科学研究
行星科学国际研究中心科研成果
作者:周冬冬2023/11/22

序号

姓名

科研成果

1

刘耘

刘耘从事理论与计算地球化学、计算地球动力学和行星增生动力学研究。

刘耘课题组曾建立多种同位素分馏效应的理论方法,获得同行广泛认可。包括建立了含众多高阶能量项校正的、高精度的同位素平衡分馏理论和计算方法,使定量研究H同位素以及超冷过程等含强量子效应的分馏成为可能;建立了高温岩浆体系在热梯度下的分馏理论;建立了微小非质量分馏的理论;指出学界使用基于Hertz-Knudsen的不当之处,建立了新的气化过程同位素分馏理论;建立了固体中同位素扩散分馏理论和计算方法,将前人半经验的理论方法,提升至第一性原理的精度;建立了针对重金属同位素体系的处理核体积效应的理论计算方法。
目前还在进行同位素磁效应的理论体系的建设,这一效应,是自然界发现的各种同位素非质量分馏的重要原因之一,但是相关的理论体系因为极其复杂而一直未曾建立。

刘耘课题组曾经在研究前板块构造运动方向,做过一些计算地球动力学的工作,正在逐步厘清热管构造运动的各种限制条件和过程的细节。

刘耘课题组曾经自主建立了国内第一个基于SPH方法的大碰撞软件平台,包含对极高温和极高压下物质状态的计算处理,并用于研究月球形成大碰撞的详细过程。提出“核-核融合大碰撞模型”是满足所有地球化学观察事实的最好的模型。目前在继续研究早期地球和月球体系的热演化过程。

2

张兆峰

张兆峰近二十年来一直从事同位素地球化学和天体化学方面的研究,先后在中国科大、南京大学、美国伊利诺伊大学香槟分校、美国西北大学、中科院广州地化所学习和工作过。为2012年度“中国科学院引进杰出技术人才”、2018年度“中国科学院现有关键技术人才”、2021年度四川省创新领军人才获得者。主持国家基金委重大项目子课题、重点项目、面上项目,科技部重点研发计划课题、中科院先导专项B子课题、国防科工局行星科学课题等十余项。


张兆峰课题组是国际上矿物间同位素分馏特征及意义、多同位素体系联合示踪等研究领域和前沿方向的积极倡导者和实践者。2015年以来,在相应研究领域共发表各类论文60余篇,其中NI期刊论文约30篇,多集中在地球化学和行星科学顶级期刊GCA、EPSL、JGR-Solid Earth上;在分析类顶级期刊AC、GGR、JAAS和IJMS上共发表论文15篇。其主要贡献包括:
1)在国内率先自主独立研发Ca、Ce等同位素分析技术、在实验原理、实践性能、分析理论和机制等方面做出了系统的原创性贡献。
2)在研发出高精度的分析方法基础上,准确制约硅酸盐地球、月球、灶神星等主要储库Ca同位素组成特征以及限定高温过程中Ca同位素分馏机理等方面取得了系统性原创成果,促进了行星形成及演化相关过程研究进展。
3)在用Ca同位素示踪深部碳循环、变价金属元素示踪深部氧循环以及研究行星演化过程等方面获得了一些原创性认识。

6

刘芳

刘芳从事分析地球化学、金属同位素地球化学以及质谱技术相关的研究。作为骨干成员,参与建立了国内的非传统钙同位素分析方法,采用双稀释剂技术,将分析精度达到了国际一流水平。系统测定了大量标样的钙同位素组成,为钙同位素在地球科学中的应用提供了重要的标尺。针对富钙的单矿物和岩石,首次系统地进行化学流程与否的对比实验,为测量富钙样品提供了高效便捷的方法。基于建立的钙同位素分析技术,探讨了钙同位素在典型高温地质过程中的分馏行为,并率先提出钙镁等多元素同位素体系技术联合示踪深部碳循环过程,以腾冲火山岩为研究对象,提出了约5-8%的沉积碳酸盐加入了地幔源区。

正在进行的工作是稀土同位素分析技术的研发与应用。由于稀土元素之间具有高度相似的地球化学性质,单独分离某一种稀土元素难度很高。目前已经成功建立了铈和钕的稳定同位素分析技术,不仅测试的精度达到了国际领先水平,而且样品用量低,适用于绝大多数样品。下一步继续建立适用于超低含量样品的稀土分析技术,为稀土同位素地球化学的应用提供技术支撑。将来的工作将聚焦于稀土同位素在高温地质过程以及天体化学中的应用。

7

安亚军

安亚军副研究员主要从事非传统稳定同位素地球化学的新技术新方法、主要储库和分馏机理及其在地球科学和行星科学中的应用;同位素分析方法和火成岩的Mg-Fe同位素地球化学、古老克拉通的演化历史;以及质谱仪器分析技能、实验室建设和管理;下一步主要关注新技术新方法的开发以及在行星科学方面的应用。


注重技术研发与科研实践相结合,瞄准国际前沿热点,主持和参与多项科研项目,在火成岩的Mg-Fe同位素地球化学、古老克拉通的演化历史等方面取得原创性成果。
在国内不同实验室(中国科学技术大学、中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院广州地球化学研究所),率先成功建立专门针对低Mg含量样品的高精度Mg同位素分析技术这一国际难题。并对此技术进行优化,继而成功研发出高Ca低Mg(如方解石,Ca/Mg (mol/mol) >800)样品的镁同位素精准测定,解决了此类样品的测定难题。这方面的探索是准确测定低Mg超低Mg样品Mg同位素的必经途径。


在推进中国国家标样国际化、标样国际国内实验室对比方面做出了实质性的贡献。如首次系统限定了34个中国地质标样的Ba同位素组成,并参与Ca同位素组成的限定及Fe同位素组成的检验等;和国内外不同实验室已建立长期的标样对比合作关系。


擅长多种同位素分析技术及多种质谱仪器分析技能。熟悉各类不同同位素体系的化学分离技术,个别同位素体系如V等为国内国际稀有;在Neptune (Neptune plus)  MC-ICP-MS及Nu 1700 MC-ICP-MS等仪器上建立和研发出科研人员所需的多种同位素体系质谱测定技术,包括Fe、Mg、Sr、Nd、Pb、Ba等,同时积极根据需求尝试新型同位素体系,如Si、U、Ca、Cd、Ce等,为所内外相关科研工作提供了有力保障。

8

李春辉

李春辉,副研究员,德国柏林自由大学博士(2016)、中国科学技术大学博士后(2020)以及德国科隆大学访问学者(2023~2024)。他的主要研究思路是将对天然样品的地球化学测量和基于量子化学的地球化学理论计算结合起来,理清元素及同位素在类地行星不同圈层和过程中的分配机制,进而探讨早期地球与类地行星的起源和演化。

在天然样品的地球化学测量方面,他与合作者测定了地球上最古老地幔岩石的铂族元素含量和硫同位素组成(2018 Geology,2023 Chemical Geology),为研究地球的晚期薄层增生提供了有力制约;他还与合作者重新估算了硅酸盐地球的钒同位素组成(2018 GCA),为更好地理解类地行星分异演化提供了新数据。目前他仍在该方向做其它新的尝试与努力。

在基于量子化学的地球化学计算方面,他与合作者计算了核幔分异和类地行星增生时去气作用造成的硫同位素平衡分馏常数,为地球及其它类地行星的挥发性元素起源提供了坚实的证据与新的理论(2021, Nature Geoscience)。目前他仍在该方向努力探索。

在科研的同时,他还完成了不少本科和研究生教学工作。曾授或在授的本科课程包括行星科学导论、地球化学、峨眉山地质认识实习、科研训练计划等,研究生课程包括同位素地球化学和高等地球化学等。近期计划出版相关课程的配套教材,敬请关注。

10

李雪芳

李雪芳主要从事理论与计算地球化学研究。


针对粒子在固体中的两种主要扩散机制,间隙和空位,目前建立了同位素以间隙扩散机的更加围观、精确的理论和计算方法。空位扩散机制下的同位素效应理论建设仍然在不断完善中。此类理论工作的开展,不仅可以解释现有的实验数据,挖掘到扩散过程的机制机理; 还可以提供不同温度和压力条件下的同位素扩散数据;为研究对象经历的热历史有更清晰的认识。


在有温度梯度存在的体系中,热扩散作用不仅导致元素在高温端和低温端发生明显分异,同位素也会在两端发生显著的分馏,本人曾基于量子力学及统计力学理论,对热梯度下同位素分馏进行了深入研究,推导出了定量的计算公式,把看似复杂的热扩散过程同位素分馏计算大大简化了,任何人都可以用它方便地计算几乎所有同位素体系在高温热梯度下的分馏,可以应用于许多行星科学相关过程的研究。


本人曾运用 Urey 模型结合量子化学计算方法,对 Ge 和 Se 的同位素地质体间的平衡分馏进行过精确地计算。首次提供了自然水体中Ge物种之间的 同位素平衡分馏系数,这些数据是后期所有研究Ge同位素的基础。Se 同位素的计算暗示在一些静海相,比较还原的环境,比如黑色页岩,煤系都可能是富集轻 Se 同位素的“汇”;结果表明氧化还原是控制同位素分馏的一个重要因素,大的分馏显示了 Se 同位素可以作为一个还原条件的指示剂。

11

尹坤

尹坤从事理论与计算矿物物理学研究。

尹坤课题组曾在地球下地幔物质组成方向做过一些基于第一性原理的计算,包括俯冲板片中富铝矿物的热弹性性质和状态方程,含铁硅酸盐熔体的输运性质,以及惰性气体元素在下地幔矿物和熔体间的分配等。

尹坤课题组还建立了构建三维吉布斯热力学曲面的方法,并且利用该方法系统研究了均匀晶体过热熔化现象背后的物理意义和热力学路径,给出了过热极限的判据。

尹坤课题组还确定了地幔主要矿物的熔化曲线,发现了毛钙硅石具有极高的熔点,很可能是地幔最难熔矿物,为理解岩浆洋固化,地球热演化历史和解释地幔异常体的起源等提供参考。

13

张普

张普研究员一直从事同位素地球化学和早期地球气候环境演化方面的研究,是国内率先建立高精度稀释剂法碳酸盐U-Pb,U-Th年代方法、水体和颗粒物超痕量样品U,Th,Pa同位素分析、碳酸盐三氧同位素分析方法和生物标志化合物单体同位素分析技术的践行者和领军人才,也是将铀系同位素首次创新性地应用于青藏高原地区湖泊古风化历史评估、湖泊年代学、化石年代学和前寒武纪碳酸盐岩的U-Pb绝对年代的倡导者和实践者,为促进我国早第四纪和前寒武纪古气候及古环境研究提供了重要的技术支撑,同时为建立高分辨率的古气候记录提供了可能。


申请人共发表论文约40篇,近5年在相应研究领域共发表各类论文21篇,其中第一及通讯作者SCI论文8篇,出版专著1部,作为主要参与者发表Nature Index期刊论文6篇,包括EPSL、GRL、 PNAS、 GCA等国际一流地学期刊。获得2022四川省天府峨眉青年人才一项,获得行业团体标准1项,公开专利2项。主持和参与国家及省部级等项目共6项,其中主持国家自然科学基金面上项目2项,参与国家基金委中心项目1项。申请人优势领域和研究方向主要包括:(1)全球气候环境变化重建亟需的同位素分析技术方法的建立;(2)运用同位素示踪各种地球和行星演化等过程。

14

王达

My research focuses on the early evolution of the Earth and solar system, from a perspective of radiogenic isotopes, geochronology and nucleosynthetic anomalies of stable isotopes. The major tools include the long-lived and short-lived radiogenic isotopes such as 146,147Sm - 142,143Nd, Lu-Hf and 182W systems etc., and isotopic anomalies of K and Nd.

 
Among these isotopic systems, the precision has been pushed toward the limit of the current generation of mass spectrometer (e.g., 142Nd/144Nd precision of 2 ppm, Wang and Carlson, 2022 JAAS). The short-lived isotope systems have been used to understand the origin of the earliest crust on Earth and the early evolution of Earth prior to 3.5 Ga (e.g., Wang et al., 2023 EPSL; Wang et al., 2022 GCA).


Another aspect of my research focuses on cosmochemistry and the building blocks of Earth. Recently, a new technique has been developed for measuring ultra-high precision 40K isotopic anomaly, which led to the first comprehensive dataset of samples from Earth, Mars and different meteorite groups (Nie & Wang et., 2023 Science). This work has updated the community’s view on the origin of volatile elements on Earth.


The analytical capacity of my research group also involves in-situ techniques, such as laser ablation split stream measuring U-Pb and Lu-Hf or Sm-Nd isotopes simultaneously (e.g., Wang et al., 2022 PR). These techniques were applied for constraining the orogenic processes in subduction zones (e.g., Wang et al., 2019 JMG; Wang et al., 2021 Chem. Geol.), and also used to study the oldest rocks on Earth to investigate the nature and formation of the early crust in the first 500 million years since the birth of our planet (ongoing work).


All above analytical techniques are available and routinely applied in the mass spectrometry laboratory at the Research Center for Planetary Science at CDUT. 

22

高才洪

高才洪主要从事同位素理论计算及其应用研究工作

曾完善了精确计算矿物-溶液间平衡同位素分馏的计算方法,即可变体积的分子簇方法(VVCM),并且将其应用到Mg同位素的计算当中,解释了常见碳酸盐与溶液间分馏系数存在较大差异的原因;曾通过理论计算不同的矿物,溶液及分子间的Br同位素分馏解释了自然样品中Br同位素分馏偏大的原因,并建立了蒸发岩沉积过程Br同位素分馏行为模型;提出了可以结合路劲积分模拟和机器学习立场来精确计算H同位素分馏,该方法有着很强的普适性,几乎可以应用于任何体系(如矿物,溶液,气态分子等)的H同位素分馏计算当中。

目前从事研究工作是俯冲带脱水过程H同位素的分馏及压力变化对其影响,并且对地球水及H同位素的循环有着浓厚的兴趣。

23

庞润连

庞润连主要从事地外物质研究,以陨石和返回样品为对象,综合运用扫描电子显微镜、电子探针、拉曼光谱、透射电镜等多种微区原位分析技术开展地外物质微纳米尺度到原子水平的形貌、晶体结构、化学成分等研究,同时利用多接收等离子体质谱仪和热电离质谱仪等多种技术手段分析陨石地球化学特征,揭示太阳系小天体经历的地质过程,以及认识地外物质的来源和早期演化。研究内容涉及天体撞击的矿物学效应、小天体表面次生过程(热变质、空间风化和流体蚀变等)的岩相记录、地外物质的源区分析等,在基于灶神星陨石、嫦娥五号月球返回样品、月球陨石等样品研究中获得系列原创成果,如在灶神星陨石中发现了多种高压相(超硅石榴子石、富阳离子缺位单斜辉石、钙硬玉和灶神星矿),其中灶神星矿(FeTi)Ti3O9是首个在该类陨石中发现的新矿物,刷新了人们以往对灶神星高压矿物和冲击变质作用的认识;在第一批嫦娥五号返回的月壤样品研究中报道了共生的二氧化硅的高压相:赛石英和斯石英,为前人通过遥感数据分析提出的嫦娥五号采样区存在远处撞击坑溅射物的观点提供了重要证据。

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刘婷

刘婷从事变质岩石学以及前寒武纪地质学方面的研究工作。主要对华北克拉通东部陆块冀东地体内太古宙表壳岩进行变质作用研究。曾结合主、微量元素地质温度计以及相平衡模拟确定泥质及基性麻粒岩的超高温变质条件,并且在泥质麻粒岩中识别出斜方辉石+矽线石+石英的典型超高温矿物组合,证实了华北克拉通太古宙超高温变质作用的存在;其次通过岩相学以及相平衡模拟确定同一地体中不同变质级别的表壳岩具有相反的变质轨迹,表现为麻粒岩相逆时针而角闪岩相顺时针的特点,建立该地体表壳岩的变质模式;同时将该地体表壳岩的变质特点与其它太古宙克拉通及数值模拟结果进行对比,提出垂向构造体制在新太古代晚期依旧存在的观点。目前主要致力于对该垂向构造过程进行进一步的时间约束,完善其中的细节,比如垂向构造运动的触发机制、TTG的温度及来源、超高温变质作用的热源、太古宙晚期地球的热状态等。在以后的工作中,将继续研究地球早期热演化过程及构造体制转变,并尝试以相平衡模拟的方法解决更多重要地质问题。

25

杨雷

杨雷的研究领域包括花岗岩成因与演化、喜马拉雅造山带深熔与岩浆作用、伟晶岩成因与稀有金属成矿、早期大陆地壳的形成与演化。运用的手段包括岩石学、U-Th-Pb 年代学、地球化学和热力学模拟等。

杨雷从花岗岩体系石英-长石-熔体相平衡角度出发,结合实验岩石学数据以及天然样品分析,提出了估计过铝长英质岩浆岩压力的新方法。该方法可为限定造山带内过铝质花岗岩的压力及成因提供有效制约。依赖于此方法,目前还在研究岩浆在地壳内的存储状态以及在地壳内的迁移过程。

杨雷通过对喜马拉雅混合岩、淡色花岗岩以及伟晶岩的研究,提出喜马拉雅淡色花岗岩的原始岩浆可能来自于高喜马拉雅深部的峰期变质作用,在岩浆向上迁移过程中经历了强烈的分离结晶作用,这主导了淡色花岗岩的矿物学及地球化学组成的多样性。同时证明了喜马拉雅的锂辉石伟晶岩是淡色花岗岩最终分离结晶作用的产物。目前还在研究锂辉石伟晶岩的成因细节。

杨雷还在对地球早期地壳的形成与演化进行研究。


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