科学通报 | 开拓纳米地球科学新兴交叉学科, 引领资源环境领域重大战略突破

琚宜文教授担任特邀编辑，《科学通报》“发展中的纳米地球科学”专题于2026年第25期正式出版。该专题系统梳理了纳米地球科学领域的前沿进展与关键科学问题，欢迎关注！

纳米地球科学致力于从纳米尺度认识地球乃至行星系统中各圈层中物质、孔隙及其界面过程的形成与演化的新兴交叉学科. 当物质粒径降至纳米尺度时, 其比表面积可提高1~3个数量级, 由此产生的表面活性、限域效应及尺度依赖性行为, 能够显著改变物质循环、界面反应与能量转化的路径和速率以及物化性质. 正是这些纳米效应, 构成了资源异常赋存与环境突变演化的重要微观基础. 因而从纳米尺度重新审视地球, 不仅为揭示地球与行星系统的形成与演化开辟了全新途径, 也为推动资源高效勘探开发与环境精准治理提供了关键支撑, 同时为揭示矿物的结晶生长, 生物繁殖及地球系统演化过程提供了新的机遇与挑战, 也正是地球科学发展的必然之路.

纳米地球科学最初由地球中元素的异常分布、纳米矿物及其表-界面反应的研究发展而来. 从20世纪80年代以来, 随着扫描隧道显微镜、原位超微成像、精细谱学表征与跨尺度模拟等技术的快速发展, 国内外学者已在地球系统中大气圈、水圈、土壤圈、岩石圈乃至月球与行星物质中广泛揭示出纳米物质的普遍性、动态稳定性与独特纳米效应, 并在非常规油气富集、关键金属成矿、地表能量转化及污染物迁移等方面取得一系列重要突破, 我国从事纳米地球科学工作者在其中作出了突出贡献. 尽管该学科已初步形成, 但是不少认识还停留在现象描述层面, 跨圈层纳米物质特性及其迁移通量难以定量约束, 多尺度耦合机理与统一理论体系仍不完善.

为了系统反映近年来纳米地球科学领域取得的研究成果和重要突破, 促进矿物学、岩石学、构造地质学、地球化学、能源地质学、矿床学、环境科学乃至行星科学等学科的交叉融合, 提升对纳米尺度地质作用、行星演化及其资源环境效应的科学认知, 《科学通报》特组织出版“发展中的纳米地球科学”专题. 本专题共收录8篇论文, 内容涵盖纳米地球科学的学科内涵与资源环境效应、纳米地质能源的资源潜力、地表矿物膜的光电子能量、月球样品的纳米矿物学、大气微纳米颗粒物、纳米矿物与成岩成矿作用、海底热液成矿以及微磁模拟方法等, 兼顾深空、深地、深蓝、新能源与新材料等前沿领域, 系统展现纳米地球科学在基础理论、资源开发、环境效应与方法创新等方面的研究进展, 力求勾勒出这一新兴交叉学科的整体面貌与发展前沿.

琚宜文等人[1]以纳米科技与地球科学为依托, 系统界定了纳米地球科学的学科内涵, 并以地球圈层结构为主线, 剖析了大气圈、水圈、土壤圈与岩石圈中纳米物质与纳米孔隙的主要类型、赋存特征、尺度效应及跨圈层迁移转化规律, 阐明了其在矿物演化、富有机质岩形成与非常规油气赋存、成矿元素富集、污染物迁移与环境暴露等过程中的控制作用, 并揭示了纳米尺度构造变形与界面化学反应对矿物微纳结构的持续改造作用. 该文进一步提出, 未来应构建“原位超微成像-精细谱学表征-跨尺度模拟计算-机器学习与人工智能预测”联合验证体系, 推动学科从现象描述向机理定量转变, 为本专题奠定了系统化、前沿性的交叉学科格局.

纳米地质能源是能源转型背景下认识非常规能源赋存机制和资源潜力的重要方向. 邹才能等人[2]立足全球与中国能源格局, 聚焦赋存于纳米尺度孔隙空间中的纳米地质能源. 研究指出, 我国页岩油气、致密油气、浅层煤层气与深层煤岩气等预测资源量超过 1000 亿吨油当量, 资源基础雄厚. 针对油气资源劣质化、传统能源与新能源融合壁垒以及绿色提取难度大等挑战, 该文提出加强油气与新能源融合发展、构建化石能源与新能源一体化开发格局、建设跨行业地质碳库、发展颠覆性纳米矿产绿色提取技术等对策, 为能源转型背景下纳米地质能源的有序开发提供了重要参考.

地表微纳尺度矿物膜是连接岩石圈、水圈、生物圈与大气圈物质循环和能量转化的重要界面. 鲁安怀等人[3]聚焦天然半导体矿物膜的光电响应特征及其环境效应. 研究表明, 以水钠锰矿为核心的铁锰氧化物矿物膜具有显著的光电响应能力, 可通过光催化氧化还原反应调控地表元素循环与能量转化, 并与微生物协同促进 CO2向有机质和碳酸盐矿物的转化与固定. 该文提出“天然矿物光电子能量”概念, 强调半导体矿物膜在地表关键带多圈层电子传递、能量交换和碳循环过程中的作用, 为理解地表环境演化和类地行星表面过程提供了新的纳米尺度视角.

月球微细颗粒记录了太空风化、微陨石撞击和太阳风注入等行星表面过程, 是纳米行星科学的重要研究对象. 朱建喜等人[4]采用纳米矿物学分析技术, 对嫦娥五号返回样品中粒径0.1~3 μm的微细月尘进行了系统研究. 结果显示, 月尘颗粒普遍具有太空风化特征, 表面被非晶态物质和纳米级自然铁覆盖; 其中约59%为失去原有晶体结构的太空风化形成的非晶质碎屑, 约41%为仍保留矿物结构的矿物碎屑. 该研究揭示了微细月尘受陨石撞击与太空风化共同改造的纳米矿物学证据, 指出其较高的非晶态物质含量可能有利于储存太阳风物质, 为深空探测、月球资源评价和月球表面演化研究提供了新的认识.

大气微纳米颗粒物是连接大气环境、气候变化、人体健康和全球地球化学循环的重要纳米尺度载体. 邵龙义等人[5]系统梳理了悬浮于大气中的微米级与纳米级颗粒物, 概述了其物理化学特征、检测分析技术和源解析方法, 并讨论了其大气化学转化过程及相伴随的环境效应、气候效应和健康效应. 该文还关注塑料微粒等新型污染物, 强调准确识别颗粒物来源、深入理解其粒径、形貌、组成和混合状态, 是认识大气污染形成机制和健康风险的重要基础. 该研究将大气污染问题纳入纳米地球科学框架, 为理解大气圈中纳米物质的形成、迁移、转化和环境效应提供了系统参照.

纳米矿物能够精细记录地球深部—表层系统中的物质循环、相变反应和成岩成矿过程. 黄菲等人[6]系统总结了地球深部与外部圈层物质能量转换过程中纳米及亚微米尺度矿物对成岩成矿过程的记录意义. 研究表明, 板块运动与地幔柱活动形成的纳米矿物组合可记录深俯冲物质来源与折返信息; 岩浆过程中由出溶作用形成的纳米矿物有助于限定温压条件并恢复冷却路径; 热液过程中的亚微米结构可指示水–岩反应进程; 金成矿过程中非晶态硅和碳质可作为胶体金运移的重要载体, 构造应力也可驱动金发生固态迁移并形成纳米粒子. 该文为元素活化、迁移与富集机制研究提供了新的矿物学证据, 对深部隐伏矿床勘查和低品位矿石综合利用具有重要启示.

海底热液系统中贵金属和关键金属的迁移、沉淀与富集过程具有显著的纳米尺度控制特征. 吴仲玮等人[7]聚焦现代海底热液硫化物矿床中金、银等贵金属的赋存状态与富集机制, 指出金可与黄铁矿等硫化物胶体或纳米颗中国能源格局, 聚焦赋存于纳米尺度孔隙空间中的纳米地质能源. 研究指出, 我国页岩油气、致密油气、浅层煤层气与深层煤岩气等预测资源量超过 1000 亿吨油当量, 资源基础雄厚. 针对油气资源劣质化、传统能源与新能源融合壁垒以及绿色提取难度大等挑战, 该文提出加强油气与新能源融合发展、构建化石能源与新能源一体化开发格局、建设跨行业地质碳库、发展颠覆性纳米矿产绿色提取技术等对策, 为能源转型背景下纳米地质能源的有序开发提供了重要参考.

微磁模拟是连接纳米尺度磁性矿物结构与宏观磁学记录的重要方法. 王宇钦等人[8]系统回顾了微磁模拟的发展历程、基本原理与主流计算软件, 并重点评述了其在岩石磁学、古地磁学、生物地磁学和行星磁学等领域的最新研究进展. 该文指出, 微磁模拟能够在纳米尺度上解析磁性矿物颗粒的磁畴结构、磁化反转和磁相互作用过程, 有助于发现新的磁学现象、完善古地磁学理论, 并推动生物地磁学和行星磁学等交叉方向发展. 其研究表明, 微磁模拟将在地球与行星科学、生命科学交叉探索以及纳米地球科学方法创新中发挥重要作用.

这些论文从学科内涵、资源效应、环境演化、行星探测等不同方面, 集中展示了纳米地球科学的最新进展与广阔前景. 由此, 从纳米尺度认识地球与行星系统, 正推动地球科学由宏观现象描述向微观机理定量的范式转变. 展望未来, 纳米地球科学亟需加快构建“原位超微成像-精细谱学表征-跨尺度模拟计算-机器学习与人工智能预测”联合验证体系, 实现跨圈层纳米物质迁移通量的定量约束与纳米尺度地质过程的实时刻画. 我们希望本专题的出版能够吸引更多学者关注并投身这一新兴交叉领域, 共同开拓纳米地球科学新兴交叉学科, 引领资源环境领域重大战略突破. 值此专题出版之际, 对专题论文的所有作者、审稿人以及编辑部的大力支持和帮助表示诚挚感谢.

欧阳自远，中国科学院院士、发展中国家科学院院士和国际宇航科学院院士，中国探月工程首任首席科学家。从事陨石学、月球科学、地球与行星科学研究60多年，成果获国家科学大会奖、国家科技进步特等奖、中科院自然科学一等奖和科技进步一等奖、工信部科技进步特等奖、国防科工委个人突出贡献奖、贵州省最高科学技术奖和首届杰出人才奖和第十四届世界杰出华人奖等。

参考文献

1 琚宜文, 蔡卓程, 冯宏业, 万泉, 李金华, 孙岩, 黄菲, 杨毅, 王学求, 曹建劲, 邵龙义, 孙晓明, 陈韧哲, 黄骋, 朱洪建, 裴紫杞, 琚丽婷, 牟家骏, 郭红根. 纳米地球科学及资源环境效应. 科学通报, 2026, 71(25): 5912–5934

2 邹才能, 吴松涛, 琚宜文, 沈月, 郭秋雷, 蔡卓程, 姜晓华, 管墨迪, 裴紫杞. 能源转型背景下纳米地质能源发展前景与资源潜力. 科学通报, 2026, 71(25): 5935–5946

3 鲁安怀, 葛潇, 任桂平, 许晓明, 刘雨薇, 刘菲菲, 李艳, 丁竑瑞, 王长秋. 地表微纳尺度半导体矿物膜转化太阳能作用及环境效应. 科学通报, 2026, 71(25): 5947–5958

4 朱建喜, 邢介奇, 李珊, 杨红梅, 陈生东, 席佳鑫, 杨宜坪, 林枭举, 姜伟明, 康石长, 鲜海洋, 何宏平. 嫦娥五号月尘纳微米矿物学特征及其成因意义. 科学通报, 2026, 71(25): 6037–6048

5 邵龙义, 郭子钰, 曹亚鑫, 杨书申, Timothy P. Jones, 王文华, 李红, 牛红亚, 刘鹏举, Kelly BéruBé. 大气微纳米颗粒物特征、来源及环境效应. 科学通报, 2026, 71(25): 5959–5975

6 黄菲, 赵福德, 高文元, 孟林, 黎永丽. 地球圈层系统中纳米矿物与成岩成矿过程. 科学通报, 2026, 71(25): 5976–5994

7吴仲玮, 孙晓明, 王琰. 纳米地质学在海底热液成矿作用研究中的应用. 科学通报, 2026, 71(25): 5995–6014

8 王宇钦, 葛坤朋, 刘双迟, 李金华. 微磁模拟新进展及其在纳米地球科学的应用前景. 科学通报 , 2026, 71(25): 6015–6036

文章信息

欧阳自远. 开拓纳米地球科学新兴交叉学科, 引领资源环境领域重大战略突破. 科学通报, 2026, 71(25): 5909-5911. DOI: 10.1360/CSB-2026-1054.

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