代表性成果
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嫦娥五号月球样品揭示月球年轻玄武岩的成因本实验室固定人员参加名单：田恒次、杨蔚、胡森、林杨挺、张驰所属研究方向：比较行星学简要介绍：月球玄武岩是月幔部分熔融形成的岩浆经火山喷发至地表冷却结晶形成的岩石。月球的火山活动是其具有内动力的直观表现，因此月海玄武岩的持续时间能直接反映月球何时停止内动力活动。同时，月海玄武岩也是揭示月球物质成分、源区地化性质和热演化历史的重要研究对象。根据对阿波罗和月球号样品，以及月球陨石的研究，月球的火山活动最晚只持续到28-29亿年前，该观测事实与月球演化模型的模拟计算结果相符。嫦娥五号于2020年12月从月球风暴洋地体西北侧年轻的玄武岩地质单元返回了1.73公斤月壤。精细的U-Pb年代学分析结果表明嫦娥五号玄武岩的年龄为20.3亿年，是迄今为止最年轻的月海玄武岩。为何月球在20亿年前还能维持火山活动？一种解释是该地区富含U、Th、K等放射性元素，为月幔部分熔融提供了足够的能量；另一个解释是该地区的月幔源区富水，降低月幔物质的熔点，导致月幔更容易发生熔融。为了回答嫦娥五号年轻玄武岩的成因，我们对嫦娥五号开展了岩石成因和月幔水含量的研究。研究结果发现：（1）嫦娥五号玄武岩是一种新的岩石类型，具有低钛、低钾和高铝含量特征。（2）利用玄武岩矿物模式含量，及其主量成分，辉石的微量元素组成等重建了嫦娥五号玄武岩的源区演化轨迹，模拟计算表明月幔源区需经过2-3%部分熔融和43%-78%分离结晶才能形成嫦娥五号玄武岩全岩成分具有富集不相容元素的特征。（3）斜长石的Sr同位素和白磷钙矿的Nd同位素分析结果证实嫦娥五号玄武岩来自亏算月幔，并不富集不相容元素和U、Th、K等生热元素。（4）通过测定嫦娥五号玄武岩中的熔体包裹体和磷灰石的水含量和氢同位素组成，反演了源区的水含量只有1-5ppm，该水含量不足已导致月幔物质的熔点降低。这些研究结果表明，嫦娥五号玄武岩的成因并不是源区富生热元素和富水所致，对月球热演化模型提出了新的挑战。相关研究成果发表在Nature上（2篇）。2023-02-02 -
行星空间环境及与内部耦合本实验室固定人员参加名单：戎昭金、尧中华、何飞、闫丽梅、钟俊、柴立晖、乐新安、魏勇所属研究方向：内部过程与空间环境的关联简要介绍：行星磁场的多时空尺度变化是理解行星演化的重要线索，是地球与行星科学研究的前沿。行星磁场串联了行星内部至行星空间的各个区域，形成了内外多圈层耦合系统。极光是行星内部和空间环境耦合的关键显示，是揭示行星空间高能扰动及内部长期演化的关键手段。从小空间长时间和大空间短时间两个极端尺度出发，分别以类地行星和巨行星为对象，利用极光活动规律刻画了极端时空尺度磁场和高能粒子环境等。主要创新成果包括：充分挖掘古籍文献记载的古代赤道极光记录，建立覆盖过去千年的最大古代极光数据库，结合地磁发电机模拟，首次揭示出古西太平洋磁异常区(小空间尺度)百年周期（长时间尺度）的震荡演化特征。此外，发展了新的磁场数据反演方法，可有效确定偶极磁场内部磁源的物理参数，可望进一步广泛应用到地磁、古地磁及行星磁场等领域。巨行星磁层比地球磁层大103～106倍，极光遥感与就位探测揭示大空间尺度下磁场的分钟-小时量级（短时间尺度）变化激发太阳系最强的极光辐射，首次揭示了太阳系能量最高的X射线极光波动成因。在火星空间环境方面，首次得到了火星上游太阳参数的统计分布规律，为火星空间环境研究提供重要的外部太阳风输入参考；建立了我国首个火星全球高精度岩石剩磁模型，为后续火星科学研究提供了重要的磁场模型参考；揭示了火星低高度等离子体云的运动观测特征，并指出火星等离子体云可能是火星离子逃逸的主要形式。相关系列成果发表于Science Advances、PNAS、GRL、APJL、JGR等国际权威期刊，共发表论文24篇，其中NI期刊11篇，NA一篇，SA两篇。成果被《中国科学报》、《科技日报》、中科院之声、NASA、ESA等国内外学术媒体亮点报告。编写专著两本《朝鲜王朝三百年气象日记》、《中国行星物理学学科建设之路——万卫星团队的十年探索》。2023-02-02
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俯冲地区结构和动力学过程本实验室固定人员参加名单：艾印双、陈棋福、李娟、何玉梅、吕彦、王新、赵连锋、郝金来、姜明明所属研究方向：地球内部结构和动力学过程简要介绍：板块构造是地球最独特的构造，板块的俯冲是认识地球内部运动和动力学过程的关键。基于我国独特的地质构造背景，围绕西北太平洋俯冲带和印度-缅甸俯冲带，开展了基于密集地震台阵技术的多尺度、多方法地震成像研究，在俯冲地区精细结构探测、深部物质循环、地幔熔体分布等方面取得了系列进展。我国东北地区位于西北太平洋板块俯冲弧后区域，是研究洋-陆俯冲的天然实验场。基于东北地区固定台与流动台的波形资料，我们成功探测到了分布在地幔过渡带上方广泛存在的低速层结构，为板片俯冲与地幔物质循环之间的相互联系提供了观测证据，并根据俯冲板片相关的脱水机制预测该低速层结构很可能继续向西延伸。我们采用背景噪声和双平面波成像方法建立了该地区高精度的壳幔三维剪切波速度模型，结合岩石地球化学结果，认为东北地区包括长白山火山在内的钠质玄武岩主要来自于上涌的软流圈地幔，而五大连池和诺敏河火山的高钾玄武岩则是软流圈低程度熔体与上覆岩石圈地幔相互作用的产物，明确指出这些板内火山的不同物质来源。基于缅甸的密集地震观测台阵资料，利用XKS震相剪切波分裂，辅以近震直达剪切波分裂和接收函数中Pms震相分析，推测缅甸中部可能存在受板片俯冲和回撤所驱动的三个地幔流动系统影响。其中印缅山脉和中央盆地主要受到板下海沟平行地幔流的控制，东侧掸邦高原主要受与海沟垂直的角流控制。通过收集青藏高原东南缘和中南半岛地区3万多条垂直分量地震波形资料，开展了高分辨率宽频带Lg波衰减成像研究。结果表明，青藏高原东南缘具有显著的低Q值异常，与该区地壳内存在的高泊松比、低地震波速度和高电导率异常相对应。系列研究成果发表在EPSL、Geology、JGR等多种权威期刊上，其中NI期刊9篇。2023-02-02
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长期亚磁场暴露减弱小鼠成体海马神经发生和认知功能的新认识本实验室固定人员参加名单：田兰香、潘永信、林巍、张同伟所属研究方向：生物地磁学简要介绍：地磁场保护地表生物圈免受太阳风及其它宇宙高能射线的伤害，为地球生命提供了“保护伞”。然而，地球上特殊的磁屏蔽工作环境、星际载人深空探测中生命都将暴露于亚磁场（磁场强度低于5μT）环境。因此，有必要评估亚磁场暴露对人类身体健康的影响。以往研究发现亚磁场暴露会影响动物的学习认知过程，但其背后的神经分子机制尚不清楚。因此研究亚磁场对动物中枢神经系统功能的影响将为评估包括人类在内的生物圈受亚磁场暴露的危害及应对策略提供重要的科学依据，该研究也是生物地磁学的前沿研究课题之一。采用多学科交叉研究方法，对在亚磁场长期暴露条件下的小鼠脑内海马成体神经发生进行了系统实验研究。研究发现连续6周以上的亚磁场暴露减弱了小鼠海马神经干细胞内的活性氧水平，影响其成体神经发生和认知功能；通过药物注射提高亚磁场组小鼠海马神经干细胞内的活性氧水平，可以抑制亚磁场暴露对小鼠海马成体神经发生的损害，但是，如药物注射提高地磁场组小鼠的活性氧水平，过高水平的活性氧又会损害地磁场小鼠的海马神经发生。研究还发现暴露亚磁场的小鼠返回地磁场4周后能够基本逆转神经发生减弱和认知功能缺陷。如通过药物降低小鼠海马神经干细胞内的活性氧水平，则返回地磁场对小鼠海马成体神经发生的挽救作用被抑制。研究首次在体内证实了地磁场与亚磁场、活性氧与海马成体神经发生之间的联系，揭示出活性氧是磁场调控海马成体神经发生的重要因子；地磁场可以使地球生物维持其适当的内源性活性氧水平并调节海马神经发生和海马依赖性学习。这项研究有助于理解行星际旅行等长时间亚磁场环境的生物学效应，以及地球生物与地磁环境的协同演化关系。研究成果发表于Nature Communications。2023-02-02
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平台建设进展突出本实验室固定人员参加名单：乐新安、赵必强、丁锋、曾令旗、宁百齐、郝红连、王俊逸、张宁、尧中华、何飞、魏勇、綦超、李金华、谷立新、唐旭所属研究方向：行星物理简要介绍：实验室在空间环境探测和行星探测方面布局的“三亚非相干散射雷达”、“冷湖行星地质观测中心”和“行星冰物理实验室”“电子显微镜实验室”等建设均取得突出进展。三亚非相干散射雷达自2020年底完成安装开始，2021年进行了紧张的测试和试运行，具体包括：开展了雷达各项参数指标的自测试和第三方专家组独立测试，所有指标均满足指标要求；发展了巴克码、长脉冲、交替码、线性调频等多种编码模式；开发了时域解码、频域解码、统计逆解码三种信号处理方式和相应的电离层多参量反演算法；进行了对流层风场、流星、碎片、月球、小天体等硬目标探测实验；进行了电离层天顶探测、子午面扫描探测、全天空多波束探测模式实验；进行了电离层不均匀体、等离子体线探测实验；与FAST合作开展了收发实验，进行了顶部电离层、月球成像实验。雷达于2021年6月顺利通过基金委验收。海南三站式非相干雷达建设也有序开展，2021年经海南省科技厅、文昌市政府和文昌国际航天城管理局支持，文昌站用地问题顺利签约，目前正在开展基建工作；三站雷达软硬件已经招投标完成，三亚主站基建已经完成。 为规范雷达运行和管理，成立所级公共实验室-非相干散射雷达实验室，进行雷达的运行和维护。冷湖行星地质观测中心规划了两台望远镜，分别是行星大气光谱望远镜（PAST）和木卫一地质观测望远镜（TINTIN），聚焦太阳系木星轨道以内主要行星和小天体的轨道运动特性、大气和等离子体分布特性、光谱辐射特性。PAST望远镜由中科院A类先导“临近空间科学实验系统”支持建造，考虑在气球平台和地面台站两用。TINTIN则通过申请中科院修购专项资金，从国外直接购买。在本年度，两台望远镜分别取得了重要的阶段性进展。其中由鸿鹄专项资助建造的0.8米口径望远镜于2021年10月成功安装，目前正处于调试阶段，预计2022年夏天开始对木星系统进行观测。通过中科院区域中心修购专项修购的1.8米口径望远镜（TINTIN），在本年度通过了需求论证，采购招标等一系列程序，目前已经完成了望远镜的采购合同签订，正在完善技术报告。预计2023年底完成安装。TINTIN望远镜的基建和圆顶目前处于设计阶段，将于近期完善设计报告，并尽快实施基建。行星冰物理实验室在2021年度完成了两个实验平台的搭建。一个是低温真空纳米压痕仪，这个仪器可以对样品的微观区域进行压痕测试，从而获得力学数据。研究人员已把这一技术应用到低温的冰样品上，已具有对冰样品的微观区域流变性质的测试能力，未来可以深入研究岩石颗粒杂质和化学杂质对冰的流变性质的影响。另一个是低温光学显微镜系统，通过架设在显微镜上的冷台和浸入液体式的观测方法，可以对冰样品进的显微结构进行观测。电子显微镜实验室主要面向国内外科研院所及高校，进行样品的成分面扫描，表面形貌、微区加工和晶体结构测试，尤其是在行星科学、地质矿物学和生物磁学等方面起到了关键技术支撑。电子显微镜实验室支撑了嫦娥五号月球返回样品、本所阿波罗月壤样品的单颗粒形态学、成分、矿物特征和矿物结构的分析，从1.6万个月壤颗粒中精准、快速、无损的识别出含Zr，P，Ti，Ni等矿物，并获取锆石，斜锆石，静海石，钙钛锆石，磷灰石和白磷钙矿等的高分辨背散射图像和化学成分，为后续的Pb-Pb同位素定年，挥发分测试，矿物类别鉴定及稀土同位素测定提供了关键的数据支撑。系列研究成果发表于国际顶级期刊Nature上。2023-02-02