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自本世纪初,固体地球科学进入地球系统科学新时期,发展地球探测技术和信息获取方法成为联结宏观与微观、定性与定量、深部与浅部、深时和未来的关键所在。我们综合利用数学、物理、化学、计算机科学等多学科交叉的研究方法,定量研究地质现象及地质过程。主要研究方向包括计算矿物物理学化学、计算地球化学、 矿物演化动力学、 盆地构造定量分析与成藏动力学、 地球科学大数据技术等。


计算地球化学:流体和熔体是地球物质的重要形态,是地球物质循环和能量传输的主要介质,其物理化学结构与演化是众多宏观地球动力学过程的微观基础。为揭示流体和熔体的原子层次结构信息、热力学和动力学定量信息、高温高压等极端条件下物相变化规律,我们采用基于量子力学的第一性原理计算模拟方法研究地质流体和熔体的微观结构、热力学属性、输运性质,以及重要元素和同位素的赋存形式、热力学和动力学行为及其资源环境效应。


计算矿物物理化学:“一沙一世界”——从原子层次解析固体地球。自地表到地核,地球的宏观结构取决于组成矿物的空间分布和历史演化,地球物理属性是矿物晶格中原子空间排布和原子间相互作用的宏观表现,很多地表和深部的地球化学过程的核心是矿物-流体(熔体)界面作用。本研究方向利用经典和量子分子动力学模拟方法,在原子尺度上模拟计算矿物热力学性质、相转变条件以及高温高压条件下的弹性性质和输运性质,为解析深部地球物质组成、约束核幔边界过程和壳幔作用机制提供理论依据;构建矿物表界面结构的原子模型,揭示矿物溶解、成核生长、吸附、离子交换和同位素分馏平衡等关键,进而阐明广阔地质条件下矿物演化和矿物反应的机制和效应。


矿物演化动力学:矿物是固体地球元素的集散地和转运站,是元素演化和地球动力过程的信息载体。我们基于矿物晶体化学精细表征,着重研究成岩成矿过程、地球表面过程、环境演变过程中矿物的形成和变化,通过多种原位微区分析、同步辐射支持技术和地球化学动力学实验模拟,揭示矿物组成元素释放、迁移、富集和分异的微观动力学过程,建立成岩成矿、生物矿物交互和环境质量变化的模式和模型,为认识元素地球化学循环及其资源环境效应提供理论支持。


盆地构造定量分析与成藏动力学:“沧海桑田”反映地表形态随时间的巨大变化,构造演化则是推动地表形态演化的内在因素。盆地作为地球表层的基本构造单元,它不仅是地质作用的产物,也是石油、天然气及其它矿产资源的赋存地和水资源的存储宝库。本方向研究是在构造解释及定量分析的基础上,结合构造物理模拟与数值模拟揭示盆地结构、构造演化过程、应力应变与动力学机制,建立盆地演化过程中油气和非金属矿产等成藏模式。


地球科学大数据技术:地球科学大数据在研究地球的形成与演化、生命的形成与演化、地球物质组成与空间分布、矿产资源的形成、勘查与开发利用以及人类环境与可持续发展等重大命题中发挥着越来越重要的作用,为地球科学研究带来了新的思路和机遇。本研究方向大致分为(但不限于)以下几个方面:13S技术集成:综合利用遥感技术(包括光学遥感和微波遥感)、地理信息系统技术和空间定位技术,实现自然资源和环境的动态监测,地质灾害的预警和评估,对由自然因素或人为因素造成的地表形变进行定量反演等;2、大数据分析技术:利用人工智能技术对大数据进行深度分析,挖掘和揭示数据间隐藏的相互关系,为地球科学问题的求解提供新的思路;3、知识图谱与大数据应用:基于地球科学知识图谱对地球科学大数据进行语义翻译和知识推理,实现地球科学大数据的共享、复用和融合,推动大数据驱动下的知识发现,深化地球科学基础研究和应用研究的发展。


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