基于吸附等温线的表面分形研究及其地球科学应用

矿物岩石的表面微形貌和孔隙结构是影响其地球化学行为的关键因素，从纳米尺度上表征这一特征对地球化学动力学研究和材料研发有着重要的意义。重点介绍了基于吸附等温线的分形研究方法，以表征纳米尺度上矿物或岩石表面的不规则性和微孔隙结构。从该方法的物理化学原理出发，对比分析了其适用范围和样品限制。在综合当前煤岩学、土壤学、材料学等领域的应用研究成果的基础上，提出了该分形研究方法在地球科学研究中的应用前景和发展趋势。     

页岩气储层孔隙系统表征方法研究进展

页岩气是以游离、吸附和溶解状态赋存于暗色泥页岩中的天然气,页岩的孔隙特征是决定页岩储层含气性的关键因 素。页岩孔隙结构复杂,一般以纳米孔隙占优势,用常规储层孔隙的表征方法难以解释美国的高产页岩气系统。因此,页 岩纳米孔隙的表征成为制约页岩气资源评价的关键因素。在综述目前国际上对页岩气储层孔隙表征方法的基础上,对比分 析其各自的适用范围和应用前景。页岩储层孔隙的主要表征方法有3种:(1)以微区分析为主的图像分析技术;(2)以压 汞法和气体等温吸附为主的流体注入技术;(3)以核磁共振、中子小角散射 计算机断层成像技术为代表的非流体注入技术。 图像分析能够直观、方便、快捷地获取孔隙形态等方面的特征;流体注入法在表征微孔隙的孔径分布、比表面积等方面具 有独到优势;非流体注入技术由于其原位、无损分析及粒子高穿透力的特点,使研究多种地质条件下的孔隙特性成为可能。 在目前的技术条件下,应明确各种表征技术的优势与限制,根据实际情况合理建立孔隙研究流程,综合利用多种技术手段 能在不同的尺度下有效表征页岩气储层孔隙。     

微生物碳酸盐岩孔隙研究进展

微生物碳酸盐岩不仅是研究古环境、古气候和地质历史事件的重要沉积记录,也是油气资源重要的储层类型之一。不同微生物群落的生理活动特性影响了原生孔隙的形成及保存,微生物沉积形成的不同尺度的沉积组构影响了孔隙的孔径大小及空间分布。微生物碳酸盐岩微相及共生岩性的微相组合型式对孔隙有效性及规模有重要影响,所处沉积地貌及相带使得微生物碳酸盐岩受海水-大气水成岩环境的胶结-溶蚀作用次序及程度不同,导致孔隙的非均质性。微生物相关的白云石化、胶结及岩溶等不同成岩作用,因其所处成岩阶段不同,而分别可能起到形成原生孔隙、保护残余孔隙及形成次生孔隙等不同效果,因而对孔隙形成及保存具有积极意义。微生物碳酸盐岩孔隙具有从纳米-亚微米级微孔隙到厘米甚至米级宏观孔隙等多个尺度,且与多尺度沉积结构构造有一定的耦合关系。因此,需要合理配置不同尺度样品的空间分布,运用多种方法技术表征不同尺度的孔隙,并增强各类数据的融合。此外,加强地质学科与地球物理学科的结合,是推动微生物碳酸盐岩油气储集层地质研究和勘探开发工作的重要途径。     

纳米颗粒物:独具特性的地球化学组成

至少一维尺度上小于100 nm的颗粒物均称为纳米颗粒物,在人工纳米颗粒物产生的几十亿年前,地球已经通过其特有的生物地球化学过程合成各类天然纳米颗粒物.这些纳米颗粒物及其次生产物具有独特的理化特性,并参与各种地球化学过程,体现其非凡的地球化学意义.从地球化学的角度,解析了环境纳米颗粒物的定义和分类,重点阐述了风化壳与水体中天然和次生纳米颗粒物的形成,并在天然纳米颗粒物中区分了纳米矿物和矿物纳米颗粒物;同时,也讨论了大气纳米颗粒物的来源、成因与环境影响.该综述列举了目前环境中纳米颗粒物表征与鉴别的技术和方法,重点剖析了纳米颗粒物的地球化学功能和环境意义,并对该领域的研究前沿问题进行了概述.      

基于扫描电镜和JMicroVision图像分析软件的泥页岩孔隙结构表征研究

孔隙发育特征是泥页岩储集能力评价的关键参数之一。扫描电镜观察法已普遍用于描述泥页岩的孔隙发育特征,但是目前文献中对泥页岩微孔隙类型划分比较混乱,孔隙结构特征参数的表征以定性描述为主,缺乏定量表征手段。本文选取了18个泥页岩样品为研究对象,通过氩离子抛光和高分辨率扫描电子显微镜图像观察,基于孔隙发育形态、位置及成因,对样品中不同孔隙进行类型划分;结合JMicroVision图像分析软件,应用泥页岩微孔隙描述技术和孔隙尺度分类统计技术,统计不同类型孔隙发育数量、孔径大小、面孔率、形状系数、概率熵等参数,对其分布特征进行评价。研究表明,晶(粒)间孔隙和有机孔隙比较发育,其次为晶(粒)内孔和晶间隙。不同类型孔隙其孔径分布以纳米级为主,不同类型孔隙分布较无序,其概率熵主要分布在0.5～0.7之间,对应的形状系数分布差异也较大。有机质孔隙的形状系数主要分布在0.6～0.7范围内,形状分布以椭圆形或近似圆形为主,晶(粒)间孔隙和晶(粒)内孔隙的形状系数主要分布在0.3～0.7,分析晶(粒)间孔隙和晶(粒)内孔隙形状系数分布特征主要是受原始孔隙形态、压实作用和溶蚀作用的影响。研究认为,SEM与JMicroVision相结合是定量研究不同类型微孔发育特征的有效手段,为研究微孔的形成和演化奠定了基础。     

特约主题:纳米地质学

正编者按语:地质学经过几百年的发展,在宏观和微观领域已经取得了重大进展。伴随着科技的巨大进步,地质学正向更宏观和更微观两个明显的方向发展,即天体地质学和纳米地质学。由于纳米颗粒和纳米孔隙具有显著的特有属性,研究地质作用过程中纳米结构的形成、演化和聚集具有重要的科学价值。地学领域已经引入纳米科技,并在矿物学、岩石学、地球化学、构造地质、能源地质学和矿床学等领域取得了一定的研究成果。纳米地质学因自身的特异性,比其他学科更为复杂,其尺度问题、关键难题、以及测试与表征问题尚未解决,缺乏系统和综合的纳米地质学理论。     

页岩纳米孔隙研究新进展

随着页岩油气勘探的兴起及近年来北美地区页岩油气开发取得的巨大成功,含气页岩储层的孔隙研究受到越来越多的重视。页岩储层不同于常规储层,其以纳米孔隙为主,无法用常规储层孔隙研究方法进行表征和评价。对目前国内外含气页岩孔隙分类及孔隙表征方法进行了综述,从定性及定量的角度对表征方法进行归类和总结,指出了各类方法的优缺点及应用范围。定性表征方法主要是利用聚焦离子束扫描电子显微镜、高分辨率的场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、宽离子束扫描电子显微镜、原子力显微镜等电子显微成像分析技术及Nano-CT技术等直观描述页岩孔隙的几何形态、连通性和充填情况等;定量表征方法是利用气体吸附法、压汞实验、小角散射及核磁共振等技术定量分析页岩孔径大小及分布、比表面积等。进一步探讨了含气页岩纳米孔隙发育演化的控制因素以及纳米孔隙对页岩气聚集的影响。展望未来,在页岩纳米孔隙结构表征技术方面,应不断提高实验精度和效率,定性与定量表征相结合,改进三维成像技术;在页岩纳米孔隙储层评价研究方面,纳米孔隙发育演化的控制因素、纳米孔隙储层的储气及产气能力、陆相非均质页岩纳米孔隙的表征与评价是关注的重点领域。     

序言

正地球科学经过几百年的发展,在宏观和微观领域已经取得了重大进展.伴随着科技的巨大进步,地球科学正向超宏观和超微观的两个方向发展:行星地球科学和纳米地球科学.纳米地球科学指以纳米科学与地球科学为依托,以纳米技术与地学工具为手段,以地球物质为研究对象,对地球各圈层中纳米微粒和孔隙进行分析研究,从而揭示地学现象和过程中纳米尺度信息以及成因规律的科学.     

四川盆地下古生界黑色页岩纳米孔隙形态的影响因素及其地质意义

以场发射扫描电镜与Pores and Cracks Analysis System （PCAS） 图像处理软件为主要研究手段,以形状系数为孔隙形态表征参数,并选取低压N2吸附等为辅助研究手段,对四川盆地及周缘地区的典型钻井A-D 井龙马溪组及筇竹寺组黑色页岩中纳米孔隙的形态特征进行定量研究。研究发现黑色页岩纳米孔隙形态受孔隙类型（赋存位置）、有机质显微组分、地层埋藏深度、热成熟度及孔隙尺寸等因素综合控制。具体体现在：（1） 有机质孔、粒间孔和粒内孔所占比例、孔径分布与孔隙形态具有明显差异,反映这三类孔隙的演化受成岩作用的影响不同。（2） 固体沥青纳米孔隙比其他显微组分中的纳米孔隙更加规则。（3） 与埋藏深度密切相关的压实作用很可能会在垂向上压缩孔隙,一方面令孔径缩小,另一方面让孔隙形态往狭长–裂缝形发展。（4） 有机质孔形态随热成熟度升高总体上会变得更加规则,但这种趋势可能会被孔隙间的合并及压实作用等破坏。（5） 面积更小的孔隙形态往往比面积更大的孔隙更规则。初步研究显示固体沥青纳米孔隙形态代表着高过成熟页岩气储层中主体储集空间所处压力环境,但固体沥青纳米孔隙形态随孔隙压力的演化模式及利用固体沥青纳米孔隙形态表征其所在层系异常高压维持状况及页岩气保存状况的可能性尚需进一步研究。     

四川盆地下古生界黑色页岩纳米孔隙形态的影响因素及其地质意义

以场发射扫描电镜与Pores and Cracks Analysis System （PCAS） 图像处理软件为主要研究手段，以形状系数为孔隙形态表征参数，并选取低压N2吸附等为辅助研究手段，对四川盆地及周缘地区的典型钻井A-D 井龙马溪组及筇竹寺组黑色页岩中纳米孔隙的形态特征进行定量研究。研究发现黑色页岩纳米孔隙形态受孔隙类型（赋存位置）、有机质显微组分、地层埋藏深度、热成熟度及孔隙尺寸等因素综合控制。具体体现在：（1） 有机质孔、粒间孔和粒内孔所占比例、孔径分布与孔隙形态具有明显差异，反映这三类孔隙的演化受成岩作用的影响不同。（2） 固体沥青纳米孔隙比其他显微组分中的纳米孔隙更加规则。（3） 与埋藏深度密切相关的压实作用很可能会在垂向上压缩孔隙，一方面令孔径缩小，另一方面让孔隙形态往狭长–裂缝形发展。（4） 有机质孔形态随热成熟度升高总体上会变得更加规则，但这种趋势可能会被孔隙间的合并及压实作用等破坏。（5） 面积更小的孔隙形态往往比面积更大的孔隙更规则。初步研究显示固体沥青纳米孔隙形态代表着高过成熟页岩气储层中主体储集空间所处压力环境，但固体沥青纳米孔隙形态随孔隙压力的演化模式及利用固体沥青纳米孔隙形态表征其所在层系异常高压维持状况及页岩气保存状况的可能性尚需进一步研究。     

新形势下《地球科学概论》课程改革的实践与思考

在加快推动“双一流”建设和交叉学科发展的背景下,传统的地球科学也逐步向地球系统科学转变,对地学人才培养提出了新的期待和要求。为了更好地适应行业发展需要和学科特色发展,需要对地学人才培养模式进行多样化创新,构建新时代地学拔尖人才培养体系。《地球科学概论》是地学类专业入门的基础课程,论文从优化教学大纲、加强课程思政、注重大师引领、改变教学方法和倡导理工结合等五个方面对课程进行了联动协同改革,对地学拔尖人才培养进行了有益的实践和思考。     

地球系统科学的发展与展望

简要回顾了地球系统科学从20世纪80年代作为人类迎接全球环境问题的挑战而提出的集成研究方法、到逐步成长为一门新兴学科的发展历程，系统阐述了地球系统科学的研究目标、研究对象、研究方法及所关注的科学问题。地球系统科学是一门连接地球科学、生命科学、计算机和对地观测技术以及其它相关科学的一门新兴的交叉学科。由于它所针对的特定的全球性环境问题，关系到社会的可持续发展和人类的切身利益，因此，它也是一门有极强生命力的科学。     

关于中国大陆动力学与造山带研究的几点思考

根据人类社会和我国发展的新需求和当代地学的新发展，就我国大陆动力学造山带研究的学术思路、起点、科学目标和关键科学问题与主要研究内容及方法进行了分析讨论，提出了几点思考建议。面对地学 发展的挑战与机遇，制定地学前沿领域研究战略，面向全球，从我国大陆地质实际出发，充分发挥地域优势与特色，突出中国大陆动力学关键科学问题，建立持续研究基地，重点解剖，重点突破。以大陆动力学研究为突破口、源头创新，参与国际地学发展与竞争，进入世界地学先进行列，为我国从地学大国走向地学强国而努力，作为中国应有的贡献。     

环境地质科学的基本理论与发展前景

环境问题已在全球范围内引起广泛重视,地质科学在其中起着重要的作用。地质环境受自然与人类两大主要因素的影响,涉及的范围大很广,所以在对环境地质科学的研究中必须用现代科学的新理论为基础,建立新的理论体系,创立一个美好的环境地质科学的发展前景。     

论旅游地学与地质公园的创立及发展,兼论中国地质遗迹资源——为庆祝中国地质科学院建院60周年而作

笔者从中国地质科学院建立之始,就随着地质部陈列馆(即现中国地质博物馆)划归中国地质科学院领导,而成为其创始研究人员,60年来从没离开过,因此见证了其全部历史。在中国地质科学院工作过程中,以笔者为主,利用中国地质科学院的学科优势和挂靠单位中国地质学会学术团体这个全国性学术交流平台的有利条件,将地球科学运用到为中国旅游业发展服务中去,从而创立了一门地学与旅游相结合的新学科——旅游地学(Tourism Earth-science);在旅游地学理论指导下,提出了建立地质公园的建议和一整套实施方案,经过艰辛努力,终于促使地质公园得以建立;地质遗迹是建立地质公园和发展旅游业的重要地质资源,是旅游地学的主要研究对象。旅游地学与地质公园都是中国地质工作者的首创,是中国地质科学院的重大科学研究成果之一,其在中国地质工作发展史上具有里程碑意义。本文将旅游地学和地质公园产生的历史背景、研究内容、发展过程、建设现状与国内外发展趋势,以及地质遗迹资源的类型划分、评价准则、形成与分布规律、应用保护现状综述如下,以作为献给中国地质科学院建院60周年的礼物。     

地球科学知识体系编辑平台

随着信息技术和地球科学的发展,地球科学领域数据快速增长,积累了海量数据,亟需建立领域知识图谱促进地球科学大数据的利用。因此深时数字地球（DDE）提出构建地学知识库和知识图谱,为未来的地学研究提供新一代的基础科研工具,促进研究范式的变革。文章回顾了知识图谱的发展历史,对主要知识体系构建工具进行了调研。结合地球科学学科特点,梳理了地球科学知识体系对构建工具的需求,并设计和实现了一个面向地球科学知识体系的专业编辑平台：“地球科学知识体系编辑平台”。平台具有操作简单、协同编辑、协同审核等一系列特点,基本满足地球科学知识体系的建设需求,填补了这一领域的空白。平台上线以来,已经有18个地球科学领域的专业学科人员在线协同构建,极大提高了地球科学知识图谱建设的效率。在此基础上,结合目前地球科学知识图谱建设状况,从技术角度出发,对地球科学知识体系编辑平台的后续发展方向进行了讨论。     

实验地球科学的前沿与发展战略

实验地球科学是利用实验装置和技术模拟地球内部的高温高压条件,开展地球内部物质的物理和化学属性与地球内部过程研究. 我国的实验地球科学在过去10年得到了快速发展,已成为国际高温高压实验领域的一支重要研究力量. 主要介绍了实验地球科学的定义与战略价值,简述了我国实验地球科学的发展现状与薄弱环节,提出了未来学科发展的思路和重要举措,并展望了学科未来的优先发展方向.      

华南成矿省福建魁歧晶洞花岗岩样品孔隙 结构的工业X CT三维可视化研究

地球科学的发展与各种分析测试技术密不可分。尤其是,随着现代科技的长足进步,产生了更为先进的现代分析测试手段使其在地球科学中的作用日益为世人瞩目,工业X-CT(X-ray Computed Tomography)测量技术即是其中之一。它具有形象、直观显示地质岩矿样品内部的、无损的、原位的二维或三维(立体)信息等特点,可实现对地质岩矿样品CT二维断层图像进行全数字化的三维可视化处理与分析。本研究针对华南成矿省福建魁歧晶洞花岗岩KQ-6样品的孔隙结构,依据工业X-CT技术的原理及方法,获得了样品的CT二维序列图像,借助于数字图像处理分析工具,得到了样品的孔隙度和孔径分布统计结果,孔隙度测量值为8.14%,孔径尺寸0.4~2mm;基于此,开展了该地质样品的三维可视化孔隙结构研究,获得了样品的孔隙连通的拓扑图形,直观展现了样品内部孔隙连通性,这对精细刻画地质样品内部结构特征及成矿流体的研究具有重要意义。     

地质摩擦学——摩擦学在地球科学中的应用与发展

近十几年来,摩擦学学者也开始对地质摩擦现象发生兴趣,并提出了“地质摩擦学”这个概念。然而,人们对地质摩擦学的定义、研究对象、研究范围、理论基础和研究方法都还缺乏明确的认识。因此,文章在综述地质摩擦现象及其研究概况的基础上,通过分析地质摩擦学形成与发展的过程,应用关于科学发展的库恩模型分析了地质摩擦学的发展,并提出了地质摩擦学的定义,确定了其研究对象和范围,建立了地质摩擦学的学科框架,从而为地质摩擦学的进一步发展奠定了初步基础。认为建立地质摩擦学,将使摩擦学和地球科学这两方面的研究人员紧密地联合起来,统一处理和研究地质摩擦现象,这样就能够更有效地把摩擦学和地球科学各分支学科的理论和方法综合应用到地质摩擦现象的研究中去,以解决分散在地学领域各分支学科中的由于缺乏某些更有效的研究方法而难以解决的问题。     

关于新时代实物地质资料科普发展的思考 ——以自然资源实物地质资料中心为例

实物地质资料是地质工作形成的最直接、最重要成果的体现,是地下地质情况最真实的信息记录载体,蕴藏着丰富的地质信息和地学知识,并具有原始性、唯一性、不可再生性、潜在价值巨大、获取成本高等特点,对我国国民经济建设和社会发展以及地球科学研究、地学科普等具有重要支撑作用。充分利用数字化、信息提取与挖掘、虚拟现实、互联网等技术,将实物地质资料科学、高效利用起来,切实转变实物地质资料科普观念,加强实物地质资料科普化研究,丰富实物地质资料科普形式,注重实物地质资料科普人才队伍建设,推进新时代实物地质资料科普工作高质量发展,进一步增强科普功能,提升新时代全民地球科学素养,对构建世界一流的岩芯管理体系具有重要现实意义。