显著提高，并最终有效促进了SCI小鼠的感觉和运动功能的恢复（图5）。综上所述，该工作通过全面深入的空间转录组分析建立了SCI交互式时空数据库（https://spasi.ccla.ac.cn/），并完成了大量体内和体外的验证实验以及功能研究，不仅为理解受损脊髓的时空重组提供了丰富的资源和有用的生物信息分析工具，而且发现了具有SCI治疗潜力的新分子IGFBP2蛋白，为今后进一步推进相关转化研究和深入探寻IGFBP2神经保护的作用机制奠定了基础。中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心博士研究生王泽清、中国科学院广州生物医药与健康研究院博士研究生李竺霞和中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心博士研究生栾天乐为该文的共同第一作者。中国科学院上海有机化学研究所生物与化学交叉研究中心方燕姗研究员、中国科学院广州生物医药与健康研究院彭广敦研究员和暨南大学李昂副研究员为共同通讯作者。彭广敦课题组在该工作中负责了所有数据分析内容和网站搭建，该研究得到国家重点研发计划、广东省国家自然科学基金、中国科学院广州生物医药与健康研究院基础研究项目和广州国家实验室重大项目的支持。论文链接图1 小鼠SCI空间转录组实验设计和数据分析概览图2 细胞的空间原位互作分析图3 脊髓实质注射和谱系追踪证实Astro-GMii亚群来源于脊髓白质的星胶细胞图4 基于“空间指纹”进行单细胞亚群的虚拟分选图5 Astro-GMii细胞激活、迁移并表达分泌蛋白IGFBP2促进神经修复的示意图

2024-07-22

Nat. Commun. 揭示海洋动物运动模式演化与器官形成的遗传调控机制

中国科学院南海海洋研究所林强团队与烟台海岸带研究所董志军团队等联合，在海洋动物运动模式、器官形成与生存策略研究获得新进展，相关研究成果“Genomic and single-cell analyses reveal genetic signatures of swimming pattern and diapause strategy in jellyfish”于7月15日在线发表于Nature Communications。海洋生命的起源与演化问题是当今海洋基础科学研究领域的重要命题。海洋生物复杂性状形成过程是物种多样性形成的基础，其演化过程与机制一直是学术界探究的热点之一。本研究聚焦海洋动物中维持运动平衡感知的器官多样性演化开展研究，揭示了海洋动物在长期进化过程中的运动模式与器官形成的演化与调控特征（图1）。图1 动物界平衡感知器官的多样性演化研究团队将水母与硬骨鱼类、鸟类和哺乳类动物比较，发现CHSY1、USH2A、KIAA2026等基因受到明显正选择，而这些基因都参与了动物的运动功能；同时，基于水母与其它近缘物种全基因组结构特征的系统比较，创新性发现“耳石形态发生”（OMs）的基因家族在灯塔水母中发生特异性丢失，据此，在海月水母中对该基因进行原位杂交和RNA干扰实验，发现该基因主要在海月水母平衡囊组织区域表达，而敲降该基因则会导致海月水母碟状体无法正常发育出平衡囊，证明该基因在水母平衡囊形成中发挥了重要功能（图2）。图2 灯塔水母中的丢失基因及受选择基因特征本研究基于单细胞转录组分析，同步解析了水母逆向发育过程中的滞育特征及相关分子调控机制，提出了逆向发育和持续休眠状态可能是灯塔水母应对不利海洋环境的适应策略。研究员董志军、博士生王方晗、副研究员刘雅莉和博士生李勇学为本文共同第一作者，南海海洋所研究员林强和烟台海岸带所研究员董志军、研究员赵建民为本文共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、国家科技基础资源调查计划项目等联合资助。论文信息：Zhijun Dong#*,Fanghan Wang#,Yali Liu#,Yongxue Li#,Haiyan Yu,Saijun Peng,Tingting Sun,Meng Qu,Ke Sun,Lei Wang,Yuanqing Ma,Kai Chen,Jianmin Zhao* & Qiang Lin*. Genomic and single-cell analyses reveal genetic signatures of swimming pattern and diapause strategy in jellyfish. 2024 (15):5936. DOI: 10.1038/s41467-024-49848-z.

2024-07-18

马建锋、赵太平等-JP：矿物结构与成分示踪正长岩成因

碱性岩通常分布在造山带和板内裂谷背景下，虽然占比很少，但是蕴含着丰富的岩浆起源和构造演化等关键信息。正长岩是碱性岩中最典型的代表之一，其成因是有高度争议的，主要观点有地幔低程度部分熔融、幔源岩浆结晶分异、岩浆混合和晶体堆积等机制。然而，由于地壳混染和岩浆混合的潜在影响，很难从全岩成分判断地幔源区熔融还是壳内分异控制着碱性元素（K2O和Na2O）含量。正长岩中的矿物记录了碱性岩浆从起源到侵位的全过程，因此，通过对各岩浆演化阶段的矿物分析，可以评估不同机制的影响程度，从而确定正长岩的主要成因方式。针对上述问题，中国科学院广州地球化学研究所博士生马建锋在赵太平研究员指导下，选取华北克拉通南缘1772 Ma三元沟正长岩开展了详细的矿物结构、化学成分与热力学模拟研究。该正长岩主要矿物组成是单斜辉石、钾长石、石榴石和榍石，单斜辉石和石榴石具有丰富的矿物环带，表明岩浆混合发挥了重要作用（图1）。通过计算不同阶段的单斜辉石平衡熔体的主微量元素含量，获取了碱性岩浆从起源到侵位的地球化学信息。高Mg#(>85)单斜辉石的平衡熔体具有高Mg#、CaO/Al2O3和低Hf/Sm的特征，展现出碳酸盐交代地幔的亲和性，微量元素质量平衡模型表明，石榴石-尖晶石过渡地幔低程度(1%~2%)部分熔融可以产生这些高Mg#熔体（图2）；通过alphaMELTs模拟高Mg#平衡熔体的结晶分异过程，发现无论在何种压力和水含量下都无法匹配其余平衡熔体的化学成分，说明单一的结晶分异过程不能解释正长岩的成因（图3）。低Mg#单斜辉石平衡熔体具有低Mg#值，是地壳物质重熔的产物，质量平衡计算结果表明10%~30%的长英质熔体参与混合可以形成正长岩（图4）。然而，岩浆混合与结晶分异过程无法解释全岩的K2O、CaO等变化，暗示仍有其它机制参与控制。正长岩中钾长石相互连接形成晶体框架，具有堆晶结构，且全岩Eu#高于1，表明钾长石堆晶也是控制K2O含量的机制之一。单斜辉石湿度计显示高Mg#平衡熔体具有高水含量(>4 wt%，图5)，在模拟过程中发现高水含量可以抑制长石的结晶，从而导致熔体中K2O、Na2O含量的再次升高（图6），最终在浅部地壳发生长石堆晶，这也解释了为什么碱性熔体无法突破演化的“热障”。上述工作表明，地幔源区的部分熔融、壳内岩浆演化、岩浆混合、晶体堆晶过程都会控制碱性熔体的成分变化以及正长岩的形成。以上研究成果发表在岩石学国际权威期刊Journal of Petrology上。相关的论文信息：Jian-Feng Ma (马建锋),Tai-Ping Zhao* (赵太平*),Tong Hou (侯通),Chuan-Hao Qu (瞿川豪). Mineral Textures and Chemistry Trace the Origin and Transcrustal Evolution of the Sanyuangou Syenite in Southern North China Craton. 2024,65,egae056. https://doi.org/10.1093/petrology/egae056.图1 三元沟正长岩矿物结构特征图2 高Mg#单斜辉石平衡熔体主微量元素揭示地幔源区特征图3 三元沟正长岩全岩、单斜辉石平衡熔体主量元素特征以及alphaMELTs模拟主量元素变化图4 三元沟正长岩全岩微量元素特征与混合模型图5 单斜辉石温度、压力及平衡熔体水含量图6 熔体水含量与岩浆混合控制熔体中K2O+Na2O含量变化

2024-07-19

南海海洋所：基于高分辨率观测揭示南海亚中尺度不稳定的高频变化机制及其垂向热输运贡献

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）经志友团队，在南海亚中尺度动力不稳定的高频变化特征、物理机制及其垂向热输运定量贡献等观测研究方面取得新进展，研究成果先后发表于国际期刊《Geophysical Research Letters》，合作者包括南海海洋研究所博士后郑瑞玺、河海大学副教授曹海锦和美国布朗大学教授Baylor Fox-Kemper。海洋亚中尺度过程通过非地转动力不稳定，驱动地转能量正向串级与耗散，并显著增强热量、营养盐等要素的垂向交换，在海洋物质能量循环和海-气相互过程中扮演了不可或缺的重要作用。本研究基于南海高分辨率现场观测数据并结合理论分析，揭示了亚中尺度动力不稳定的高频变化机制及其对垂向热输运的定量贡献。研究结果表明，南海混合层对称不稳定的昼夜高频变化，主要是由大气非绝热强迫所驱动，而非风场强迫（down-front wind forcing）。夜间海表冷却驱动的边界层浮力损失，通过增强亚中尺度动力不稳定和垂向次级环流，引起约60%的混合层亚中尺度再层化。进一步基于国家基金委共享航次计划重大科学问题航次的观测研究表明，海洋涡旋海域普遍存在的锋面亚中尺度过程引起的垂向净热通量高达100 W/m2，比经典地转理论和传统认识的中尺度贡献大1-2个量级，且影响深度深达150米海洋次表层，对上层海洋具有显著的加热效应。上述研究首次基于高时空分辨率现场观测定量揭示了海洋亚中尺度动力不稳定的快速变化机制及其对垂向热输运的重要贡献，明确了大气非绝热强迫的关键调控作用，对进一步深入认识和理解海洋亚中尺度动力过程及其生态气候效应、海洋与气候模式的亚中尺度参数化改进，以及助力“海洋亚中尺度动力学”前沿方向发展等具有重要科学意义。该研究主要由国家自然科学基金项目、国家自然科学基金共享航次计划资助完成。图1 （a）南海高时空分辨率现场观测；（b）TRIAXUS拖体高分辨率观测温度剖面；（c）涡旋活跃海域位温波数谱图2 （a）海表浮力通量、侧向浮力梯度与动力不稳定的昼夜变化；（b）亚中尺度不稳定再层化效应与小尺度混合去层化效应；（c）多尺度垂向热通量及其波数谱论文信息：Ruixi Zheng and Zhiyou Jing* (2024). Diurnal variability of mixed layer overturning instabilities from glider array observations in the South China Sea. Geophysical Research Letters,51 (11),e2023GL107694. https://doi.org/10.1029/2023GL107694Haijin Cao,Zhiyou Jing*,and Baylor Fox-Kemper (2024). Scale-dependent vertical heat transport inferred from quasi-synoptic submesoscale-resolving observations. Geophysical Research Letters,51 (12),e2024GL110190. https://doi.org/10.1029/2024GL110190

2024-07-18

南海海底扩张产生和传播方式研究取得新进展

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张翠梅、孙珍（通讯作者）、赵明辉、张佳政等科研人员，联合法国斯特拉斯堡大学教授Gianreto Manatschal和夏威夷大学教授Brian Taylor，利用南海北部IODP（综合大洋发现计划）钻井数据，结合多道反射地震和重磁资料的综合解释，在南海海底扩张产生和传播方面取得重要进展。相关研究发表于《盆地研究》（Basin Research）期刊上。位于陆壳和洋壳间的洋陆转换带（OCTs）对于研究破裂过程、初始海底扩张的年龄和位置至关重要，然而对OCT范围的划分却很少一致，因为没有统一的标准，或者资料系统的差异，产生了多种解释方案，进而制约了对初始海底扩张的认识。研究人员根据原始数据集，采用“钻井约束的综合地质-地球物理”方法，沿走向上定义了南海北部的OCT，探讨破裂过程，并将南海OCT与大西洋型张裂边缘OCT进行了比较。研究结果显示了整个南海北部发育狭窄的OCT，宽5-15公里（图1a）。OCT两端的陆壳和洋壳均呈现出复杂的走向分段。减薄陆壳在形状、趋势角和基底面粗糙度等方面显示出规律性变化。洋壳厚度从西部向中部和东部减薄。这些变化部分归因于继承的火山弧/弧前的背景。在南海东北部和中央次盆地磁异常C11期间，海底扩张首先在两个中心成核（如图1b中U1502钻探区），然后分别向西和向东传播，最终在异常C10r（29Ma）处发生了贯通（图1b），东北部和中部陆缘完全破裂。这一结果不支持北部边缘破裂是通过从东到西的简单传播模式。研究进一步对比了以南海为代表的边缘海型与大西洋贫/富岩浆陆缘原型，发现它们有一些相似之处，而在更多方面表现出显著差异；因此，提出在划分陆缘类型时，除岩浆供给外，伸展破裂速率也是需要考虑的重要因素。这项研究不仅深化了我们对边缘海形成的理解，也为分析全球其它张裂陆缘的岩石圈破裂和海底扩张提供了重要方法和科学借鉴。论文获得了广东省自然科学基金面上项目、国家自然科学基金项目，广州市科技项目的支持，并使用了自然基金委共享航次的部分数据以及国际大洋发现计划（IODP）的钻探成果。论文链接：https://doi.org/10.1111/bre.12882图1 （a）南海北部陆缘走向上OCT的范围；（b）中部钻探区破裂在C11时期成核

2024-07-17

华南植物园揭示森林类型调控土壤有机碳组分差异性响应外源磷输入机制

热带森林对外源养分的供应十分敏感，磷（P）与氮（N）的相对有效性在调控热带生态系统碳收支方面起着至关重要的作用，然而养分有效性如何调节热带森林碳（C）源汇转换尚不明确。生化选择过程中，植物来源复杂有机物的选择性保留和微生物周转形成的大分子有机物均是土壤有机碳（SOC）固持的重要途径。但是，生物过程驱动的SOC固存响应外源养分输入的生物驱动机制仍有待揭示。中国科学院华南植物园恢复生态学任务团队依托广东鹤山森林生态系统国家野外科学观测研究站和和小良热带海岸生态系统定位研究站的长期养分添加实验平台，研究了亚热带人工纯林和混交林植物来源和微生物来源的SOC组分对外源养分添加的响应。通过对来自全球62篇文献中的125对土壤养分添加实验研究结果的整合分析，量化了P添加对热带和亚热带森林SOC含量的影响。研究发现，两个亚热带人工林土壤0-20cm SOC含量未随P添加显著变化，这与整合分析结果一致。但是，土壤微生物群落组成和活性解释了亚热带森林SOC组分对P添加的差异性响应。纯林中植物底物质量较差，P添加引发土壤微生物群落组成的改变，导致微生物加速消耗微生物残体碳（MRC）以补充C源；而混交林中P添加改变植被群落组成，并促进微生物对N源的获取，从而加速了木质素和MRC的分解。混交林中微生物来源碳（特别是真菌MRC）和矿物结合有机C联系紧密，预示着长期P添加引起真菌MRC的减少将不利于热带森林土壤SOC的积累和稳定。相关研究成果于近日发表在国际学术期刊Science of the Total Environment上。华南植物园恢复生态学任务团队助理研究员李悦为论文第一作者，刘占锋研究员为通讯作者。上述研究得到了广东省重点领域研发计划和国家自然科学基金等项目资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.174672图. 亚热带人工纯林和混交林下生物来源有机碳组分对P添加的差异性响应

2024-07-17

侯永胜等- JGR-SE：熔体-岩石圈地幔高温反应实验约束夏威夷造盾期岩浆成因

板块俯冲和地幔柱活动是维系地球活力和实现地球层圈间物质循环的两大重要机制。洋岛玄武岩通常被认为是研究深俯冲物质再循环与地幔柱活动的理想对象，夏威夷岛造盾期玄武岩是其中的典范。经典模型认为，俯冲榴辉岩物质随地幔柱上升时，榴辉岩熔体与软流圈地幔橄榄岩由于化学不平衡发生反应，首先生成二次辉石岩，随后二次辉石岩熔体与地幔橄榄岩熔体按不同比例混合，导致夏威夷造盾期岩浆地球化学成分的多样性。二次辉石岩模型可以解释造盾期拉斑玄武岩高MgO、低CaO/Al2O3、高Ni含量和同位素富集等地球化学特征，但无法系统解释Mauna Loa和Mauna Kea两座火山的地球化学组成区别：尽管Mauna Loa相较于Mauna Kea的岩浆具有更低的CaO/Al2O3，且同位素组成更富集，但两者的全岩和橄榄石斑晶中的Ni含量却极为相似。经典模型忽视了榴辉岩/辉石岩熔融产生的熔体在迁移过程中与岩石圈地幔的反应。针对这一科学问题，中国科学院广州地球化学研究所的侯永胜博士在李洪颜研究员、王煜研究员和徐义刚院士等人的指导下，开展了一系列高温高压实验，模拟地幔柱环境下熔体与贫瘠方辉橄榄岩地幔的反应，旨在揭示反应温度、反应时间和熔岩比例等实验条件对熔岩成分的影响，探明经过熔体-岩石圈地幔反应后，熔体成分的演化趋势。研究取得主要认识如下：1）在高温条件下，富硅熔体通过溶解橄榄石并沉淀斜方辉石的方式与岩石圈地幔发生反应，高温、长反应时间以及低熔岩比等条件会加剧反应程度（图1）；2）富硅玄武质熔体与方辉橄榄岩在高温下反应可以演化为贫硅苦橄质熔体，在非平衡反应条件下（反应时间为2小时），残余熔体成分受橄榄石溶解、斜方辉石沉淀以及扩散作用的共同控制，随后在由非平衡向平衡反应的转换过程中（反应时间由2小时至24小时），残余熔体成分主要受扩散作用影响（图2）；3）榴辉岩熔体与岩石圈地幔方辉橄榄岩反应可以直接产生高SiO2、MgO和Ni，低CaO/Al2O3的残余熔体，类似夏威夷造盾期拉斑玄武岩。基于实验结果，研究者提出了新的两阶段模型来解释夏威夷造盾期玄武岩成因：在软流圈地幔形成的榴辉岩/辉石岩熔体，在向上运移过程中与贫瘠的方辉橄榄岩地幔发生反应，其中Mauna Kea相较于Mauna Loa，熔岩比更低（第一阶段）；随后反应熔体在浅部与橄榄岩熔体发生岩浆混合，其中Mauna Kea相较于Mauna Loa，橄榄岩熔体比例更高（第二阶段）。两个阶段对熔体中的Ni含量具有均衡作用，导致Mauna Kea和Mauna Loa的岩浆和橄榄石斑晶具有相似的Ni含量（图3）。该研究为理解地幔柱活动及其相关物质循环机制提供了新的视角。研究成果近期发表在国际地球科学领域期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上，该研究受到国家自然科学基金项目（92258303）和国家重点研发计划项目（2022YFF0801002）资助。论文信息：Hou,Y. S.（侯永胜）,Li,H. Y.*（李洪颜）,Wang,Y.（王煜）,Zhang,Y. F.（张艳飞）,Li,Y.（李元）,Xu,Y. G.（徐义刚） (2024). Experimental insights into the petrogenesis of plume-related magmas: Tholeiite-harzburgite interaction at 2–3 GPa and 1400–1500℃. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,129,e2023JB028467.论文链接：https://doi/10.1029/2023JB028467图1. 代表性实验产物结构（左图），包括上方的熔体层、中间的反应边界层（RBL)和下方的方辉橄榄岩层；反应温度、反应时间和熔岩比例对反应边界层厚度的影响（右图），边界层厚度可以代表反应程度图2. 矿物的溶解-沉淀作用和扩散作用对熔体成分的影响，非平衡状态下熔体成分受橄榄石溶解和斜方辉石沉淀的强烈调控，随后主要受扩散作用影响图3. 两阶段模型解释Mauna Loa和Mauna Kea橄榄石斑晶具有相似的Ni含量

2024-07-16

研究揭示阿留申-阿拉斯加俯冲带地震活动的控制机理

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邱强研究员，联合中山大学地球科学与工程学院李琳琳教授、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林间院士和杨晓东副研究员，以及日本东北大学灾害科学国际研究所的蔡婷博士后，开展了关于阿留申-阿拉斯加俯冲带地震活动规律及其破裂特征的重要研究工作，并在地震破裂类型与特征的控制机理方面取得了新认识。相关成果发表在《Quaternary Science Advances》期刊上。大洋俯冲带逆冲大断裂可产生不同破裂类型的地震，例如浅部破裂型海啸地震、贯穿型海沟破裂地震，理解特定断层区域的发震规律和地震破裂类型是定量评估地震和海啸灾害的前提。然而，俯冲带逆冲大断裂往往位于距陆地几百公里远、上千米水深的海沟处，开展近断层观测十分困难。因此，量化其活动规律与滑移特征存在较大挑战。研究人员对1750年以来的历史地震数据进行分析，特别聚焦于2020年Mw 7.8 Simeonof 地震和2021年Mw 8.2 Chignik 地震，发现Shumagin岛屿东部Semidi段与西部Shumagin段的地震活动存在显著差异（图1）。图1 阿留申-阿拉斯加俯冲带区域构造和历史大地震分布（上图）；自1750年以来该区域时空地震破裂分布特征（下图）研究团队通过融合海啸观测数据（DART）和陆地GNSS数据，采用了联合反演技术，揭示了这两次大地震的滑移模式（图2）。这些地震并未引发大规模海啸，原因可能在于它们在浅部的断裂过程中受到了结构限制，未能深入海沟。高分辨率地震反射剖面进一步证实了两地的地质构造差异显著（图3）。研究团队进行的二维全周期地震模拟显示，复杂断层结构下的地震破裂模式更不稳定且多样，东段（Semidi）的地震活动更倾向于产生不规则和多样的大地震，如2020-2021年的地震序列和1938年的地震，而西段（Shumagin）则倾向于较小规模的地震或缓慢滑移（图4）。当地震能量传播到浅部并触发增生楔中的高角度逆冲断层系统时，可能导致海啸风险的显著增加（图5）。图2 本研究揭示的2020年Mw 7.8 Simeonof（左图）和2021年Mw 8.2 Chignik地震（右图）滑移分布特征图3 俯冲带断层结构（下图）控制下的地震破裂特征（上图）图4 阿留申-阿拉斯加俯冲带区域，断层结构控制作用下的地震破裂特征图 5 大洋俯冲带外增生楔内部结构和宽度控制浅部放大效应的海啸灾害研究结论指出，Shumagin段的地震海啸灾害威胁相对较低，而Semidi段由于其特殊的断层结构和活跃的地震活动，具有较高的海啸灾害潜在风险。这一发现强调了断层结构对地震发生、破裂类型以及海啸影响的关键作用，为阿留申-阿拉斯加俯冲带的地震海啸灾害评估提供了科学依据，对全球地震海啸灾害研究具有重要的实践意义。这项研究不仅深化了我们对俯冲带地震活动的理解，也为未来地震预警和灾害管理提供了重要的科学指导。本研究受国家自然科学基金项目，中国科学院项目，广东省重点领域研发计划项目的资助。文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666033424000534?via%3Dihub

2024-07-16