地球科學(xué)Top 10 熱點(diǎn)前沿發(fā)展態(tài)勢

地球科學(xué)領(lǐng)域位居前10 位的熱點(diǎn)前沿 仍然集中在氣候變化、地球化學(xué)、固體地球物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)研究（表1 和圖1）。氣候變化研究熱點(diǎn)包括“末次間冰期CO? 濃度升高對(duì)海洋環(huán)流的影響”“大氣中的碳黑在氣候系統(tǒng)中的作用”“大氣氣溶膠成核機(jī)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(xué)研究熱點(diǎn)包括“熱帶地區(qū)森林碳儲(chǔ)量和碳排放估算研究”“CMIP5 地球系統(tǒng)模式對(duì)陸地碳循環(huán)的模擬與評(píng)估”；固體地球物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)研究熱點(diǎn)包括“利用好奇號(hào)任務(wù)開展蓋爾隕石坑的巖石礦物學(xué)研究”“中國華北克拉通前寒武紀(jì)地質(zhì)演化研究”“頁巖氣儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)類型及表征”“流體注入誘發(fā)地震研究”。

表1  地球科學(xué)Top 10 熱點(diǎn)前沿

圖1  地球科學(xué)Top10 熱點(diǎn)前沿的施引論文

▋ 重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿——中國華北克拉通前寒武紀(jì)地質(zhì)演化研究

克拉通是大陸巖石圈中古老而又穩(wěn)定的部分，一旦形成，大多可以長期穩(wěn)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(jìn)而形成更大規(guī)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(guān)，因此具有重要的科學(xué)研究價(jià)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(gòu)造演化史更為復(fù)雜，記錄了幾乎所有的地殼早期發(fā)展與中生代以來的重大構(gòu)造事件。華北克拉通90% 的陸殼是在早前寒武紀(jì)形成的，絕大多數(shù)形成于中- 晚太古代，因此成為研究前寒武紀(jì)地殼演化和板塊運(yùn)動(dòng)的重要窗口。了解前寒武紀(jì)時(shí)期華北克拉通的地質(zhì)演化可為地球早期地殼形成機(jī)制以及板塊構(gòu)造從何時(shí)開始起主導(dǎo)作用等基礎(chǔ)研究提供依據(jù)。近年來中國華北克拉通愈發(fā)受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注。

熱點(diǎn)前沿“中國華北克拉通前寒武紀(jì)地質(zhì)演化研究”的核心論文主要集中在揭示前寒武紀(jì)時(shí)期華北克拉通的地質(zhì)構(gòu)造與演化規(guī)律、成礦作用和拼合等方面。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所翟明國院士等人發(fā)表的《華北克拉通前寒武紀(jì)地質(zhì)學(xué)概述》（The early Precambrian odyssey of North China Craton: A synoptic overview）一文被引頻次最高，達(dá)519 次。該文對(duì)華北克拉通前寒武紀(jì)地質(zhì)、地質(zhì)年代學(xué)和構(gòu)造等綜合信息進(jìn)行了論述，受到科學(xué)界的極大關(guān)注。

表2  “中國華北克拉通前寒武紀(jì)地質(zhì)演化研究”

研究前沿中48 篇核心論文的Top 產(chǎn)出國家和機(jī)構(gòu)

根據(jù)對(duì)核心論文的產(chǎn)出國家和機(jī)構(gòu)的分析（表2），中國在該前沿占有絕對(duì)優(yōu)勢地位，參與了全部48 篇核心論文的產(chǎn)出工作，與6 個(gè)國家進(jìn)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(jī)構(gòu)中有8 所中國機(jī)構(gòu)、2 所美國機(jī)構(gòu)、1 所日本機(jī)構(gòu)和1 所澳大利亞機(jī)構(gòu)。中國地質(zhì)大學(xué)（北京）表現(xiàn)尤其突出，在本前沿所有機(jī)構(gòu)中位列第1，貢獻(xiàn)了27 篇核心論文，占所有核心論文的56.3%；其次是中國地質(zhì)科學(xué)院；中國的香港大學(xué)和日本的高知大學(xué)并列第3；中國科學(xué)院緊隨其后。

表3  “中國華北克拉通前寒武紀(jì)地質(zhì)演化研究”

研究前沿中施引論文的Top 產(chǎn)出國家和機(jī)構(gòu)

從表3 可以看出，中國的施引論文最多，達(dá)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(jī)構(gòu)中有8 所中國機(jī)構(gòu)、1 所日本機(jī)構(gòu)和1 所澳大利亞機(jī)構(gòu)。中國地質(zhì)大學(xué)（北京）、中國科學(xué)院、中國地質(zhì)科學(xué)院、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）和北京大學(xué)是施引論文數(shù)最多的5 所機(jī)構(gòu)。

▋ 重點(diǎn)熱點(diǎn)前沿——頁巖氣儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)類型及表征

頁巖氣是以游離、吸附和溶解狀態(tài)賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖中的天然氣，與常規(guī)天然氣藏相比，具有含氣面積大、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，資源潛力巨大。21 世紀(jì)初，美國和加拿大兩國率先實(shí)現(xiàn)了頁巖氣的商業(yè)性開發(fā)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(nèi)掀起了頁巖氣研究和勘探的高潮。相關(guān)工作主要集中在基礎(chǔ)地質(zhì)研究、水平井和水力壓裂技術(shù)攻關(guān)以及相關(guān)新型技術(shù)研發(fā)等領(lǐng)域。

在頁巖氣地球物理特征研究方面，由于頁巖氣主要儲(chǔ)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(chǔ)層含氣性的關(guān)鍵因素。目前，頁巖儲(chǔ)層孔隙可分為5 種基本類型，即粒間孔、礦物質(zhì)孔、有機(jī)質(zhì)孔、化石孔和微孔道。開展頁巖氣儲(chǔ)層孔隙類型相關(guān)研究和表征，對(duì)頁巖氣儲(chǔ)層的勘察和開發(fā)，具有非常重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。

該熱點(diǎn)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(fā)基地以及中國四川盆地天然氣頁巖的孔隙系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)表征，探究了不同孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)甲烷吸附能力的影響。

從核心論文的產(chǎn)出國家看，10 個(gè)國家參與了相關(guān)研究。其中，中國和美國在該前沿并駕齊驅(qū)，分別貢獻(xiàn)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(chǎn)出機(jī)構(gòu)看，澳大利亞的聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織、德國的亞琛工業(yè)大學(xué)和美國的得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校分別貢獻(xiàn)了6 篇核心論文。中國科學(xué)院參與了5 篇核心論文的工作，在本領(lǐng)域所有研究機(jī)構(gòu)中位列第4。美國的得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的R.G. Loucks 等人發(fā)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(dá)242 次（表4）。

表4  “頁巖氣儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)類型及表征”

研究前沿中40 篇核心論文的Top 產(chǎn)出國家和機(jī)構(gòu)

從不同國家和機(jī)構(gòu)對(duì)該研究前沿的跟進(jìn)情況看（表5），中國貢獻(xiàn)了488 篇施引論文，超過總數(shù)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(shù)遠(yuǎn)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(xué)（北京）、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）和中國科學(xué)院是發(fā)表施引論文數(shù)最多的3 所機(jī)構(gòu)。

表5  “頁巖氣儲(chǔ)層孔隙系統(tǒng)類型及表征”

研究前沿中施引論文的Top 產(chǎn)出國家和機(jī)構(gòu)

新興前沿及重點(diǎn)新興前沿解讀

▋ 新興前沿概述

地球科學(xué)領(lǐng)域2017 年只有“強(qiáng)親鐵和親銅元素在高溫條件下的地球化學(xué)行為”入選新興前沿（表6）。

表6  地球科學(xué)的1 個(gè)新興前沿

▋ 重點(diǎn)新興前沿——強(qiáng)親鐵和親銅元素在高溫條件下的地球化學(xué)行為

鉑族元素（鋨、銥、釕、銠、鉑、鈀）和錸等元素同時(shí)具備了高度的親鐵性（siderophile）和親銅性（chalcophile），因此相對(duì)于地核，其豐度在地殼和地幔中相對(duì)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(xiàn)出相容性，富集于地幔。

鉑族元素性質(zhì)相近但熔點(diǎn)上有所差異，致使其在演化過程中產(chǎn)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(jié)晶分異、巖漿演化及成礦作用有效的示蹤劑，可為地幔源區(qū)的演化和巖石學(xué)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(dú)特的地球化學(xué)特征使其成為對(duì)地幔熔體虧損事件等進(jìn)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(jìn)與完善，近年來錸- 鋨同位素體系在天體地球化學(xué)、地幔地球化學(xué)、地質(zhì)年代學(xué)、金屬礦床、沉積物、水體等各方面的定年與示蹤應(yīng)用發(fā)展迅速。鉑- 鋨（Pt-Os）同位素體系（190Pt 經(jīng)α- 衰變成186Os）則常被應(yīng)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(xué)領(lǐng)域新興前沿“強(qiáng)親鐵和親銅元素在高溫條件下的地球化學(xué)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(qiáng)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(xué)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(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院，中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心，英國科睿唯安著.北京：科學(xué)出版社，2018.7）一書“第4章 地球科學(xué)”，標(biāo)題為編者所加。本文編輯：劉四旦