地球科學Top 10 熱點前沿發展態勢

地球科學領域位居前10 位的熱點前沿 仍然集中在氣候變化、地球化學、固體地球物理學和地質學研究（表1 和圖1）。氣候變化研究熱點包括“末次間冰期CO? 濃度升高對海洋環流的影響”“大氣中的碳黑在氣候系統中的作用”“大氣氣溶膠成核機理研究”“塵埃及生物氣溶膠在大氣冰核核化過程中的作用”；地球化學研究熱點包括“熱帶地區森林碳儲量和碳排放估算研究”“CMIP5 地球系統模式對陸地碳循環的模擬與評估”；固體地球物理學和地質學研究熱點包括“利用好奇號任務開展蓋爾隕石坑的巖石礦物學研究”“中國華北克拉通前寒武紀地質演化研究”“頁巖氣儲層孔隙系統類型及表征”“流體注入誘發地震研究”。

表1  地球科學Top 10 熱點前沿

圖1  地球科學Top10 熱點前沿的施引論文

▋ 重點熱點前沿——中國華北克拉通前寒武紀地質演化研究

克拉通是大陸巖石圈中古老而又穩定的部分，一旦形成，大多可以長期穩定存在，并可以通過一系列碰撞造山事件與年輕的地殼不斷拼合，進而形成更大規模的大陸?？死軌虮４娲箨懙貧ぴ缙诘纳L和改造歷史，并與礦床形成、氣候變化和生物演化等過程密切相關，因此具有重要的科學研究價值。

中國華北克拉通是世界上最著名的古老陸塊，具有38 億年的漫長歷史。與其他克拉通相比，它的多階段構造演化史更為復雜，記錄了幾乎所有的地殼早期發展與中生代以來的重大構造事件。華北克拉通90% 的陸殼是在早前寒武紀形成的，絕大多數形成于中- 晚太古代，因此成為研究前寒武紀地殼演化和板塊運動的重要窗口。了解前寒武紀時期華北克拉通的地質演化可為地球早期地殼形成機制以及板塊構造從何時開始起主導作用等基礎研究提供依據。近年來中國華北克拉通愈發受到國內外研究者的關注。

熱點前沿“中國華北克拉通前寒武紀地質演化研究”的核心論文主要集中在揭示前寒武紀時期華北克拉通的地質構造與演化規律、成礦作用和拼合等方面。中國科學院地質與地球物理研究所翟明國院士等人發表的《華北克拉通前寒武紀地質學概述》（The early Precambrian odyssey of North China Craton: A synoptic overview）一文被引頻次最高，達519 次。該文對華北克拉通前寒武紀地質、地質年代學和構造等綜合信息進行了論述，受到科學界的極大關注。

表2  “中國華北克拉通前寒武紀地質演化研究”

研究前沿中48 篇核心論文的Top 產出國家和機構

根據對核心論文的產出國家和機構的分析（表2），中國在該前沿占有絕對優勢地位，參與了全部48 篇核心論文的產出工作，與6 個國家進行了合作。其中，中國與排名第2 的澳大利亞合作11 篇核心論文，與排名第3 的日本合作10 篇核心論文，與美國合作8 篇核心論文。核心論文Top10（并列12 所）機構中有8 所中國機構、2 所美國機構、1 所日本機構和1 所澳大利亞機構。中國地質大學（北京）表現尤其突出，在本前沿所有機構中位列第1，貢獻了27 篇核心論文，占所有核心論文的56.3%；其次是中國地質科學院；中國的香港大學和日本的高知大學并列第3；中國科學院緊隨其后。

表3  “中國華北克拉通前寒武紀地質演化研究”

研究前沿中施引論文的Top 產出國家和機構

從表3 可以看出，中國的施引論文最多，達1143 篇，占全部施引論文的93.2%。澳大利亞的施引論文位列第2，占15.1%。施引論文Top10 機構中有8 所中國機構、1 所日本機構和1 所澳大利亞機構。中國地質大學（北京）、中國科學院、中國地質科學院、中國地質大學（武漢）和北京大學是施引論文數最多的5 所機構。

▋ 重點熱點前沿——頁巖氣儲層孔隙系統類型及表征

頁巖氣是以游離、吸附和溶解狀態賦存于富有機質泥頁巖中的天然氣，與常規天然氣藏相比，具有含氣面積大、生產周期長、產量穩定的特點，資源潛力巨大。21 世紀初，美國和加拿大兩國率先實現了頁巖氣的商業性開發并取得巨大成功，引起世界各國政府和能源公司的高度重視，在世界范圍內掀起了頁巖氣研究和勘探的高潮。相關工作主要集中在基礎地質研究、水平井和水力壓裂技術攻關以及相關新型技術研發等領域。

在頁巖氣地球物理特征研究方面，由于頁巖氣主要儲集在頁巖孔隙空間之中，因此頁巖的孔隙特征是決定頁巖儲層含氣性的關鍵因素。目前，頁巖儲層孔隙可分為5 種基本類型，即粒間孔、礦物質孔、有機質孔、化石孔和微孔道。開展頁巖氣儲層孔隙類型相關研究和表征，對頁巖氣儲層的勘察和開發，具有非常重要的指導意義和應用價值。

該熱點前沿的40 篇核心論文集中在美國伍德福德（Woodford）、巴奈特（Barnett）等主要頁巖氣開發基地以及中國四川盆地天然氣頁巖的孔隙系統及其結構表征，探究了不同孔隙結構對甲烷吸附能力的影響。

從核心論文的產出國家看，10 個國家參與了相關研究。其中，中國和美國在該前沿并駕齊驅，分別貢獻了18 篇和17篇核心論文。澳大利亞和德國的核心論文分別為10 篇和7 篇。從核心論文的產出機構看，澳大利亞的聯邦科學與工業研究組織、德國的亞琛工業大學和美國的得克薩斯大學奧斯汀分校分別貢獻了6 篇核心論文。中國科學院參與了5 篇核心論文的工作，在本領域所有研究機構中位列第4。美國的得克薩斯大學奧斯汀分校的R.G. Loucks 等人發表的Spectrum of pore types and networks in mudrocks and a descriptive classifi cation for matrix-related mudrock pores 一文被引頻次最高，達242 次（表4）。

表4  “頁巖氣儲層孔隙系統類型及表征”

研究前沿中40 篇核心論文的Top 產出國家和機構

從不同國家和機構對該研究前沿的跟進情況看（表5），中國貢獻了488 篇施引論文，超過總數的一半，美國的施引論文有281 篇，占總施引論文的31.6%。中美兩國的施引論文數遠超其他國家。德國、澳大利亞和加拿大分別列第3 位、第4 位和第5 位。

中國石油大學（北京）、中國地質大學（北京）和中國科學院是發表施引論文數最多的3 所機構。

表5  “頁巖氣儲層孔隙系統類型及表征”

研究前沿中施引論文的Top 產出國家和機構

新興前沿及重點新興前沿解讀

▋ 新興前沿概述

地球科學領域2017 年只有“強親鐵和親銅元素在高溫條件下的地球化學行為”入選新興前沿（表6）。

表6  地球科學的1 個新興前沿

▋ 重點新興前沿——強親鐵和親銅元素在高溫條件下的地球化學行為

鉑族元素（鋨、銥、釕、銠、鉑、鈀）和錸等元素同時具備了高度的親鐵性（siderophile）和親銅性（chalcophile），因此相對于地核，其豐度在地殼和地幔中相對較低。在殼- 幔分異過程中，由于錸是中等程度的不相容元素，因此錸富集在地殼中；而鉑族元素則表現出相容性，富集于地幔。

鉑族元素性質相近但熔點上有所差異，致使其在演化過程中產生分異，因此鉑族元素是了解部分熔融、核- 幔和殼-幔相互作用、硫化物分異、結晶分異、巖漿演化及成礦作用有效的示蹤劑，可為地幔源區的演化和巖石學特征提供重要信息。

錸- 鋨（Re-Os）同位素體系（187Re 通過β- 衰變成187Os）獨特的地球化學特征使其成為對地幔熔體虧損事件等進行定年以及示蹤殼幔相互作用的重要工具。隨著錸- 鋨同位素測試方法的不斷改進與完善，近年來錸- 鋨同位素體系在天體地球化學、地幔地球化學、地質年代學、金屬礦床、沉積物、水體等各方面的定年與示蹤應用發展迅速。鉑- 鋨（Pt-Os）同位素體系（190Pt 經α- 衰變成186Os）則常被應用于地核成因、核幔相互作用、地幔演化和硫化物礦床定年等方面的研究。

2017 年地球科學領域新興前沿“強親鐵和親銅元素在高溫條件下的地球化學行為”中的核心論文聚焦在通過分析地球、火星、月球以及小行星中鉑族元素的分布，研究行星的演化過程，以及通過錸- 鋨和鉑- 鋨同位素體系，研究強親鐵和親銅元素在巖石圈地幔、火山巖、地幔巖之間的分布和地球化學行為。該前沿有10 篇核心論文，參與的國家包括德國、英國、加拿大、法國和美國。

本文摘編自《2017研究前沿及分析解讀 》（中國科學院科技戰略咨詢研究院，中國科學院文獻情報中心，英國科睿唯安著.北京：科學出版社，2018.7）一書“第4章 地球科學”，標題為編者所加。本文編輯：劉四旦