張宏福 楊進輝 湯艷杰 趙新苗

1. 浙江大學地球科學學院，杭州 310058 2. 中國科學院地質與地球物理研究所，巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029

我國著名的地球化學家, 周新華先生不僅在同位素地質年代學、同位素地球化學、地幔地球化學研究等方面具有很深的造詣，而且長期致力于地球化學分析平臺建設，為我國地幔地球化學學科發(fā)展和巖石圈演化研究作出了突出貢獻。周新華先生學識淵博、治學嚴謹、淡泊名利、提攜后學，永遠是每一位后輩學習的榜樣。值此先生八十華誕暨從事地質工作六十周年之際，特出版本專輯以表達對先生的敬仰之情和深深的祝福。該專輯內容涉及地幔地球化學與巖石圈演化研究諸多方面，一定程度上反映了先生過去六十多年的研究興趣，并體現了當前地幔地球化學學科前沿和突破性進展。專輯共收錄了37篇學術論文，鑒于期刊篇幅分為兩期發(fā)表，本期專輯內容簡介如下。

1 地幔地球化學與演化

基于現代地球系統(tǒng)科學視野，周新華(2022)回顧了二十世紀國際地幔地球化學學科的形成歷史，追溯了中國地幔地球化學發(fā)端與發(fā)展的歷程，概括了在國際巖石圈計劃及大陸動力學等計劃推進下，以中國大陸巖石圈組成與演化特征研究為重點，先后開展東部新生代玄武巖及幔源捕虜體研究，在中國東部玄武巖源區(qū)地球化學特征、地幔端元厘定、地幔地球化學填圖與塊體特征、大陸深俯沖導致的殼幔相互作用及華北克拉通破壞等方面所取得的豐碩成果。著重總結了近20年來幔源巖類研究的巨大進展，尤其是在非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素、微區(qū)原位分析領域和超深地幔超高壓礦物研究等領域所取得的突破性進展。強調現代地球系統(tǒng)科學應涵蓋深空、深海、深地，從外層空間至地核的多圈層作用及其動力學機制的全方位全過程研究，其中，包含核幔相互作用的深部地幔過程起主導作用，地幔地球化學在現代地球系統(tǒng)科學中仍將作為生力軍而不可或缺，指出今后應重視拓展微觀粒子尺度探索及地球化學基礎理論研究的重要性。這篇高屋建瓴、內容豐富的綜述性文獻將承上啟下地指導地幔地球化學學科的發(fā)展和未來的研究方向。

地幔是硅酸鹽地球的主要組成部分，也是地球上最大的化學儲庫，其早期演化可為揭示早期地球增生、核-幔分異、殼-幔分異等重大地質事件提供重要制約。近年來，地球的早期地幔不均一性逐漸被認知，楊進輝和梅清風(2022)在總結早期地幔不均一性的稀有氣體同位素、釹同位素和鎢同位素等證據基礎上，探討了早期地幔不均一性形成的動力學機制，并指出發(fā)展高精度同位素分析技術，結合地球物理和高溫高壓實驗巖石學，揭示核幔邊界結構、核幔物質交換規(guī)律是深入探索早期地幔不均一的重要發(fā)展方向，將有助于探索核幔相互作用的具體過程和機制，提升人類對地球早期地幔演化的認知。

自二十世紀九十年代以來，人們逐步認識到地球內部以礦物晶格缺陷形式蘊含的“水”至少與現今海洋水量相當。地球內部的水不僅顯著影響礦物的物理性質，而且對不同構造背景下的地幔熔融產生重要影響。水作為強不相容組分，在地幔熔融時優(yōu)先進入熔體相，從而改變熔體的結構，影響與殘留固相之間的平衡。夏群科等(2022)綜述了大洋中脊、島弧、地幔過渡帶、大火成巖省、大陸板內、洋島等不同背景下水對地幔熔融的影響，強調在等溫等壓條件下，地幔中水的存在可以顯著降低其固相線并增大熔融程度；在絕熱減壓過程中，水的存在可以加深初始熔融的深度，增大地幔整體熔融的區(qū)間，從而降低平均熔融程度。水對于從巖石圈-軟流圈邊界的低程度熔融、到地幔超大規(guī)模熔融形成大火成巖省的形成都具有重要作用。同時，作者還指出了現有研究的不足、未來的挑戰(zhàn)和努力的方向。

巖石圈地幔屬性主要由熔體抽取和交代作用程度共同決定的，與巖石圈起源、大陸穩(wěn)定性、宜居環(huán)境演變等密切相關。鄭建平等(2022)總結前人研究資料發(fā)現，全球古老大陸的命運差別很大，有的長期穩(wěn)定、有的遭受破壞，其控制因素可能包括大陸根地幔形成時熔融條件和后續(xù)交代改造過程等。例如，南非克拉通長期處于板塊離散背景下，并經歷了多期地幔柱活動，巖石圈地幔主體保持難熔屬性、局部發(fā)生富集；而華北克拉通長期處于板塊匯聚背景下，并在顯生宙發(fā)生強烈?guī)r石圈減薄、改造和地幔置換作用，僅局部有難熔地幔殘留。作者指出，亟需對不同命運克拉通之下的巖石圈地幔開展早期熔融條件和交代演化歷史的對比研究，尋找控制大陸命運的先天條件和后天因素，從而為大陸起源、宜居星球演化等關鍵科學問題提供制約。

華北克拉通西部含有捕虜體的火山巖出露較少，限制了人們對該區(qū)巖石圈地幔屬性與演化特征的認識。張慧婷和張宏福(2022)歸納了華北克拉通西北部晚白堊世-新生代玄武巖中橄欖巖捕虜體的研究成果，發(fā)現華北克拉通西北部巖石圈地幔主要由低Mg#的二輝橄欖巖和少量高Mg#的方輝橄欖巖組成，高Mg#橄欖巖是再富集輕微的古老巖石圈地幔殘余，低Mg#橄欖巖形成于軟流圈來源熔體與高Mg#橄欖巖的反應，代表了地幔再富集作用對古老巖石圈地幔的改造，揭示出該區(qū)巖石圈地幔經歷了多期地幔交代作用的改造，早期交代事件與古亞洲洋俯沖有關，晚期與軟流圈來源的玄武質熔體交代有關。這種廣泛的地幔再富集作用促使了華北克拉通古老巖石圈地幔的轉變和克拉通破壞。

華北克拉通中部帶是形成于古元古代之前的構造碰撞拼合帶，劉卉和張宏福(2022)在其北段的赤城地區(qū)發(fā)現一套主要由角閃斜長片麻巖、退變榴輝巖和蛇紋石化橄欖巖組成的巖石組合，其中后兩者以構造團塊的形式包裹在片麻巖中。蛇紋石化橄欖巖由純橄巖、方輝橄欖巖和超鎂鐵質堆晶巖組成。礦物特征表明方輝橄欖巖和純橄巖是高程度熔體抽離之后的產物，代表殘余的大洋巖石圈地幔，而超鎂鐵質堆晶巖則是殘余地幔之上的巖漿早期堆晶形成。作者指出，角閃斜長片麻巖和退變榴輝巖的原巖分別為大陸火山巖和大洋拉斑質巖石，這套巖石組合屬于蛇綠巖。赤城蛇紋石化橄欖巖屬于新太古-古元古代蛇綠巖殘片，揭示了華北克拉通東部和西部陸塊之間曾經存在著大洋巖石圈，也記錄了古大洋的消亡和中部造山帶的形成，暗示著早期板塊構造在新太古代已經開始啟動。

洋島玄武巖(OIB)同位素特征的顯著變化表明深部地幔化學組成的高度不均一性，存在EM1、EM2和HIMU等地幔端元?，F有OIB的地球化學證據支持EM1、EM2和HIMU源區(qū)多存在再循環(huán)地殼物質，因此對地幔端元屬性的精準約束是探討殼幔物質循環(huán)和地球深部過程的關鍵。基于近年來OIB的Mg、Fe、Zn等金屬穩(wěn)定同位素和橄欖石斑晶元素地球化學方面的觀察，陳立輝等(2022)在重新梳理不同地幔端元成因聯系和區(qū)別的基礎上，把EM1和EM2歸類為殘余型富集儲庫(residual-type enriched reservoir)，HIMU歸為交代型富集儲庫(metasomatic-type enriched reservoir)。作者指出，相對于OIB，大陸幔源火山巖的熔融程度普遍很低，更有利于保存富集組分的地球化學信息。洋島玄武巖主要分布在南半球，大陸火山巖主要分布于北半球，后者可以彌補前者在空間上代表性不足的缺陷。因此，大陸火山巖有潛力成為觀察深部地幔儲庫的新視角。

軟流圈是地球上巖漿巖的重要源區(qū)，并作為重要的參考體系廣泛應用于討論地球形成演化、殼幔相互作用、地殼生長等一系列重大地質問題。根據大洋玄武巖的研究結果，軟流圈地幔被普遍認為具有相對均一的地球化學組成。然而，深海橄欖巖的元素與同位素組成卻顯示軟流圈的成分存在強烈的不均一性，表明軟流圈中廣泛殘存有古老的再循環(huán)地幔，其來源既包括再循環(huán)的俯沖大洋巖石圈地幔，也包括通過不同方式進入軟流圈的古老克拉通地幔。蛇綠巖的研究結果表明這種不均一性存在于不同地質時期的軟流圈地幔。劉傳周等(2022)通過總結洋中脊玄武巖、深海橄欖巖和蛇綠巖的相關研究，揭示軟流圈地幔中不均一性的組成與來源，并討論了它們對軟流圈在洋中脊下方熔融過程的影響，該研究對于地幔地球化學學科發(fā)展具有重要意義。

碳在地球表層和內部圈層之間的循環(huán)控制了地球的環(huán)境與氣候變化。海底熱液蝕變以及變質作用會使碳酸鹽沉淀到玄武質洋殼中，之后在俯沖帶經歷高壓變質作用形成碳酸鹽化的榴輝巖。俯沖過程可以將碳酸鹽化的榴輝巖帶入深部地幔，從而導致地幔在地球化學和巖石學上存在顯著的不均一性，并深刻影響著包括部分熔融在內的地幔深部動力學過程。早期對碳酸鹽化榴輝巖的實驗研究多集中在俯沖帶地溫梯度下碳酸鹽化洋殼榴輝巖的命運，近年來的實驗開始研究地幔溫壓條件下碳酸鹽化榴輝巖部分熔融對板內堿性玄武質巖漿源區(qū)的潛在影響。徐榮等(2022)簡要梳理了碳酸鹽化榴輝巖在上地幔溫壓條件下的部分熔融實驗，并結合天然樣品的研究實例，認為碳酸鹽化榴輝巖熔體不僅可以作為潛在的地幔交代介質，還可能是板內堿性玄武巖源區(qū)的重要組分，它們與橄欖巖反應或者與橄欖巖熔融產生的熔體發(fā)生混合可以解釋板內堿性玄武巖的成分變化。作者指出，未來的工作需要更有效的地球化學指標或利用多指標聯合示蹤來識別并定量不同類型的再循環(huán)殼源組分。

2 下地殼演化與巖漿作用

大陸地殼的形成與演化是固體地球科學研究中的前沿科學問題之一。作為殼幔結合部位，下地殼的性質和演化為揭示殼幔相互作用、大陸地殼形成與再造提供關鍵信息。英基豐等(2022)對山東莒南玄武質角礫巖中地幔橄欖巖、下地殼麻粒巖和輝石巖等深源捕虜體進行系統(tǒng)的年代學和Hf同位素研究，準確厘定了莒南地區(qū)玄武巖的形成年齡為59.04±0.17Ma，發(fā)現了3.7～3.8Ga是莒南地區(qū)最重要的陸殼生長期，結合國內已報導的遼寧鞍山、冀東等地區(qū)，3.7～3.8Ga有可能是華北克拉通東部普遍存在的大陸地殼生長時期。同時，發(fā)現該區(qū)下地殼經歷了3.33Ga、2.52Ga、1.98Ga和0.76Ga多期巖漿活動，提出多階段陸殼的改造，但新元古代存在一期下地殼生長，莒南地區(qū)新生代時期的下地殼是由始太古代新生陸殼經多期殼內物質重循環(huán)形成。

地表出露的前寒武紀高級變質巖通常認為可代表下地殼巖石，王景麗和張宏福(2022)對華北南緣魯山地區(qū)太華雜巖的全巖主微量、長石礦物原位Pb同位素及基性麻粒巖的年代學等研究，系統(tǒng)梳理了太華雜巖代表的新太古代-古元古代下地殼物質組成、巖石成因以及多階段構造-巖漿事件，發(fā)現華北南緣大陸地殼主要生長于2.92～2.71Ga和2.53～2.45Ga，并經歷了元古代時期兩期陸殼再造(2.35～2.30Ga、2.19～2.06Ga)和變質作用(1.96～1.84Ga)，與中部造山帶的中、北部相似，明確限定了華北克拉通南緣前寒武紀變質地體的成因、構造背景，提出其構造歸屬于中部造山帶，是較長的俯沖碰撞造山(約1.96～1.86Ga)的結果，為深入理解早期陸殼生長、陸塊拼合及克拉通形成提供了重要的科學證據。

巖漿巖是揭示大陸地殼生長與演化和殼幔相互作用的重要研究對象，但巖漿通常在開放體系下演化、固結形成巖石，其過程非常復雜，如何有效示蹤巖漿巖的源區(qū)性質、原始巖漿成分和巖漿演化過程是當今巖漿巖石學研究的前沿方向。郭鋒(2022)通過對島弧鎂鐵質堆晶巖的研究，在前人提出的平衡配分方法基礎上，建立了基于單斜輝石和角閃石的俯沖帶鎂鐵質堆晶巖的母巖漿恢復方法，并根據樣品在原始地幔標準化微量元素蛛網圖中的異常變化情況，通過增減相關的副礦物成分予以校正。通過對比計算結果與全巖的實測成分，發(fā)現兩種方法獲得的Th/La、Ba/La和Ba/Nb比值差別不大。該方法廣泛應用于中國東北、華南、中亞造山帶和云開地區(qū)等古俯沖帶/造山帶鎂鐵質堆晶巖的母巖漿成分恢復，并驗證了Th/La、Ba/La和Ba/Nb比值可以用于示蹤古俯沖帶地幔楔的改造過程，而Th/Yb比值不能用來示蹤俯沖帶中沉積物組分。

許瑤和張宏福(2022)對遼西四合屯地區(qū)早白堊世義縣組玄武巖中單斜輝石進行了系統(tǒng)的礦物學、主微量元素和原位Sr同位素分析，發(fā)現單斜輝石主要發(fā)育正環(huán)帶結構，少量為反環(huán)帶結構，反環(huán)帶單斜輝石核部主要為透輝石，與華北古老下地殼麻粒巖中單斜輝石的成分相似，可能是來自下地殼麻粒巖的捕虜晶。反環(huán)帶單斜輝石幔部和正環(huán)帶單斜輝石核部主要為普通輝石，其成分與玄武巖全巖組成平衡，提出這部分單斜輝石是巖漿成因的斑晶，其溫壓計算結果(1171～1221℃、0.54～1.08GPa)揭示了義縣組玄武巖的巖漿演化主要發(fā)生在下地殼淺部(18～36km)。結合微區(qū)Sr同位素分析結果，作者提出四合屯義縣組玄武巖具有殼幔雙重屬性，并認為義縣組玄武巖是下地殼和巖石圈幔來源的巖漿不同比例混合作用的

花崗巖類巖石是大陸地殼的重要組成部分，其成因研究有助于探索大陸地殼的形成和演化過程。作為花崗巖類巖石中常見的副礦物，磷灰石結晶歷史時間長，貫穿整個巖漿演化階段，且富含F、Cl等揮發(fā)分和Sr、REE等微量元素，其化學特征和同位素組成在示蹤花崗巖巖漿源區(qū)和成巖過程方面有獨特的優(yōu)勢。周寶全等(2022)在閱讀大量文獻和作者近年來研究工作的基礎上，系統(tǒng)綜述了磷灰石在花崗巖類巖石中產狀和內部結構、化學成分特征、微區(qū)Sr-Nd-O-Cl-S同位素示蹤特點，如何利用這些特征有效示蹤巖漿源區(qū)性質、巖漿演化過程、巖漿中揮發(fā)分組成、巖漿氧化-還原特征與成礦作用，并展望磷灰石礦物學特征與微區(qū)元素、多元同位素體系(Sr、Nd、O、Cl、S)聯合應用，將是未來利用磷灰石學研究花崗巖類巖石成因的發(fā)展趨勢。

火成碳酸巖通常認為是來源于地幔的巖石，但是否存在殼源成因的火成碳酸巖一直存在爭議。蘇本勛等(2022)對近二十年來發(fā)現的殼源成因碳酸巖的時空分布、產出特征、巖石礦物學特點、地球化學特征以及成因機制進行了系統(tǒng)總結，提出殼源碳酸巖在空間上均分布于造山帶內部，并以克拉通邊緣的造山帶為主，時代上從元古代到新生代均有發(fā)育，不同時代的巖體在地球化學組成上有所差異，成分上多為鈣質，微量元素具較弱的輕重稀土分異、顯著的Eu、Nb、Ta、Zr和Hf負異常及Pb和Sr正異常，Sr-Nd同位素組成介于球粒隕石和大陸地殼演化線之間，C-O同位素介于原生碳酸巖漿與沉積碳酸鹽巖之間。其成因機制包括中酸性侵入體引起碳酸鹽巖熔融、基性巖漿高溫熱流引起碳酸鹽巖熔融、強烈區(qū)域變質作用造成碳酸鹽巖部分熔融和大理巖深熔作用。殼源碳酸巖的研究為探索造山過程、變質作用、地殼深熔作用及碳酸巖成礦多樣性提供了重要的窗口。

3 地幔地球化學研究中的新技術、新方法

近二十年來，由于分析技術的進步和同位素分餾機理的不斷深入，非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素(例如Li、Mg、Ca、Fe和Ba等)在地幔地球化學與巖石圈演化研究方面取得長足進展。Li同位素是目前應用最廣的堿金屬同位素體系，在地幔地球化學研究方面具有重要的示蹤作用。湯艷杰和英基豐(2022)首先系統(tǒng)的總結了Li同位素的地球化學性質和示蹤地幔交代作用的原理，提出地幔捕擄體中共存礦物(橄欖石、單斜輝石和斜方輝石)之間的Li含量和同位素組成變化可作為制約地幔交代作用過程中熔/流體性質和來源的重要依據；其次，全面總結了華北克拉通東部、中部地幔捕擄體中橄欖石和輝石的Li含量和δ7Li值，發(fā)現華北巖石圈地幔具有高度不均一的Li含量和Li同位素組成，反映了華北不同地區(qū)巖石圈地幔組成和地幔交代作用的復雜性；最后，根據地幔捕擄體中橄欖石和輝石的Li含量和同位素組成的原位分析結果，指出華北克拉通巖石圈地幔至少經歷了三個階段的熔/流體交代改造作用：交代介質的來源分別為高δ7Li值的蝕變洋殼、低δ7Li值的殘留俯沖板片和正常δ7Li值的上涌軟流圈。該論文對于認識華北克拉通巖石圈地幔的改造和演化，以及拓展Li同位素在地幔交代作用方面的應用均具有重要意義。

Fe、Mg和Ca是地幔的主要組成元素，Fe、Mg和Ca同位素高精度分析方法的研發(fā)為大陸巖石圈演化和地幔物質再循環(huán)等研究帶來了全新的視野和手段。趙新苗等(2022)系統(tǒng)總結了華北不同地區(qū)地幔捕虜體Fe、Mg和Ca同位素組成，發(fā)現華北巖石圈地幔Fe、Mg和Ca同位素組成的空間差異性；通過對比我國華南及世界其它地區(qū)的地幔捕虜體Fe、Mg和Ca同位素組成，提出華北巖石圈地幔Fe、Mg和Ca同位素組成不均一是由熔體改造形成，證實了Fe、Mg和Ca等金屬穩(wěn)定同位素具有研究地幔不均一性、示蹤改造地幔的熔體性質和來源的潛力。同時，總結了現今Fe、Mg和Ca同位素在地幔研究中存在的問題，并展望了未來的研究方向。

Ba同位素作為新的地球化學工具，被廣泛的應用于殼幔物質循環(huán)、地殼演化、流體活動等重要地球科學問題研究中。黃方等(2022)主要回顧了Ba同位素在地幔地球化學領域的研究進展以及存在的問題，首先介紹了Ba同位素分析方法、分餾機理和重要地質儲庫的組成，重點討論了幔源巖漿巖的Ba同位素變化，以及巖漿巖和變質巖中的Ba同位素分餾行為及潛在應用，并對當前存在的問題及未來的研究方向進行了展望。

地質年代學現代地球科學研究的核心問題之一，鋯石U-Pb法是地質年代學中應用最廣泛和最重要的定年方法。儲著銀等(2022)詳實介紹了CA-ID-TIMS單顆粒鋯石U-Pb高精度定年方法在國內實驗室的實施和重要進展。作者通過配制和準確標定205Pb-233U-236U稀釋劑，創(chuàng)新性地采用實時在線氧校正方法，成功地建立205Pb-233U-236U稀釋劑ID-TIMS單顆粒鋯石U-Pb高精度測定方法，標準鋯石U-Pb年齡測試結果與參考值完全一致，精確度(0.045%)達到國內領先水平，推動了中國高精度地層年代學研究的深入發(fā)展。

鎳、鈷和鉑族元素(PGE)屬戰(zhàn)略礦產資源，是我國緊缺的關鍵金屬。它們主要儲存在地核和地幔中。中國古生代金伯利巖和中-新生代堿性玄武巖攜帶了大量地幔捕虜體，是認識大陸巖石圈地幔鎳、鈷和鉑族元素組成與含量的直接樣品。包亞文等(2022)系統(tǒng)總結了我國大陸巖石圈地幔不同地區(qū)鎳、鈷和鉑族元素的組成、含量及時空變化，以及受控的主要因素，嘗試回答相關元素在中國成礦潛力的問題，為國家戰(zhàn)略性緊缺礦產尋找和勘查提供了理論基礎。

我們衷心感謝論文作者們的辛勤付出；本專輯的出版得到了翟明國院士和吳福元院士的大力支持；感謝編輯部俞良軍老師對本專輯籌備和出版所做的大量細致工作。以下專家學者評審了本專輯的論文：柏中杰、陳璟元、陳開運、陳立輝、程昊、陳雙雙、戴宏坤、戴立群、高劍峰、郭鋒、郭鵬遠、何永勝、胡森、胡兆初、黃方、黃建、黃小龍、紀偉強、景志成、李洪顏、李惠民、李金祥、李霓、李秋立、李元、劉佳、劉金高、劉鵬、劉小馳、魯穎淮、孟繁聰、秦禮萍、任勝利、蘇本勛、蘇玉平、隋建立、湯華云、湯慶艷、陶仁彪、汪在聰、王浩、王孝磊、吳春明、肖燕、肖益林、熊慶、徐榮、徐崢、許成、許文良、楊陽、楊德彬、楊曉志、英基豐、張愛鋮、張丁丁、曾罡、曾慶棟、張亮亮、張鵬飛、鄭建平、鐘玉婷、宗克清。在此向他們表示誠摯的謝意！

附中文參考文獻

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