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姜連等-PPP：利用碳同位素和生物脂類化合物解密古新世南太平洋海洋環境
隨著全球氣候變暖的不斷加劇，了解極端溫暖地球氣候系統的開始、演變和結束的變得日益緊迫。古近紀早期是一個地球氣候極其溫暖的時代，具有典型現代澳大利亞東南部和新西蘭地區熱帶-亞熱帶的動植物群（Thomas et al.,2020），且古新世-始新世時期釋放到大氣中CO2總量與與現今人類燃燒化石燃料排放CO2總量相似，因此被認為是未來暖地球氣候系統的一個很好的模擬實例（Zeebe and Zachos,2013）。目前關于南太平洋古近紀的現有數據來自ODP航次177、181、183和189，以及DSDP航次29、35和92。這些ODP/DSDP鉆探點時間較早，大多完成于1973-1999年，始新世沉積物剖面恢復率低或古新世沉積物缺失。其中，最為人們所熟知的當屬1973年DSDP航次29（鉆探點277）。該鉆探點位于新西蘭南部的坎貝爾高原。該鉆探恢復了上古新世到上漸新世碳酸鹽，但是由于當時鉆井取芯技術問題，大部分剖面巖心采收率相對較低，且始新世剖面恢復率低（Kennett et al.,1974）。受制于樣品局限性，對南太平洋的古新世-始新世的研究報道有限，尤其是古新世早期南太平洋的海洋與生態環境對地球科學家來說仍然是知之甚少（圖1）。近期，中國科學院廣州地球化學研究所有機地球化學國家重點實驗室的姜連博士后與合作導師王云鵬研究員及國際合作者，通過對一系列國際大洋鉆探計劃378站點獲取的南太平洋早古新世海相巖芯的有機地球化學和碳同位素分析（圖2-3），建立了首個早古新世生物標志物剖面（圖3-4），恢復了南太平洋古近世的古氣候條件和海洋生物圈組成（圖5），從而填補了地質學家對南太平洋早古新世海洋生態環境的認識空白。圖1 國際大洋鉆探378航次與深海鉆探計劃277采樣巖芯對比該項研究通過對國際海洋發現計劃378鉆探點U1553（新西蘭坎貝爾高原）的一組早古新世深海巖芯進行了系統的生物標志物、碳酸鹽含量和碳同位素研究，對南太平洋這一時期的海洋生產力、生態群落組成和古環境進行綜合評價，取得了多項重要進展：（1）根據研究結果建立了新西蘭坎貝爾高原一個新的古新世生物標志物剖面。一系列藿烯、ββ藿烷、甾烷的賦存和分布特征以及基于生物標志物的成熟度參數表明，這些貧有機質沉積物處于早期成巖階段，其等效鏡質體反射率約為0.4%。（2）古新世南太平洋的海洋生產力來源組成豐富多樣，包括藻類、細菌、硅藻、鞭毛藻和高等植物等，而主要生產力由水生生物主導 （圖3-4）。圖2 國際大洋鉆探378鉆探井U1553D總有機碳（TOC）、硫含量、甲烷含量、碳酸鹽含量以及碳酸巖碳同位素深度剖面變化圖圖3 國際大洋鉆探378鉆探井U1553D不同藿烷類生物標志化合物深度剖面變化圖（3）生物標志物（伽馬蠟烷指數和同藿烷指數等）、碳酸鹽碳同位素(- 27.9‰~ +2.0‰)、硫含量和甲烷含量表明，古新世南太平洋的氧化還原性質由氧化-缺氧過渡帶向還原性較強的海洋環境（水深> 1000 m）轉變（圖5）。圖4 國際大洋鉆探378鉆探井U1553D不同甾烷類生物標志化合物深度剖面變化圖圖5 （a）南太平洋早古新世(~65 Ma) IODP 378 Site U1553地理位置圖（據Cande and Stock,2004修訂)。（b1-b2）鉆探井U1553D巖性單元Va和Vb沉積模型。該研究成果展示的生物標志物記錄彌補了高緯度南太平洋古新世生物圈知識空白，首次提出的古新世沉積模式圖加強了地質科學界對南太平洋的認識，為古新世全球海洋環境的研究提供了新的數據支持。此研究成果近期發表于國際期刊《Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology》上，得到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金和中國科學院PIFI項目的資助。?論文信息：Jiang,L. (姜連),Ausín,B.,Khanolkar,S.,Wang,Y. (王云鵬),George,S.C.,2024. Unlocking the geochemical features of the Paleocene southern Pacific Ocean using carbon isotopes and biolipids. Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology 650,112368.論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2024.112368
2024-07-25
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廣州健康院合作通過空間轉錄組學繪制脊髓損傷時空動態圖譜和細胞原位互作網絡，發現IGFBP2蛋白促進神經修復功能
2024年7月18日，中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心方燕姍課題組、中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院彭廣敦課題組和暨南大學李昂課題組合作，在Developmental Cell期刊在線發表了題為“A spatiotemporal molecular atlas of mouse spinal cord injury identifies a distinct astrocyte subpopulation and therapeutic potential of IGFBP2”的最新論文。2024年7月18日，中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心方燕姍課題組、中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院彭廣敦課題組和暨南大學李昂課題組合作，在Developmental Cell期刊在線發表了題為“A spatiotemporal molecular atlas of mouse spinal cord injury identifies a distinct astrocyte subpopulation and therapeutic potential of IGFBP2”的最新論文。該研究利用空間轉錄組技術對急性損傷引起的脊髓中分子和細胞水平的復雜變化進行了全面深入的梳理和分析，通過刻畫脊髓損傷?(spinal cord injury, SCI)后基因表達和分子變化的時空特征，以及繪制原位細胞互作網絡圖譜識別出一類發生特定位置遷移的星形膠質細胞亞群，并鑒定出該亞群的特征基因之一Insulin-like growth factor binding protein 2?(Igfbp2)，進而揭示了SCI引起Igfbp2表達上調的細胞功能和潛在生物學意義。成年哺乳動物中樞神經系統的再生能力非常有限，其損傷所造成的傷害大多不可逆、難以恢復。以SCI為例，SCI后可出現軸突退化、神經元丟失、脫髓鞘、炎癥反應、巨噬細胞和免疫細胞浸潤、膠質瘢痕生成等改變，從而導致永久性的運動、感覺和自主神經功能障礙，并伴有各種局部或全身并發癥。盡管SCI 的慢性期可持續數月至數年，但基因表達水平和分子編程中最主要、最劇烈、最紛繁蕪雜的改變則發生在損傷后的數小時至數天內。此外，基因表達和細胞響應的空間動態變化在該時期也是最明顯的。故此，全面系統地在時間和空間維度下解析SCI急性期所發生的基因表達改變、分子調控程序和細胞響應機制對于理解SCI的病理過程和制定有效治療方案至關重要。以往SCI表達圖譜和分子變化網絡的研究主要依賴單細胞或單核測序，但上述技術無法提供這些分子和細胞變化的空間位置信息和對應的解剖學注釋。同時，這類技術受單細胞分離方法的局限，造成某些細胞類別比如神經元、星型膠質細胞等的捕獲比例遠低于其生理狀態下的占比，導致最終測序數據和以此進行的分析帶有很強的“生存者偏差”。近幾年，空間組學的出現和發展為彌補這些缺陷帶來了希望。在這篇新發表的論文中，研究人員以小鼠脊髓全橫斷模型為例，在SCI后的多個時間點、距離損傷位點頭尾兩端的多個不同位置、對多個生物學重復的脊髓組織進行了基于10xVisium的原位空間轉錄組測序（圖1A）。通過對過濾后保留下來的超過22,800個空間位置點的數據進行生物信息學整合分析，在組織結構被嚴重破損的情況下，通過空間分布和基因表達相似性仍然能夠準確定義出脊髓的解剖結構。該研究系統性地揭示了損傷后不同脊髓解剖區域、不同損傷時間以及損傷位點不同方向和距離處的基因表達動態變化、共表達基因模塊以及轉錄調控網絡（圖1B）。更具創新意義的是，該團隊通過自主開發空間轉錄組數據分析的新計算策略和工具，繪制出脊髓損傷后原位細胞-細胞交互?(spatial-aware cell-cell communication, SA-CCC) 的動態圖譜（圖2），相比于傳統僅僅基于單細胞基因表達進行細胞互作分析，整合細胞在空間上的臨近關系，降低了最終結果的假陽性率。并通過細胞互作網絡，發現了一類在SCI后從脊髓白質遷移到脊髓灰質的星型膠質細胞亞群（圖1C）。接著通過脊髓實質注射和lineage tracing實驗，證實了SCI后這類由白質向灰質定向遷移的星型膠質細胞亞群的存在及其細胞來源（圖3），該團隊將其命名為“injury-induced, gray matter-relocated astrocytes (Astro-GMii)”。研究人員通過整合空間轉錄組數據和已有的SCI單細胞/單核測序數據對Astro-GMii細胞的分子特征進行了多水平、多維度的分析，從中鑒定出可以標記Astro-GMii并在SCI后特異性上調的特征基因之一Igfbp2。值得一提的是，通過空間轉錄組識別出某種特定細胞亞型或亞群后，可以對其位置信息進行分子特征提取，獲得“位置指紋”。用這些位置指紋可以對已發表的單細胞數據進行空間特征注釋和虛擬細胞分選（virtual cell?sorting）。例如，利用Astro-GMii的位置指紋對第三方發表的SCI單細胞數據進行比對和分析，研究人員也鑒別到Astro-GMii亞群并利用這些數據進一步分析了該亞群的分子演化過程，充分體現了空間位置特征這一維度對發掘細胞功能異質性的重要作用（圖4）。在后續工作中，通過原代星型膠質細胞培養、原代神經元培養以及conditioned medium共培養等實驗，研究人員揭示了高表達Igfbp2不僅可以促進星型膠質細胞的遷移、增殖和反應性，并且星型膠質細胞可以分泌IGFBP2蛋白，后者作用在神經元上可以促進神經軸突的生長。最后，研究人員將IGFBP2蛋白和基質膠制備成生物材料注射進小鼠的SCI損傷部位后，損傷灶附近神經元的存活得到了顯著提高，并最終有效促進了SCI小鼠的感覺和運動功能的恢復（圖5）。綜上所述，該工作通過全面深入的空間轉錄組分析建立了SCI交互式時空數據庫（https://spasi.ccla.ac.cn/），并完成了大量體內和體外的驗證實驗以及功能研究，不僅為理解受損脊髓的時空重組提供了豐富的資源和有用的生物信息分析工具，而且發現了具有SCI治療潛力的新分子IGFBP2蛋白，為今后進一步推進相關轉化研究和深入探尋IGFBP2神經保護的作用機制奠定了基礎。中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心博士研究生王澤清、中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院博士研究生李竺霞和中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心博士研究生欒天樂為該文的共同第一作者。中國科學院上海有機化學研究所生物與化學交叉研究中心方燕姍研究員、中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院彭廣敦研究員和暨南大學李昂副研究員為共同通訊作者。彭廣敦課題組在該工作中負責了所有數據分析內容和網站搭建，該研究得到國家重點研發計劃、廣東省國家自然科學基金、中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院基礎研究項目和廣州國家實驗室重大項目的支持。論文鏈接圖1?小鼠SCI空間轉錄組實驗設計和數據分析概覽圖2?細胞的空間原位互作分析圖3?脊髓實質注射和譜系追蹤證實Astro-GMii亞群來源于脊髓白質的星膠細胞圖4?基于“空間指紋”進行單細胞亞群的虛擬分選圖5?Astro-GMii細胞激活、遷移并表達分泌蛋白IGFBP2促進神經修復的示意圖
2024-07-22
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Nat. Commun. 揭示海洋動物運動模式演化與器官形成的遺傳調控機制
中國科學院南海海洋研究所林強團隊與煙臺海岸帶研究所董志軍團隊等聯合，在海洋動物運動模式、器官形成與生存策略研究獲得新進展，相關研究成果“Genomic and single-cell analyses reveal genetic signatures of swimming pattern and diapause strategy in jellyfish”于7月15日在線發表于Nature Communications。海洋生命的起源與演化問題是當今海洋基礎科學研究領域的重要命題。海洋生物復雜性狀形成過程是物種多樣性形成的基礎，其演化過程與機制一直是學術界探究的熱點之一。本研究聚焦海洋動物中維持運動平衡感知的器官多樣性演化開展研究，揭示了海洋動物在長期進化過程中的運動模式與器官形成的演化與調控特征（圖1）。圖1 動物界平衡感知器官的多樣性演化研究團隊將水母與硬骨魚類、鳥類和哺乳類動物比較，發現CHSY1、USH2A、KIAA2026等基因受到明顯正選擇，而這些基因都參與了動物的運動功能；同時，基于水母與其它近緣物種全基因組結構特征的系統比較，創新性發現“耳石形態發生”（OMs）的基因家族在燈塔水母中發生特異性丟失，據此，在海月水母中對該基因進行原位雜交和RNA干擾實驗，發現該基因主要在海月水母平衡囊組織區域表達，而敲降該基因則會導致海月水母碟狀體無法正常發育出平衡囊，證明該基因在水母平衡囊形成中發揮了重要功能（圖2）。圖2 燈塔水母中的丟失基因及受選擇基因特征本研究基于單細胞轉錄組分析，同步解析了水母逆向發育過程中的滯育特征及相關分子調控機制，提出了逆向發育和持續休眠狀態可能是燈塔水母應對不利海洋環境的適應策略。研究員董志軍、博士生王方晗、副研究員劉雅莉和博士生李勇學為本文共同第一作者，南海海洋所研究員林強和煙臺海岸帶所研究員董志軍、研究員趙建民為本文共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金項目、國家科技基礎資源調查計劃項目等聯合資助。論文信息：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
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馬建鋒、趙太平等-JP：礦物結構與成分示蹤正長巖成因
堿性巖通常分布在造山帶和板內裂谷背景下，雖然占比很少，但是蘊含著豐富的巖漿起源和構造演化等關鍵信息。正長巖是堿性巖中最典型的代表之一，其成因是有高度爭議的，主要觀點有地幔低程度部分熔融、幔源巖漿結晶分異、巖漿混合和晶體堆積等機制。然而，由于地殼混染和巖漿混合的潛在影響，很難從全巖成分判斷地幔源區熔融還是殼內分異控制著堿性元素（K2O和Na2O）含量。正長巖中的礦物記錄了堿性巖漿從起源到侵位的全過程，因此，通過對各巖漿演化階段的礦物分析，可以評估不同機制的影響程度，從而確定正長巖的主要成因方式。針對上述問題，中國科學院廣州地球化學研究所博士生馬建鋒在趙太平研究員指導下，選取華北克拉通南緣1772 Ma三元溝正長巖開展了詳細的礦物結構、化學成分與熱力學模擬研究。該正長巖主要礦物組成是單斜輝石、鉀長石、石榴石和榍石，單斜輝石和石榴石具有豐富的礦物環帶，表明巖漿混合發揮了重要作用（圖1）。通過計算不同階段的單斜輝石平衡熔體的主微量元素含量，獲取了堿性巖漿從起源到侵位的地球化學信息。高Mg#(>85)單斜輝石的平衡熔體具有高Mg#、CaO/Al2O3和低Hf/Sm的特征，展現出碳酸鹽交代地幔的親和性，微量元素質量平衡模型表明，石榴石-尖晶石過渡地幔低程度(1%~2%)部分熔融可以產生這些高Mg#熔體（圖2）；通過alphaMELTs模擬高Mg#平衡熔體的結晶分異過程，發現無論在何種壓力和水含量下都無法匹配其余平衡熔體的化學成分，說明單一的結晶分異過程不能解釋正長巖的成因（圖3）。低Mg#單斜輝石平衡熔體具有低Mg#值，是地殼物質重熔的產物，質量平衡計算結果表明10%~30%的長英質熔體參與混合可以形成正長巖（圖4）。然而，巖漿混合與結晶分異過程無法解釋全巖的K2O、CaO等變化，暗示仍有其它機制參與控制。正長巖中鉀長石相互連接形成晶體框架，具有堆晶結構，且全巖Eu#高于1，表明鉀長石堆晶也是控制K2O含量的機制之一。單斜輝石濕度計顯示高Mg#平衡熔體具有高水含量(>4 wt%，圖5)，在模擬過程中發現高水含量可以抑制長石的結晶，從而導致熔體中K2O、Na2O含量的再次升高（圖6），最終在淺部地殼發生長石堆晶，這也解釋了為什么堿性熔體無法突破演化的“熱障”。上述工作表明，地幔源區的部分熔融、殼內巖漿演化、巖漿混合、晶體堆晶過程都會控制堿性熔體的成分變化以及正長巖的形成。以上研究成果發表在巖石學國際權威期刊Journal of Petrology上。相關的論文信息：Jian-Feng Ma (馬建鋒),Tai-Ping Zhao* (趙太平*),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.圖1 三元溝正長巖礦物結構特征圖2 高Mg#單斜輝石平衡熔體主微量元素揭示地幔源區特征圖3 三元溝正長巖全巖、單斜輝石平衡熔體主量元素特征以及alphaMELTs模擬主量元素變化圖4 三元溝正長巖全巖微量元素特征與混合模型圖5 單斜輝石溫度、壓力及平衡熔體水含量圖6 熔體水含量與巖漿混合控制熔體中K2O+Na2O含量變化
2024-07-19
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南海海洋所：基于高分辨率觀測揭示南海亞中尺度不穩定的高頻變化機制及其垂向熱輸運貢獻
近日，中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境國家重點實驗室（LTO）經志友團隊，在南海亞中尺度動力不穩定的高頻變化特征、物理機制及其垂向熱輸運定量貢獻等觀測研究方面取得新進展，研究成果先后發表于國際期刊《Geophysical Research Letters》，合作者包括南海海洋研究所博士后鄭瑞璽、河海大學副教授曹海錦和美國布朗大學教授Baylor Fox-Kemper。海洋亞中尺度過程通過非地轉動力不穩定，驅動地轉能量正向串級與耗散，并顯著增強熱量、營養鹽等要素的垂向交換，在海洋物質能量循環和海-氣相互過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現場觀測數據并結合理論分析，揭示了亞中尺度動力不穩定的高頻變化機制及其對垂向熱輸運的定量貢獻。研究結果表明，南?；旌蠈訉ΨQ不穩定的晝夜高頻變化，主要是由大氣非絕熱強迫所驅動，而非風場強迫（down-front wind forcing）。夜間海表冷卻驅動的邊界層浮力損失，通過增強亞中尺度動力不穩定和垂向次級環流，引起約60%的混合層亞中尺度再層化。進一步基于國家基金委共享航次計劃重大科學問題航次的觀測研究表明，海洋渦旋海域普遍存在的鋒面亞中尺度過程引起的垂向凈熱通量高達100 W/m2，比經典地轉理論和傳統認識的中尺度貢獻大1-2個量級，且影響深度深達150米海洋次表層，對上層海洋具有顯著的加熱效應。上述研究首次基于高時空分辨率現場觀測定量揭示了海洋亞中尺度動力不穩定的快速變化機制及其對垂向熱輸運的重要貢獻，明確了大氣非絕熱強迫的關鍵調控作用，對進一步深入認識和理解海洋亞中尺度動力過程及其生態氣候效應、海洋與氣候模式的亞中尺度參數化改進，以及助力“海洋亞中尺度動力學”前沿方向發展等具有重要科學意義。該研究主要由國家自然科學基金項目、國家自然科學基金共享航次計劃資助完成。圖1 （a）南海高時空分辨率現場觀測；（b）TRIAXUS拖體高分辨率觀測溫度剖面；（c）渦旋活躍海域位溫波數譜圖2 （a）海表浮力通量、側向浮力梯度與動力不穩定的晝夜變化；（b）亞中尺度不穩定再層化效應與小尺度混合去層化效應；（c）多尺度垂向熱通量及其波數譜論文信息：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
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南海海底擴張產生和傳播方式研究取得新進展
近日，中國科學院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質重點實驗室張翠梅、孫珍（通訊作者）、趙明輝、張佳政等科研人員，聯合法國斯特拉斯堡大學教授Gianreto Manatschal和夏威夷大學教授Brian Taylor，利用南海北部IODP（綜合大洋發現計劃）鉆井數據，結合多道反射地震和重磁資料的綜合解釋，在南海海底擴張產生和傳播方面取得重要進展。相關研究發表于《盆地研究》（Basin Research）期刊上。?位于陸殼和洋殼間的洋陸轉換帶（OCTs）對于研究破裂過程、初始海底擴張的年齡和位置至關重要，然而對OCT范圍的劃分卻很少一致，因為沒有統一的標準，或者資料系統的差異，產生了多種解釋方案，進而制約了對初始海底擴張的認識。研究人員根據原始數據集，采用“鉆井約束的綜合地質-地球物理”方法，沿走向上定義了南海北部的OCT，探討破裂過程，并將南海OCT與大西洋型張裂邊緣OCT進行了比較。研究結果顯示了整個南海北部發育狹窄的OCT，寬5-15公里（圖1a）。OCT兩端的陸殼和洋殼均呈現出復雜的走向分段。減薄陸殼在形狀、趨勢角和基底面粗糙度等方面顯示出規律性變化。洋殼厚度從西部向中部和東部減薄。這些變化部分歸因于繼承的火山弧/弧前的背景。在南海東北部和中央次盆地磁異常C11期間，海底擴張首先在兩個中心成核（如圖1b中U1502鉆探區），然后分別向西和向東傳播，最終在異常C10r（29Ma）處發生了貫通（圖1b），東北部和中部陸緣完全破裂。這一結果不支持北部邊緣破裂是通過從東到西的簡單傳播模式。研究進一步對比了以南海為代表的邊緣海型與大西洋貧/富巖漿陸緣原型，發現它們有一些相似之處，而在更多方面表現出顯著差異；因此，提出在劃分陸緣類型時，除巖漿供給外，伸展破裂速率也是需要考慮的重要因素。這項研究不僅深化了我們對邊緣海形成的理解，也為分析全球其它張裂陸緣的巖石圈破裂和海底擴張提供了重要方法和科學借鑒。論文獲得了廣東省自然科學基金面上項目、國家自然科學基金項目，廣州市科技項目的支持，并使用了自然基金委共享航次的部分數據以及國際大洋發現計劃（IODP）的鉆探成果。論文鏈接：https://doi.org/10.1111/bre.12882圖1 （a）南海北部陸緣走向上OCT的范圍；（b）中部鉆探區破裂在C11時期成核
2024-07-17
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華南植物園揭示森林類型調控土壤有機碳組分差異性響應外源磷輸入機制
????熱帶森林對外源養分的供應十分敏感，磷（P）與氮（N）的相對有效性在調控熱帶生態系統碳收支方面起著至關重要的作用，然而養分有效性如何調節熱帶森林碳（C）源匯轉換尚不明確。生化選擇過程中，植物來源復雜有機物的選擇性保留和微生物周轉形成的大分子有機物均是土壤有機碳（SOC）固持的重要途徑。但是，生物過程驅動的SOC固存響應外源養分輸入的生物驅動機制仍有待揭示。????中國科學院華南植物園恢復生態學任務團隊依托廣東鶴山森林生態系統國家野外科學觀測研究站和和小良熱帶海岸生態系統定位研究站的長期養分添加實驗平臺，研究了亞熱帶人工純林和混交林植物來源和微生物來源的SOC組分對外源養分添加的響應。通過對來自全球62篇文獻中的125對土壤養分添加實驗研究結果的整合分析，量化了P添加對熱帶和亞熱帶森林SOC含量的影響。????研究發現，兩個亞熱帶人工林土壤0-20cm SOC含量未隨P添加顯著變化，這與整合分析結果一致。但是，土壤微生物群落組成和活性解釋了亞熱帶森林SOC組分對P添加的差異性響應。純林中植物底物質量較差，P添加引發土壤微生物群落組成的改變，導致微生物加速消耗微生物殘體碳（MRC）以補充C源；而混交林中P添加改變植被群落組成，并促進微生物對N源的獲取，從而加速了木質素和MRC的分解?；旖涣种形⑸飦碓刺迹ㄌ貏e是真菌MRC）和礦物結合有機C聯系緊密，預示著長期P添加引起真菌MRC的減少將不利于熱帶森林土壤SOC的積累和穩定。????相關研究成果于近日發表在國際學術期刊Science of the Total Environment上。華南植物園恢復生態學任務團隊助理研究員李悅為論文第一作者，劉占鋒研究員為通訊作者。上述研究得到了廣東省重點領域研發計劃和國家自然科學基金等項目資助。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.174672圖. 亞熱帶人工純林和混交林下生物來源有機碳組分對P添加的差異性響應
2024-07-17
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侯永勝等- JGR-SE：熔體-巖石圈地幔高溫反應實驗約束夏威夷造盾期巖漿成因
板塊俯沖和地幔柱活動是維系地球活力和實現地球層圈間物質循環的兩大重要機制。洋島玄武巖通常被認為是研究深俯沖物質再循環與地幔柱活動的理想對象，夏威夷島造盾期玄武巖是其中的典范。經典模型認為，俯沖榴輝巖物質隨地幔柱上升時，榴輝巖熔體與軟流圈地幔橄欖巖由于化學不平衡發生反應，首先生成二次輝石巖，隨后二次輝石巖熔體與地幔橄欖巖熔體按不同比例混合，導致夏威夷造盾期巖漿地球化學成分的多樣性。二次輝石巖模型可以解釋造盾期拉斑玄武巖高MgO、低CaO/Al2O3、高Ni含量和同位素富集等地球化學特征，但無法系統解釋Mauna Loa和Mauna Kea兩座火山的地球化學組成區別：盡管Mauna Loa相較于Mauna Kea的巖漿具有更低的CaO/Al2O3，且同位素組成更富集，但兩者的全巖和橄欖石斑晶中的Ni含量卻極為相似。經典模型忽視了榴輝巖/輝石巖熔融產生的熔體在遷移過程中與巖石圈地幔的反應。針對這一科學問題，中國科學院廣州地球化學研究所的侯永勝博士在李洪顏研究員、王煜研究員和徐義剛院士等人的指導下，開展了一系列高溫高壓實驗，模擬地幔柱環境下熔體與貧瘠方輝橄欖巖地幔的反應，旨在揭示反應溫度、反應時間和熔巖比例等實驗條件對熔巖成分的影響，探明經過熔體-巖石圈地幔反應后，熔體成分的演化趨勢。研究取得主要認識如下：1）在高溫條件下，富硅熔體通過溶解橄欖石并沉淀斜方輝石的方式與巖石圈地幔發生反應，高溫、長反應時間以及低熔巖比等條件會加劇反應程度（圖1）；2）富硅玄武質熔體與方輝橄欖巖在高溫下反應可以演化為貧硅苦橄質熔體，在非平衡反應條件下（反應時間為2小時），殘余熔體成分受橄欖石溶解、斜方輝石沉淀以及擴散作用的共同控制，隨后在由非平衡向平衡反應的轉換過程中（反應時間由2小時至24小時），殘余熔體成分主要受擴散作用影響（圖2）；3）榴輝巖熔體與巖石圈地幔方輝橄欖巖反應可以直接產生高SiO2、MgO和Ni，低CaO/Al2O3的殘余熔體，類似夏威夷造盾期拉斑玄武巖?；趯嶒灲Y果，研究者提出了新的兩階段模型來解釋夏威夷造盾期玄武巖成因：在軟流圈地幔形成的榴輝巖/輝石巖熔體，在向上運移過程中與貧瘠的方輝橄欖巖地幔發生反應，其中Mauna Kea相較于Mauna Loa，熔巖比更低（第一階段）；隨后反應熔體在淺部與橄欖巖熔體發生巖漿混合，其中Mauna Kea相較于Mauna Loa，橄欖巖熔體比例更高（第二階段）。兩個階段對熔體中的Ni含量具有均衡作用，導致Mauna Kea和Mauna Loa的巖漿和橄欖石斑晶具有相似的Ni含量（圖3）。該研究為理解地幔柱活動及其相關物質循環機制提供了新的視角。研究成果近期發表在國際地球科學領域期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上，該研究受到國家自然科學基金項目（92258303）和國家重點研發計劃項目（2022YFF0801002）資助。論文信息：Hou,Y. S.（侯永勝）,Li,H. Y.*（李洪顏）,Wang,Y.（王煜）,Zhang,Y. F.（張艷飛）,Li,Y.（李元）,Xu,Y. G.（徐義剛） (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.論文鏈接：https://doi/10.1029/2023JB028467圖1. 代表性實驗產物結構（左圖），包括上方的熔體層、中間的反應邊界層（RBL)和下方的方輝橄欖巖層；反應溫度、反應時間和熔巖比例對反應邊界層厚度的影響（右圖），邊界層厚度可以代表反應程度圖2. 礦物的溶解-沉淀作用和擴散作用對熔體成分的影響，非平衡狀態下熔體成分受橄欖石溶解和斜方輝石沉淀的強烈調控，隨后主要受擴散作用影響圖3. 兩階段模型解釋Mauna Loa和Mauna Kea橄欖石斑晶具有相似的Ni含量
2024-07-16
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研究揭示阿留申-阿拉斯加俯沖帶地震活動的控制機理
近日，中國科學院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質重點實驗室邱強研究員，聯合中山大學地球科學與工程學院李琳琳教授、中國科學院南海海洋研究所邊緣海與大洋地質重點實驗室林間院士和楊曉東副研究員，以及日本東北大學災害科學國際研究所的蔡婷博士后，開展了關于阿留申-阿拉斯加俯沖帶地震活動規律及其破裂特征的重要研究工作，并在地震破裂類型與特征的控制機理方面取得了新認識。相關成果發表在《Quaternary Science Advances》期刊上。大洋俯沖帶逆沖大斷裂可產生不同破裂類型的地震，例如淺部破裂型海嘯地震、貫穿型海溝破裂地震，理解特定斷層區域的發震規律和地震破裂類型是定量評估地震和海嘯災害的前提。然而，俯沖帶逆沖大斷裂往往位于距陸地幾百公里遠、上千米水深的海溝處，開展近斷層觀測十分困難。因此，量化其活動規律與滑移特征存在較大挑戰。研究人員對1750年以來的歷史地震數據進行分析，特別聚焦于2020年Mw 7.8 Simeonof 地震和2021年Mw 8.2 Chignik 地震，發現Shumagin島嶼東部Semidi段與西部Shumagin段的地震活動存在顯著差異（圖1）。圖1 阿留申-阿拉斯加俯沖帶區域構造和歷史大地震分布（上圖）；自1750年以來該區域時空地震破裂分布特征（下圖）研究團隊通過融合海嘯觀測數據（DART）和陸地GNSS數據，采用了聯合反演技術，揭示了這兩次大地震的滑移模式（圖2）。這些地震并未引發大規模海嘯，原因可能在于它們在淺部的斷裂過程中受到了結構限制，未能深入海溝。高分辨率地震反射剖面進一步證實了兩地的地質構造差異顯著（圖3）。研究團隊進行的二維全周期地震模擬顯示，復雜斷層結構下的地震破裂模式更不穩定且多樣，東段（Semidi）的地震活動更傾向于產生不規則和多樣的大地震，如2020-2021年的地震序列和1938年的地震，而西段（Shumagin）則傾向于較小規模的地震或緩慢滑移（圖4）。當地震能量傳播到淺部并觸發增生楔中的高角度逆沖斷層系統時，可能導致海嘯風險的顯著增加（圖5）。圖2 本研究揭示的2020年Mw 7.8 Simeonof（左圖）和2021年Mw 8.2 Chignik地震（右圖）滑移分布特征圖3 俯沖帶斷層結構（下圖）控制下的地震破裂特征（上圖）圖4 阿留申-阿拉斯加俯沖帶區域，斷層結構控制作用下的地震破裂特征圖 5 大洋俯沖帶外增生楔內部結構和寬度控制淺部放大效應的海嘯災害研究結論指出，Shumagin段的地震海嘯災害威脅相對較低，而Semidi段由于其特殊的斷層結構和活躍的地震活動，具有較高的海嘯災害潛在風險。這一發現強調了斷層結構對地震發生、破裂類型以及海嘯影響的關鍵作用，為阿留申-阿拉斯加俯沖帶的地震海嘯災害評估提供了科學依據，對全球地震海嘯災害研究具有重要的實踐意義。這項研究不僅深化了我們對俯沖帶地震活動的理解，也為未來地震預警和災害管理提供了重要的科學指導。本研究受國家自然科學基金項目，中國科學院項目，廣東省重點領域研發計劃項目的資助。文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666033424000534?via%3Dihub
2024-07-16
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劉亮等-EPSL:主動陸緣“手風琴式”構造模式轉換的控制機制
“威爾遜”旋回高度概述了地球板塊構造運動的第一級模式特征：新大洋打開-大洋板塊俯沖-板塊群匯聚-主洋盆閉合-大陸碰撞，旋回周期約4-6億年。近年來，許多研究表明，自顯生宙（ca. 5.4億年）以來，全球范圍內存在一些比威爾遜旋回更短暫的構造與巖漿活動旋回。在1000-5000萬年內，許多非碰撞性的主動大陸邊緣經歷了多期次的擠壓-伸展構造體制轉換，以及巖漿活動的峰期與間歇期轉變（我們將這類旋回稱為“手風琴式”旋回）（圖1）。相關研究表明，這些構造與巖漿活動模式的轉變與高浮力塊體進入俯沖帶的時間大致相同或稍晚。由于現有的威爾遜旋回沒有描述到“手風琴式”旋回，所以很難全面概括大多地質時期內主動大陸邊緣的地質演變。雖然前人進行了詳細研究，但對“手風琴式”旋回的控制機制尚未達成一致。圖1. 顯生宙以來“手風琴式”構造-巖漿旋回分布簡圖圖2. “手風琴式”構造-巖漿旋回的典型模式。(a)-(c) 模式一：伴隨有海溝跳躍的地塊增生與俯沖模式。(d)-(g) 模式二：沿單一海溝的地塊增生與俯沖模式。(h)-(k) 模式三：無地塊增生的俯沖模式。針對以上科學問題，中國科學院廣州地球化學研究所的劉亮副研究員在徐義剛院士的指導下，與國內外合作者基于正演模擬與多學科觀測聯合約束的研究思路，針對典型的“手風琴式”構造-巖漿旋回案例（圖2），系統正演模擬了含（多個）高浮力地塊的連續俯沖與斷續俯沖過程（如圖3），通過與天然觀測的現象對比，研究表明：含高浮力地塊的不連續俯沖過程很大程度上控制了模式一、二的發生（圖3）；僅當板片的屈服應力臨界值大且密度小時，含有高浮力地塊的連續俯沖過程才可導致手風琴式構造-巖漿模式的轉變（模式三）。圖2. 含高浮力地塊復合板塊的不連續俯沖模型。這里的復合板塊是指“正常密度”的大洋塊體與高浮力地塊（大洋或大陸屬性）的組合體。C1、C2為第一、二期擠壓，E1、E2為第一、二期伸展。高浮力地塊（的殘留物質）廣泛分布于地質歷史時期的活動陸緣和現今的大洋板塊內部：距今5千萬年、3.5億年、5.5億年以來的增生地塊物質分別占到大陸總面積的~15%、~30%、~42%；且~10%的當今洋底由高浮力地塊占據。因此，本項研究所展示的含高浮力塊體的俯沖過程，可能曾經長期控制（至少顯生宙以來的）主動大陸邊緣構造-巖漿活動的演化，并且可能在可預見的未來內扮演同等重要的角色。該項研究的開展，初步填補了威爾遜旋回對新大洋開啟后、陸-陸碰撞前大陸構造-巖漿模式頻繁轉變的描述空缺，并揭示了高浮力地塊斷續進入俯沖帶對主動陸緣“手風琴式”構造-巖漿模式轉變的控制作用。?????? 研究成果發表于國際學術期刊Earth and Planetary Science Letters。本項研究受到國家自然科學基金委重點項目（42330305）和重大研究計劃集成項目（92355302）的共同資助。論文信息：Liu,L.（劉亮）,Li,L.J.（劉麗軍）,Xu,Y.G.（徐義剛）,Morgan,J.P.,2024,Earth and Planetary Science Letters,641,118861. 全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X24002942?via%3Dihub
2024-07-15
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