地球科学

来源：艾伦·莱斯特实验室 - 科罗拉多大学博尔德分校 大多数岩石单元都表现出某种形式的平面或线性特征。例如层理面、断层面、破裂面和节理面，以及各种形式的叶理和矿物定向排列。这些特征的空间方位构成了约束岩石单元成因及其后续变形模型所需的关键原始数据。 尽管自其发明和引入至今已有一百多年的历史，布伦顿罗盘（图1）仍然是现代地质学家野外装备中的核心工具。它仍是用于获取关于岩石平面或线性岩石构造几何方位数据的主要工具。这些方位测量被称为走向和倾角，是绘制地质图的基本数据。此外，布伦顿罗盘还可作为传统指南针用于定位和三角测量。最后，它也可用作袖珍经纬仪，测量角度高程。 图1.

来源：Alan Lester 实验室 - 科罗拉多大学博尔德分校 地形图是地球三维表面的"平面视图"表示。这是一种标准的地图视图类型，提供俯视或空中视角。 地形图的一个决定性特征是等高线，它表示海拔高度相同的位置。等高线之间的海拔间隔取决于地图提供的详细程度以及所呈现地形的类型。例如，地形起伏较大的区域可能需要相隔40-100英尺的等高线，而总体平坦、地形变化较小的区域则可能采用相隔较远的10-20英尺等高线。

来源：Alan Lester 实验室 - 科罗拉多大学博尔德分校 地质图最早于18世纪中后期在欧洲绘制并投入使用。th 世纪以来，地质图一直是全球地质研究的重要组成部分，致力于揭示地球表面及地下岩石的分布规律，以及它们随时间发生的变化。现代地质图是以二维平面形式展现岩石及其构造的富含数据的图示。大多数地质图的基础是地形图，在其上用不同的颜色表示特定的岩石单元。岩石单元之间的边界称为接触界线。除了接触线外，地质图还包含多种符号，用于表示关键地质特征，如岩石单元的倾向与走向、背斜与向斜构造，以及断层面的迹线。 尽管二维地图视图很有用，但地质学家的关键任务之一是推断地下岩石的类型和产状。这需要利用地质学规律，从地表向下进行推断和投影来实现。其结果是得到一幅地质剖面图，这种视图本质上提供了一幅剖切后的图像，类似于在峡谷崖壁或公路开挖断面上所看到的景象。

来源：Alan Lester 实验室 - 科罗拉多大学博尔德分校 矿物的物理性质包括多种可测量和可识别的特征，如颜色、条痕、磁性、硬度、晶体生长形态和晶体解理。这些性质均为特定矿物所特有，并且从根本上与其特定的化学成分和原子结构相关。 本实验研究晶体晶格内基本结构原子基团（称为晶胞）对称重复所导致的两种性质，即晶体生长形态和晶体解理。 晶体形态是原子级对称性的宏观表现，由晶体生长过程中不断添加晶胞（矿物的分子基本单元）到生长中的晶格而自然形成。晶胞快速添加的区域会发展为平面之间交界处的棱边。 即 晶体的晶面。

来源：Alan Lester 实验室 - 科罗拉多大学博尔德分校 矿物的物理性质包括多种可测量和可识别的特征，如颜色、条痕、磁性、硬度、晶体生长形态和晶体解理。这些性质是特定矿物所独有的，且从根本上与其特定的化学成分和原子结构相关。 本视频介绍了几种在野外和手标本矿物鉴定中常用的物理性质——颜色、光泽、条痕、硬度、磁性以及与酸的反应。与晶形和晶体解理不同，这些性质与矿物的化学成分的关联更为密切，但原子结构也起到一定作用。 需要认识到，岩石是矿物颗粒的集合体。大多数岩石为多矿物岩石（含有多种矿物颗粒），但有些岩石实际上是单矿物岩石（仅由一种矿物组成）。与晶体形态和解理等专用于矿物标本的术语不同，地质学家有时会描述岩石具有一般性的颜色、硬度、磁性或与酸反应的性质。换句话说，此处讨论的物理性质不仅适用于特定矿物，也可能适用于岩石。...

来源：Alan Lester 实验室 - 科罗拉多大学博尔德分校 火成岩是岩浆冷却和结晶的产物。火山岩是火成岩的一种特殊类型，由岩浆喷出地表后在地表环境中冷却并结晶形成。 岩浆是熔融状态的岩石，其温度通常在约 800 °C 至 1,200 °C 之间（图 1）。岩浆在地球内部主要通过三种熔融机制形成，即热量的加入、挥发性物质的加入以及减压。每种熔融生成方式往往会产生特定类型的岩浆，因此导致不同的喷发方式和火山结构。 图1. 夏威夷基拉韦厄火山的新鲜熔岩喷发。...

来源：Alan Lester 实验室 - 科罗拉多大学博尔德分校 火成岩是高温液态岩石（称为岩浆）冷却和结晶的产物。岩浆的温度通常在约 800 °C 至 1,200 °C 之间。对人类而言，或许幸运的是，熔融岩石在地球上是一种异常现象。如果在地球上随意假设一个钻孔，很可能直到接近地表以下 2,900 公里的外地核区域，才可能到达真正完全熔融的物质区域（地球半径为 6,370 公里）。即使在那里，这种熔融物质也主要由液态铁组成，而非真正的硅酸盐岩石，并且永远无法到达地球表面。

来源：马萨诸塞大学阿默斯特分校 Jeff Salacup 实验室 在本系列视频中，研究人员提取并纯化了天然样品，以寻找一类称为生物标志物的有机化合物，这些化合物能够提供有关过去气候与环境的信息。所分析的样品之一是沉积物。沉积物在地质历史时期中不断堆积于盆地——即地球表面的凹陷区域，沉积物在流体（水或空气）运动和重力作用下被输送至此。盆地主要分为两种类型：海洋型（海洋和海）和湖泊型（湖泊）。可以预见，由于两者之间盐度差异显著，生存于这些环境中的生物类型也大不相同。在过去的几十年中，有机地球化学家发现了一系列生物标志物代用指标（即可用于表征气候或环境的化合物），其中一些适用于海洋环境，另一些则适用于湖泊环境。本文将重点关注湖泊环境中的支链型甘油二烷基甘油四醚（图1）。 本部分重点介绍利用支链甘油二烷基甘油四醚（图1；brGDGTs）及MBT/CBT代用指标对陆地古温度进行分析。该代用指标最初由Weijers et al.1 描述，其原理基于brGDGTs中环状结构和支链结构的分布特征。他们发现，支链四醚的环化程度（CBT）与土壤pH值直接相关。 CBT = -log ((Ib +...

来源：马萨诸塞大学阿默斯特分校 Jeff Salacup 实验室  在本系列视频中，研究人员提取并纯化了天然样品，以寻找一类称为生物标志物的有机化合物，这些化合物能够提供有关过去气候与环境的信息。所分析的样品之一是沉积物。沉积物在地质历史时期中不断堆积于盆地——即地球表面的凹陷区域，沉积物在流体（水或空气）运动和重力作用下被输送至此。盆地主要分为两种类型：海洋型（海洋和海）和湖泊型（湖泊）。可以预见，由于两者盐度差异显著，其中生存的生物类型也大不相同。在过去的几十年中，有机地球化学家开发出一系列生物标志物代用指标，即可用于表征气候或环境的化合物，其中一些适用于海洋环境，另一些则适用于湖泊环境。本文将重点关注海洋环境，以及利用Uk'37海表温度代用指标进行烯酮古温度测定的方法。 目前最成熟且应用最广泛的开阔海域生物标志物海表温度（SST）代用指标是 Uk'37。 Uk'37 = (C37:2) / (C37:2 + C37:3)（参见 Herbert1 的综述）

来源：马萨诸塞大学阿默斯特分校 Jeff Salacup 实验室 构成任何生态系统的生物“有机”部分的物质（如叶片、真菌、树皮、组织；图1）在本质上不同于非生物的“无机”部分物质（如岩石及其组成的矿物、氧气、水、金属）。有机物质含有与一系列其他碳和氢原子相连的碳元素（图2），这是其区别于无机物质的关键特征。碳元素具有广泛的化合价范围（-4 至 +4），可与邻近原子（通常为 C、H、O、N、S 和 P）形成最多四个独立的共价键。此外，碳还可与另一个原子共享最多三个共价键，例如在常具毒性的氰化物或腈基团中所见的三键。在过去的 46 亿年中，这种化学键合的灵活性催生了种类惊人的化学结构，这些结构在大小、复杂性、极性、形状和功能上各不相同。有机地球化学这一科学领域致力于识别和表征地球生命（以及地质历史中其他生命形式）在地质时间尺度上产生的所有可检测有机化合物，这些化合物被称为生物标志物。 图1.

来源：马萨诸塞大学阿默斯特分校 Jeff Salacup 实验室 每个实验室都需要标准物质来长期跟踪仪器的性能、准确性和精密度，以确保今天进行的测量结果与一年后的测量结果一致（图1）。由于标准物质需在较长时间内持续评估仪器性能，通常需要大量制备。许多化学标准物质可从商业科学公司（如Sigma-Aldrich和Fisher）购买获得。然而，一些存在于自然界中且与古气候研究相关的重要化合物尚未被分离和纯化以供销售。因此，这些化合物需要从天然样品中提取；又因标准物质需求量大，必须处理大量沉积物。加速溶剂萃取（Dionex）和超声萃取法不适用于如此大量沉积物的提取。在此情况下，通常采用索氏提取法。 图 1. 示意图展示化学标准品如何随时间追踪仪器的性能。 虚线表示变量的公认值与仪器测量值之间的 1:1...

来源：马萨诸塞大学阿默斯特分校 Jeff Salacup 实验室 一组由古菌和细菌产生的称为甘油二烷基甘油四醚（glycerol-dialkyl glycerol-tetraethers, GDGTs）的有机生物标志物，在现代沉积物中的分布被发现会随着空气或水温的变化而发生可预测的改变1,2。因此，通过分析已知年代序列的沉积物中这些生物标志物的分布，可用于重建几十年至千年尺度上的空气和/或水温演变过程（图1）。古气候学研究旨在生成长时间、高分辨率的过去气候记录，这依赖于对数百甚至数千个样品的快速分析。传统的提取方法（如超声波提取或索氏提取）速度过慢，而较新的加速溶剂萃取技术则在设计时充分考虑了效率问题。 图1. 一个古气候记录示例，显示过去约27,000年期间地中海东部海表温度（SST）的变化3。 该记录包含约115个样品，基于类异戊二烯甘油二烷基甘油四醚（GDGT）的TEX86...

Source: Laboratory of Jeff Salacup - University of Massachusetts Amherst The product of an organic solvent extraction, a total lipid extract (TLE), is often a complex mixture of hundreds, if not thousands, of different compounds. The researcher is often only interested in a handful of compounds or, if interested in many, may need to remove unwanted constituents that are"in the way" or co-eluting. For example, the concentrations of individual compounds in a sample are often determined on a gas...

来源：马萨诸塞大学阿默斯特分校 Jeff Salacup 实验室 有机溶剂萃取所得的总脂质提取物（TLE）通常是数百甚至数千种不同化合物的复杂混合物。研究人员往往只关注其中少数几种化合物。目标化合物可能属于若干类化合物中的一类，例如烷烃、酮类、醇类或酸类（图1）；为了更清晰地观察目标化合物，去除不属于目标类别的化合物可能是有益的。例如，一个TLE可能含有1,000种化合物，但Uk'37海表温度代用指标仅基于两种化合物（烯酮），而TEX86海表温度代用指标仅基于四种化合物（甘油二烷基甘油四醚，GDGTs）。因此，研究人员应尽可能去除无关化合物，以减少其他干扰物质对目标化合物（烯酮或GDGTs）仪器分析的干扰。 在其他情况下，上游纯化技术可能产生了需要从样品中去除的化合物，例如在我们之前的视频中皂化反应过程中生成的羧酸。在上述两种情况下，柱层析这一纯化技术都非常有用。 图1. 地球化学中重要的官能团。引自 Killops 和...

来源：马萨诸塞大学阿默斯特分校 Jeff Salacup 实验室 如之前视频所述，有机溶剂萃取的产物——总脂质提取物（TLE）——通常是数百甚至数千种不同化合物的复杂混合物。研究人员往往只关注其中少数几种化合物。以我们的两种有机古温度计（Uk'37 和 MBT/CBT）为例，研究仅涉及6种化合物（2种烯酮和4种类异戊二烯型甘油二烷基甘油四醚）。如本系列前两个视频中所讨论的，可采用纯化技术减少待分析样品中的化合物数量。这些技术可通过化学方式改变不需要的组分（皂化法），利用不同化合物的化学性质差异（柱层析法），或利用分子形状和大小的差异，选择性地将某些组分排除在分析之外（尿素加合）。不同化学品的原子结构导致某些有机化合物形成细长、笔直的链状结构（如正构烷烃和烯酮），其他有机化合物形成复杂的环状结构，另一些则形成高度支化的结构，还有一些则兼具环状和支化结构（GDGTs）（图1）。样品中化合物在形状和大小上的差异可用于实现它们之间的分离，其原理类似于硬币分拣器根据硬币面值（尺寸）进行分类。 图 1. 不同化学结构的比较。 正癸烷，一种直链烷烃（A；来自...