周新華

地幔地球化學是一門相當年輕的學科，至今也還尚屬不惑之年，它是二十世紀地球科學兩大革命性進展相結合的直接產(chǎn)物，僅僅六年之后，它又孕育出另一門更年輕的學科——化學地球動力學，并構成了其核心內容(Allègre, 1980, 1982)。四十多年的科學實踐證明，這兩門學科不僅在包含深海在內地球表層系統(tǒng)和深地系統(tǒng)及多圈層相互作用中起著生力軍作用，而且在月球及行星科學，乃至深空探測中同樣起著不可替代的作用。中國改革開放的發(fā)端恰與這門新興學科的創(chuàng)立和成長基本同步，于是地幔地球化學就不同于其他傳統(tǒng)學科，它在我國有了高起點，發(fā)展快的大環(huán)境，華北克拉通破壞重大研究計劃的眾多產(chǎn)出及嫦娥5號月壤樣品的最新成果就生動地說明了我國在這一領域從跟跑到并跑，再到局部領跑的發(fā)展歷史。

1 二十世紀地球科學重大進展與地幔地球化學的誕生

地幔地球化學是地球化學學科領域中最年輕的分支學科之一，同時也是處于固體地球科學最前沿的分支學科。它是在二十世紀七十年代中期才形成的一門探討地球深部化學結構、組成、動力學過程和地球內部圈層相互作用及其淺部響應的交叉學科。無疑，它與地球物理學、巖石學(特別是實驗巖石學)、大地構造學以及地球化學各分支學科都有著緊密的關系。

地幔地球化學的形成發(fā)展與二十世紀地球科學兩大革命性事件，即板塊構造學說問世和阿波羅登月工程的實施密不可分。前者將地球科學家的視野拓展到全球構造及地球系統(tǒng)科學的層次，而后者則將地球與行星科學作為一個整體來考慮，即形成現(xiàn)代地球系統(tǒng)科學的概念，并將以月球科學、天體化學及分析地球化學為主的高新技術全面引進了地球科學。顯然二者的結合，從理論和實驗技術兩個層面上，提供了一條人類獨立地認識地球深部及地球系統(tǒng)的新途徑，從而對傳統(tǒng)上地球深部的研究途徑，諸如地球物理測深、造山帶構造抬升殼幔剖面、實驗巖石學模擬以及地幔巖石學提出了新的制約?，F(xiàn)今它的研究領域及影響所及，早已遠超出深部的范疇，而進入了整個地球系統(tǒng)科學及多層圈相互作用等一系列前沿理論和應用領域。

二十世紀六、七十年代，因元素分配理論的完善和實驗巖石學的進展，玄武巖部分熔融成因理論得以建立并獲得學術界公認。另一方面，在板塊構造學說問世基礎上，地球科學家必須要探明地球深部，特別是地幔對流現(xiàn)象，以檢驗板塊運動的驅動力機制。自二十世紀六十年代開始，國際地學界開始實施了一系列全球規(guī)模的合作計劃。如國際上地幔計劃(1961～1970)、地球動力學計劃(1971～1980)和國際巖石圈計劃(ILP, 1981～2000)及大陸動力學計劃等。這無疑大大推進了對地球深部的研究，為地幔地球化學學科的誕生提供了更為堅實的學術支撐及需求。

與此同時，在美國阿波羅登月工程的推動下，以月海玄武巖和月壤為主要對象的月球樣品地球化學及同位素年代學研究得到了極大的發(fā)展，它不僅大大深化了以月海玄武巖及高地斜長巖成因為代表的月球科學研究，而且使當時的一系列高新技術得以在地球與行星科學領域獲得推廣應用。如高靈敏度、高精度、多接收器計算機程控同位素質譜計，超高真空惰性氣體質譜計，超低本底凈化實驗室技術，離子探針微區(qū)原位分析技術，高溫高壓成巖模擬實驗以及相應的遙感圖像識別與分析技術等，從而為地幔地球化學學科的建立提供了強有力的技術支撐。

在當年最先進的Sm-Nd同位素年代學技術進步和雄厚的月球玄武巖地球化學研究基礎上，美國高校的兩個頂尖研究集體(加州理工學院(Caltech)與哥倫比亞大學(Lamont))在一九七六年至一九七七年的冬春之交短短兩個月的時間內，幾乎同時獨立地完成了對大洋玄武巖體系Sr-Nd同位素的研究(圖1)，先后在國際一流期刊上發(fā)表了兩篇關于大洋與大陸玄武巖Sr-Nd同位素體系的論文(DePaolo and Wasserburg, 1976; O’Nionsetal., 1977)，發(fā)現(xiàn)并證實了二者的相關性，從而奠定了地幔地球化學學科最基本的理論基礎。正是這兩篇后來被視為里程碑的論文，標志著地幔地球化學學科的形成和一個全新研究領域的誕生。自此之后，環(huán)繞這一領域工作的論文如雨后春筍般地涌現(xiàn)，世界一流的大學、研究所相關專業(yè)無不投入全力參與這場競爭。國際地球和行星科學界形成了一股繼阿波羅探月計劃之后的研究熱潮, 而中國幾乎在同期開始了地幔巖石學及地幔地球化學的研究，并在28年后開啟了以嫦娥命名的探月計劃，參與了全球新一輪月球探測競爭(圖1、圖2)。

圖1 1981年作者在美國Carnegie研究所分析首批中國玄武巖Nd同位素Fig.1 Nd isotopic compositions of basalts from China were analyzed by the author at Department of Terrestrial Magnetism (DTM), Carnegie Institution of Washington, 1981

圖2 中國探月計劃執(zhí)行期間與香港大學學者商討合作事宜(左起：趙國春、周新華、歐陽自遠、孫敏)Fig.2 Consulting on collaborative research with scholars from University of Hong Kong during the execution of China’s lunar exploration program

四十六年后的今天，當人類面臨第四次工業(yè)革命前夜以及種種極其嚴峻的生存挑戰(zhàn)之際，地幔地球化學仍然以其充滿活力的姿態(tài)，在現(xiàn)代地球系統(tǒng)科學、未來地球、宜居地球、多層圈相互作用、深空-深海-深地探索、資源能源預測等前沿領域發(fā)揮著生力軍的作用。它并吸引著愈來愈多的地球科學家及相鄰學科的科學家參與進來，形成了一系列更新的交叉學科及領域、改變了一些傳統(tǒng)學科的面貌；并有可能在二十一世紀孕育新的全球構造理論方面起到重要的作用。這一歷史及現(xiàn)實的回顧，無疑將促使我們重新審視、學習和評價地幔地球化學的發(fā)展。四十多年前，筆者有幸隨著國門的打開，踏進了西方大學的校園，經(jīng)歷并參與了地幔地球化學最初的研究浪潮；其后，又身不由己地在此領域內工作至今。在這不算短的時間里，我國的地幔地球化學及巖石圈深部研究已取得了長足的進步，但更多的是面臨著新的挑戰(zhàn)和需求。這就促使我們產(chǎn)生一種不懈的責任感，即應該為加速發(fā)展中國的地幔地球化學及巖石圈深部研究而不斷地努力。

2 大陸巖石圈研究與中國地幔地球化學學科的形成

隨著國際上地幔計劃的實施，特別是在20世紀60年代末，對諸如金伯利巖、鉀鎂煌斑巖、堿性玄武巖、超鎂鐵質熔巖及其火山碎屑巖中的超鎂鐵巖捕虜體等天然樣品的研究已被列入國際上地幔合作研究計劃，它們能夠提供地幔深部組成的直接信息，并形成了一門新興學科——地幔巖石學。我國地學界迅即在二十世紀七十年代中后期起，相繼開展了青藏高原、東南巖石圈等地區(qū)的綜合調查與研究。在上述國家級大項目的支撐下，尤對整個東部地區(qū)(東北、華北、華東及東南沿海)幔源巖類的普查式研究，并在繼后的八十年代形成我國地質科學的一個研究熱點，除了眾多的研究論文(代表性論文如從柏林等, 1979; 鄧晉福等, 1980, 1988)；還出版了兩本代表性專著(鄂莫嵐和趙大升, 1987; 池際尚, 1988)。在此基礎上，同時也在整個二十世紀七十年代國際地球動力學計劃及繼后八、九十年代的國際巖石圈計劃持續(xù)推動下，筆者及其國內同事們，主要通過國際合作方式發(fā)表了一批中國大陸東部新生代玄武巖類同位素地球化學的研究論文，全面揭示了中國東部陸下巖石圈地幔的地球化學特征，也標志著中國地幔地球化學研究的發(fā)端(Zhou and Armstrong, 1982; Zhou and Carlson, 1982; Zhuetal., 1983, 1989; Zhu and Chen, 1984; Li and Liu, 1986; Pengetal., 1986; Zhou and O’Nions, 1986; Fan and Hooper, 1989; Zhou and Zhu, 1989; Zhu, 1991)，引起了國際學術界的廣泛關注。與此同時國內刊物亦發(fā)表了眾多成果(從柏林, 1979; 從柏林等, 1979; 鄧晉福等, 1980, 1988; 周新民等, 1980; 路鳳香等, 1981; 從柏林和張儒瑗, 1982, 1983; 鄂莫嵐等, 1982; 胡世玲等, 1983; 樊祺誠, 1984; 陳道公和彭子成, 1985, 1988; 陳文寄等, 1985, 1986; 李獻華, 1985; 陳毓蔚等, 1986; 周新華, 1987; 劉北玲等, 1988; 王俊文等, 1988; 曹榮龍, 1989; 解廣轟等, 1988; 朱炳泉和王慧芬, 1989; 朱炳泉等, 1991)等和三本論文集及專著(中國礦物巖石地球化學學會地幔礦物巖石地球化學專業(yè)委員會，1990；劉若新，1992；鄧晉福等，1996)。

上述研究通過廣泛涵蓋了中國大陸東部的新生代玄武巖及其幔源捕虜體樣品，首次表明中國大陸東部現(xiàn)今的陸下巖石圈地幔已非典型的古老大陸克拉通型地幔，總體而言具有非典型的大洋型地幔，即具大洋型的地球化學虧損特征(Oceanic affinity)。這一發(fā)現(xiàn)具有重要科學意義和認識論價值，它是應用同位素地球化學，在地幔深度層面上，深化了前輩地質學家對華北地區(qū)中生代地質演化史活化背景的創(chuàng)新性認識(Wong, 1927, 1929; 陳國達, 1956, 1959, 1992, 1993; 周新華, 2006; 周新華等, 2009)，并為繼后形成我國地球科學熱點的華北巖石圈減薄或華北克拉通破壞研究奠定了基本觀測事實和地幔地球化學理論基礎。進一步工作表明，已有幔源樣品的Sr-Nd-Pb三元同位素數(shù)據(jù)可以用DM-PM-EMⅠ或DM+PM-EMⅡ的三元混合模式解釋，從而揭示了上述幔源組分在中國大陸地幔成因中的重要作用(李獻華, 1985; Li and Liu, 1986; Zhouetal., 1988; 周新華和朱炳泉, 1992)。我國全域范圍地幔地球化學填圖(Geochemical Mapping)表明，地幔源區(qū)的地球化學特征呈南-北向規(guī)律變化，即從華南的虧損地幔，經(jīng)揚子克拉通的似原始地幔到華北逐漸向富集地幔過渡，東北地區(qū)則以富集地幔為主，而且明顯受地表塊體構造屬性所控制，被稱之為地幔源區(qū)特征的塊體效應，它深刻反映了深部動力學過程對淺部巖石圈及地殼層次的影響。填圖工作還表明EMI型地幔組分在東北某些高K火山巖及東部地區(qū)古近紀玄武巖的源區(qū)中起著主導作用，而重循環(huán)地幔組分在一些板塊邊界有顯著影響(Zhouetal., 1988; 周新華和朱炳泉, 1992)。后期的深入工作則表明以東北小古里河白榴巖源區(qū)為代表的I型富集地幔組分，不僅構成了中國大陸地幔的一個端元組分，而且有可能作為全球大陸EMI組分的代表性樣品(Sunetal., 2014, 2015)，顯示了比大洋地幔EMⅠ端元Sr、Nd同位素更為富集，而Pb同位素以及U/Pb比值卻更為虧損的特征，并因此建議命名為LOMU端元，以對應已有的HIMU端元和LoNd端元(Zindler and Hart, 1986; Hart, 1988; 劉北玲等, 1988; Zhou and Zhang, 1994)。

3 大陸動力學研究：從大陸深俯沖到克拉通破壞

在二十世紀八、九十年代連續(xù)兩個巖石圈國際合作計劃的推動下，我國開展了規(guī)模空前的跨學科大陸巖石圈綜合研究。除青藏高原綜合考察外、重點開展東南巖石圈組成、結構和演化項目研究，也促進了上節(jié)所綜述的相關幔源巖類的地幔地球化學研究。

早在世紀之交美國政府三個相關部門(美國國家基金會NSF、美國地質調查所USGS、美國能源部DOE)就聯(lián)合制定了《美國大陸動力學研究國家計劃(1990-2020)》，提出了大陸動力學這一重要命題；之后又以美國國家科學基金會名義發(fā)表了《構造地質學和大地構造學的新航程》以及美國國家科學基金會與美國地質學會聯(lián)合準備的大地構造學未來方向框架《21世紀的大地構造：一個宜居行星的動力學》文件，進而在地學界明確提出了宜居行星，或宜居地球的概念。這實際上是呼應及延伸了早已存在的比較行星學中“宜居行星”與“宜居行星帶”的概念。基于張國偉院士團隊的努力，上述報告廣為傳播，大陸動力學遂成為我國大陸巖石圈研究的重要方向和前沿領域。在中國科學院、國家自然科學基金委員會和科學技術部的支持下，先后開展了相關領域的一系列重大研究項目。

(1)蘇魯-大別超高壓變質帶-大陸深俯沖研究 以從柏林先生團隊為代表的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承擔首批“973”項目(國家重點基礎研究發(fā)展計劃)，在20世紀80年代開展的幔源巖類工作基礎上，隨著蘇魯-大別地區(qū)多處柯石英及金剛石等超高壓礦物的相繼發(fā)現(xiàn)，意識到蘇魯-大別的超高壓變質帶實質上是揚子板塊與華北板塊之間俯沖碰撞的產(chǎn)物，于是提出了大陸可能被俯沖至200～300km又折返的機制，故產(chǎn)生了大陸深俯沖的命題。由此產(chǎn)生兩大關鍵科學問題：大陸深俯沖的地球動力學機制及其對大陸巖石圈演化格局的影響。筆者所在張宏福院士團隊則從空間上的周邊效應及時間上的后效作用出發(fā)，以深部動力學的巖石圈記錄為主要研究途徑，探討了大陸深俯沖作用發(fā)生后所造成巖石圈動力學邊界條件改變所導致的一系列深部物質運動過程、機制和后效。工作確證了大別北緣-華北南緣中生代巖石圈地幔源區(qū)的地球化學富集特征以及南北向變化趨勢，結合華北陸內及北緣中生代巖石圈地幔特征的對比研究，從大陸深俯沖角度，提出了華北中生代巖石圈地?；瘜W區(qū)劃。發(fā)現(xiàn)并確證了大陸深俯沖作用中俯沖板片部分熔融成因的富鈦、富硅及富碳酸鹽熔體交代華北巖石圈地幔的富集機制，用于解釋中生代火成巖體系地球化學特征的變化；地球化學各特征指示巖石圈地幔源區(qū)已受具特定地球化學特征的富集組分的交代改造，地球化學參數(shù)南北向變化趨勢，指示這一富集源區(qū)來自經(jīng)深俯沖揚子板片中下地殼熔融形成的熔體交代改造的巖石圈地幔(Zhang and Sun, 2002; Zhangetal., 2002; Fanetal., 2004; Guoetal., 2004; Yingetal., 2004; 周新華等, 2005)。

(2)中國東部大陸地幔不均一性研究 同期在國家自然科學重點基金項目支持下所開展的中國東部地幔不均一性與巖石圈演化典型地區(qū)研究，聚焦于華北克拉通減薄作用深入研究，厘定了減薄作用是以環(huán)渤海為中心地區(qū)，以晚中生代白堊紀為峰值時段；確證了強烈殼幔相互作用的幕式特征和玄武質底墊作用重要形式及其與重大地質構造事件的耦合性；跨塊體的同位素填圖揭示了地球化學源區(qū)的塊體特征，深化了華北古生代巖石圈地幔強烈交代特性的研究。上述工作提出中生代全球事件的深部動力學過程對中國東部巖石圈演化的影響及其與華北周邊重大構造過程可能的成因關系(周新華等, 1998; Fanetal., 2000; 鄭建平等, 2000; Chenetal., 2001; Xu, 2001, 2002; Zhangetal., 2001; Zhengetal., 1998, 2001; Zhouetal., 2002; Wildeetal., 2003)。

無疑上述兩項工作為21世紀華北克拉通破壞重大研究計劃的展開作了前期的基礎準備。

圖3 華北克拉通破壞項目組部分成員參加2015年礦物巖石地球化學學會學術年會(長春)Fig.3 Members of North China Craton Program attended the annual meeting of Chinese Society for Mineralogy, Petrology and Geochemistry, Changchun 2015

圖4 華北克拉通破壞項目組部分成員參加2016年國際Goldschmidt大會Fig.4 Members of North China Craton Program attended the Goldschmidt Conference, Yokohama 2016

(3)華北克拉通破壞研究 21世紀以來華北克拉通破壞研究顯然在我國大陸動力學研究方面占據(jù)了重要地位。這是因為自二十世紀八十年代初期以來，中國學者多學科大量觀測事實和研究工作的積累，以及眾多國際同行的參與，已充分揭示了自三疊紀中國東部大陸拼合以來，遭受了劇烈的深至巖石圈地幔層次的改造?？梢哉f以華北克拉通為代表的中國東部提供了一個研究大陸巖石圈演化的最佳實驗室及克拉通破壞難得的實例。人們的認識從巖石圈減薄，逐漸深化到整個巖石圈性質的全面變化，乃至巖石圈轉型，以及克拉通穩(wěn)定性質的整體喪失，從而形成了克拉通破壞的概念。2007年起國家自然科學基金委以有史以來地學領域最大的資助力度，設立了重大研究計劃《華北克拉通破壞》，展開了全面而系統(tǒng)的研究工作(代表性論文如高山等, 2009; 徐義剛等, 2009; 張宏福, 2009; 鄭建平, 2009; 朱日祥和鄭天愉, 2009; 朱日祥等, 2011, 2012, 2020)。應該說，該計劃在所設定的五個科學問題上均取得了不同程度的顯著進展，特別在克拉通破壞的四維時空尺度刻畫上，通過多學科結合尤為深入；在克拉通破壞微觀方式方面，綜合集成了目前熔體交代等不同學術觀點的成果，而在地球動力學機制上則強調了“主要受控于太平洋板塊的西向俯沖”(朱日祥等, 2012)，并進而指出“如果沒有古太平洋板塊俯沖帶回撤，俯沖板片回轉與在地幔過渡帶滯留，就不會產(chǎn)生東亞古大地幔楔；而沒有東亞古大地幔楔的形成，也不會導致華北克拉通破壞，以及燕遼、熱河生物群的繁盛與消亡”(朱日祥等, 2020)。我國眾多的優(yōu)秀中青年地球科學家們，經(jīng)多年的努力，在作為地球科學前沿的地球動力學領域里，做出了系統(tǒng)的原創(chuàng)性貢獻。上述成果在國內及國際的學術會議上發(fā)表及報告，受到了國內外同行廣泛而高度的關注(圖3、圖4)。

4 現(xiàn)代地球系統(tǒng)科學與中國地幔地球化學發(fā)展

4.1 地球系統(tǒng)科學含義的演變和回歸

20世紀80年代開始的全球變化研究，將人類生存環(huán)境的問題拓展為整個地球系統(tǒng)的研究，即將地球表層看成為整體，從而產(chǎn)生了地球系統(tǒng)科學的新領域。如1983年美國國家宇航局(NASA)成立了地球系統(tǒng)科學委員會，1988年發(fā)布了“地球系統(tǒng)科學”報告，之后美國將地球系統(tǒng)科學列入高等院校教學計劃(汪品先, 2018)。從這段歷史回溯，地球系統(tǒng)科學這一新的提法主要是基于人類生存環(huán)境研究的需求，因而有時被理解為表生地球為主的研究而誤用(汪品先, 2014)。進入21世紀之后隨著深空、深地、深海目標的提出，以新一輪探月為代表的深空探測熱潮的興起，以及以核幔邊界大低剪切波省(LLVSP)為代表的深部地球核幔過程研究的新進展，人們越來越深地體會到地表、地殼以及深海的活動實質上都受控于地球深部的過程，而人類地球生存環(huán)境的惡化更推動了向深空拓展的需求，就借助于比較行星學“宜居行星”概念，推及至宜居地球。從而使得現(xiàn)代地球系統(tǒng)科學真正回歸到它的本質含義，即涵蓋了深空、深海、深地，從外層空間直至地核的多圈層相互作用及其動力學機制的全方位全過程地球科學。毫無疑問，地幔地球化學在現(xiàn)代地球系統(tǒng)科學中將依舊起著生力軍的作用。

如前所述，作為20世紀板塊構造與以阿波羅計劃為代表的深空探測結合產(chǎn)物的地幔地球化學，自問世以來就在地球科學一系列領域中發(fā)揮著重要作用，特別是在殼幔相互作用為主的多圈層相互作用研究中起著不可替代的功能，并進而構成了化學地球動力學的核心內容。月球樣品及各類隕石的主要組成就是由玄武巖、橄欖巖成分為主的幔源物質。至今嫦娥五號為代表探月及深空探測的成果已充分說明以地幔地球化學為核心內容的化學地球動力學研究思路及技術方法的關鍵作用(Huetal., 2021; Lietal., 2021; Tianetal., 2021)，至于深地及深海探測領域則歷來就是地幔地球化學的主戰(zhàn)場。而地幔地球化學學科本身也必將在現(xiàn)代地球系統(tǒng)科學進程的一系列新挑戰(zhàn)中，得到進一步的發(fā)展，從而上升到一個新的水平。

4.2 我國地幔地球化學研究的新進展

我國在“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃中，就明確提出了要加強“深空”、“深?！?、“深地”領域的戰(zhàn)略部署，21世紀以來我國地幔深部研究從大陸到大洋、從深度到廣度全面進軍，從追趕到并跑，甚至局部超越，取得了前所未見的巨大進步。從大陸巖石圈到大洋巖石圈、從克拉通橄欖巖到造山帶橄欖巖、從地幔中熔/流體到地幔中水及氫氧存在形式的轉化、從大陸玄武巖到大洋玄武巖、從基性-超基性雜巖體到火成碳酸巖、從大數(shù)據(jù)到非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素新應用成果迭出，給人耳目一新之感。其中突出的除華北克拉通破壞研究外，還有如赤城新太古代蛇綠巖的發(fā)現(xiàn)；我國幔源型造山帶橄欖巖普遍存在熔巖反應；西南印度洋深海橄欖巖與其上的洋殼存在解耦現(xiàn)象；大陸尺度的巖石圈地幔和軟流圈的水含量時空分布及其對重大地質過程的影響；實例論證輝石巖、角閃石巖、碳酸鹽化橄欖巖作為中國東部新生代玄武巖源區(qū)母巖；揭示地幔碳酸鹽化及其在深部碳循環(huán)中的影響；東亞大地幔楔與玄武巖成因關系；利用MORB約束東太平洋及南海洋脊下部地幔組成不均一性等(張宏福和陳立輝, 2021)。

非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素開發(fā)應用 這是進展最為突出，成果最為顯著的應用領域，同時也是推廣普及最為迅速的方法技術，如果以前是作為高精尖的新技術新方法被提及，而如今則已是各種研究項目分析方法的標配。非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素分析是二十世紀末到二十一世紀初才興起的技術，這主要得益于多接受電感耦合等離子體質譜高溫電離及高分辨質譜技術的突破和推廣。迄今獲得地學應用的25個非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素中大部分，都已應用于大陸與大洋巖石圈演化、大陸和大洋玄武巖、地幔物質再循環(huán)、基性-超基性侵入體等地幔巖石地球化學研究的各個領域，甚至在某些方面因后發(fā)優(yōu)勢的高起點，領跑了國際非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素地球化學的發(fā)展方向。比較突出的如用Li、Mg、Ca、Fe和Zn同位素示蹤熔體-巖石相互作用與深部碳循環(huán)等方面，提供了對大陸玄武巖源區(qū)組成的新制約以及對深部碳循環(huán)途徑認識的深化；特別是確立了聯(lián)合Mg-Zn-Ca同位素潛在的示蹤地表碳酸鹽深部再循環(huán)地球化學指標，進而揭示了中國東部是一個巨大的再循環(huán)碳庫，說明富鈣碳酸鹽巖的深部俯沖再循環(huán)。在地幔各種同位素儲庫的標定上建立了硅酸鹽地球(BSE)的Ca、Cr、Cu、Ba同位素組成基準值等(張宏福和陳立輝, 2021)。

無疑今后在有關深空、深海及深地以及宜居地球及地外樣品研究中，非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素仍具有巨大的應用潛力，利用其非質量分餾、金屬鍵合環(huán)境、揮發(fā)-耐溫元素蒸發(fā)/凝聚、還原性敏感元素、生物活性和營養(yǎng)元素等特性，用以制約低溫-高溫的地質、行星演化及生物過程，示蹤地球及行星形成及分異中的重大事件和過程，包括成礦過程均有很大的發(fā)展空間。

原位微區(qū)同位素分析技術進展 鑒于幔源樣品的稀缺性以及樣品本身幾何尺度的局限性及目標元素含量之低微，加之相應目標同位素變化范圍的微區(qū)性，原位微區(qū)分析技術對于地幔地球化學研究的重要性是不言而喻的。近年來，隨著微束分析技術的飛速發(fā)展，激光探針(LP)、多接受電感耦合等離子體質譜(MC-ICPMS)及二次離子質譜(SIMS)技術，乃至原子探針技術(ATP)日益成為地幔地球化學樣品分析的關鍵手段。目前一些主要的同位素體系，如U-Th-Pb、Rb-Sr、Sm-Nd、Lu-Hf可開展原位微區(qū)分析的目標礦物均已達十余種，甚至二十余種(U-Th-Pb體系)。特別具重要意義的是Zr、Ti、Si、Fe、Cu、Li等非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素也已進入原位微區(qū)分析領域，更多的非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素，如Mg、Zn、Ca等的原位微區(qū)分析技術也正在開發(fā)中。而具廣泛應用價值的副礦物，如鋯石、斜鋯石既可進行U-Th-Pb、Lu-Hf等同位素體系分析，亦可進行O、Zr、Si等傳統(tǒng)及非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素原位微區(qū)分析。這一領域未來的發(fā)展空間完全可期，也將對地幔地球化學研究產(chǎn)生巨大促進作用(Yangetal., 2019)。

深地幔超高壓礦物學新進展 近10年來毛河光先生的團隊在超高壓礦物研究領域取得了突破性及系統(tǒng)性的成果，有可能改變地球深部研究的面貌，甚至亦會影響整個地球系統(tǒng)科學的進程。該團隊相繼發(fā)現(xiàn)下地幔深部所對應的溫度、壓力條件下含鐵鈣鈦礦會分解為兩個相，即無鐵的鈣鈦礦和六方結構的富鐵相，以及下地幔穩(wěn)定存在超富水斯石英，實驗中斯石英的含水量至少可達4%～10%(Zhangetal., 2014; Linetal., 2020)。對常見礦物磁鐵礦Fe3O4、赤鐵礦Fe2O3、針鐵礦FeOOH以及地幔礦物鐵方鎂石(Mg, Fe)O的高溫高壓實驗研究表明在深下地幔溫度壓力環(huán)境，F(xiàn)eOOH通過部分脫氫作用或鐵鎂氧化物與俯沖含水物質發(fā)生新型高壓化學反應，形成含氫(Fe, Mg)O2相，其結構與地表常見礦物黃鐵礦(FeS2)相同。研究表明在75GPa條件下(1800km之下)可以存在含有相當量水的礦物進入核幔邊界，含F(xiàn)e硅酸鹽礦物分解形成富Fe礦物；生成含F(xiàn)e的氫化過氧化物，并釋放出氫氣。模擬實驗同時表明，含氫(Fe, Mg)O2相可穩(wěn)定存在于下地幔底部極端溫壓環(huán)境，具有較高的結構穩(wěn)定性，長期可能產(chǎn)生幾千米至數(shù)十千米厚度的含過氧化物相區(qū)域，有助于核幔邊界超低速區(qū)的形成。富氧物質聚集在核幔邊界，堆積過多，分化成鐵進入地核，氧被積壓；氧積壓過多發(fā)生突變氧爆發(fā)，富氧物質上升，啟動化學對流并改變熱對流，開啟板塊運動；當富氧物質接近地表，降低熔點造成地殼巖漿分化。上述過程可導致一系列地球地表突發(fā)事件，如大氧化事件、“雪球”地球、生物大滅絕、條帶狀含鐵建造(BIF)、溢流玄武巖與大火成巖省、超級地幔柱、超大陸裂解等。上述分析說明深地引擎是調控地球時空變化的最主要導因，上述理論可以說明常規(guī)板塊運動及突變，以及先板塊運動時期的主要事件，毛河光先生將此稱之為“四維地球系統(tǒng)”(Maoetal., 2017; Mao and Mao, 2020)。

當然毛河光先生的模型僅僅是初始階段的理論設想，正如他本人所說：“還有極大量細致工作有待開展”，但是這一模型基于的一系列超高壓高溫實驗研究結果完全是突破性的及顛覆性的，說明組成超高壓礦物的離子行為完全可以與經(jīng)典理論相左，從而對深部地幔地球化學結構的認識及其動力學后效產(chǎn)生重大影響。同時它從另一個獨立的側面，印證了本文前面提及基于地球物理資料的大低剪切省(LLVSP)的存在及在其邊緣產(chǎn)生超級地幔柱的地球化學機制。

5 展望——從地球化學學科百年說起

如果將廣為引用的1924年Clarke and Washington發(fā)表《The data of geochemistry》第五版以及同年蘇聯(lián)地球化學家維爾納斯基《地球化學概論》第一版(法文)的問世作為現(xiàn)代地球化學形成的標志，那么地球化學學科很快將迎來它的百年。一個世紀以來，不少地球化學家提出了不下數(shù)十種地球化學學科的定義，從“通過地殼中礦物、巖石樣品的分析測試，來討論元素的分布狀況和分布規(guī)律”(Clarke and Washington, 1924)，到20世紀我國地球化學領軍人物涂光熾先生在他組織撰寫的《地球化學》一書中給出的定義“地球化學是研究地球(包括部分天體)的化學組成、化學作用和化學演化的科學”(涂光熾, 1984)，反映了從強調化學元素-原子到地球整體的化學組成及演化的趨勢。筆者在多年的科研及教學生涯中體會到需要有更具學科特色的嚴格定義，嘗試提出了“地球化學是從物質結構的微觀層次來表征、示蹤和探討地球和行星體系‘生’、‘運’、‘聚’、‘定’的機制及其轉化的規(guī)律，并將之應用于認識整個地球-行星體系和促進人類社會的可持續(xù)發(fā)展”； 并同時強調“作為地球科學，特別是現(xiàn)代地球系統(tǒng)科學不可替代的組成部分，地球化學在上述領域中，發(fā)揮著不可或缺的生力軍作用”(周新華, 2011(1)周新華. 2011. 中國科學院研究生院《現(xiàn)代地球化學》課件)。在地球化學學科面向第二個百年的起點并已踏上向深空、深海、深地進軍的征途上，展望我國地幔地球化學，重溫這一定義，無疑將使我們的目光投向微觀與理論這兩個方向上。

在近年的一次學術報告中，毛河光先生語重心長地道出“對深地的了解，落后深海、深空一百年”的警語！他進而又指出“將高壓礦物學的最新進展與數(shù)十年來地球物理學、地質學、地幔巖石學、地幔地球化學聯(lián)系起來，或許可稱之為深地地球科學，它可為整體地球演化提供一幅全新的圖景——四維地球系統(tǒng)”(毛和光, 2021(2)毛和光.2021.中國科學院地質與地球物理研究所2021年學術年會報告)，這既是對我們從事地幔地球化學研究同行們的告誡，更是激勵和期待！

目前雖然地球化學的實驗工具已達納米范疇，并正向原子級進軍(原子探針ATP及原子隧道顯微鏡)，但距科學問題的要求及理論認識無疑尚有很大差距。21世紀以來，基本粒子物理學及量子科學正以突飛猛進的姿態(tài)發(fā)展，突破種種傳統(tǒng)觀念的束縛，地球科學家何以能作壁上觀?在二十世紀六十年代，從未留學并年過六旬的侯德封老先生尚且曾向亞原子層次地球化學作過沖擊，雖以試錯告終，但其經(jīng)驗教訓為后人鋪了路(侯德封, 1961; 侯德封和歐陽自遠, 1961, 1962; 侯德封和楊敏之, 1961; 侯德封和王中剛, 1961; 胡受奚, 1962; 戴問天, 1962)。之后人們逐漸認識到“應從地球演化歷史及能量角度來分析及評估核轉變在地球演化中作用”的重要觀點(侯德封等, 1963)，據(jù)此又撰寫及出版了《核轉變能與地球物質演化》一書(侯德封等, 1974)。這一歷史回顧告訴我們，科學發(fā)展與人類的認識都是無止境的，而地球演化能量的中微子研究已為我們樹立了一個現(xiàn)實的成功實例，非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素應用深入發(fā)展的要求，進一步提示了同位素基礎理論研究的重要性，應重視與理論和計算地球化學的結合以及盡可能將量子化學成果引入地球化學研究，開辟量子地球化學與亞原子地球化學的新領域。當代美國理論物理學家惠勒曾說過“時空告訴物質如何運動，物質告訴時空如何彎曲”(Space-time tells matter how to move, Matter tells space-time how to curve)，言簡意賅形象地表達了20世紀物理學的運動觀、物質觀和時空觀。面向人類可能成為多行星物種的未來，處于今日彎曲時空中移民火星時代的地球化學該向何處去，是每一個地球化學家應該嚴肅思考的問題，更是從事深地探索的地幔地球化學家應該考慮的問題。歷史的接力棒已傳至新一代地球化學家的手上，我們堅信中國的地球科學家們一定會將21世紀地球科學推向新的高度和深度，為人類做出中華民族應有的貢獻。

致謝作者永志難忘侯德封、李璞、涂光熾和梁樹權四位老先生自學生時代起始的教導和培育；作者衷心感謝在多年的地幔地球化學研究中，劉若新、陳毓蔚、謝先德、歐陽自遠、汪集旸、任紀舜、汪品先、戴橦謨、邱純一、桂訓唐、王惠芬、鄒廣田、閻成德、周新民、葉大年、安芷生、張國偉、許志琴、劉嘉麒、楊文采、莫宣學、金振民、楊樹鋒、王成善、楊經(jīng)綏、周衛(wèi)健、丁仲禮、吳福元、李太楓、藍晶瑩、朱炳泉、陳義賢、陳道公、陳江峰、支霞臣、張燕石、張流、高平、劉益康、胡世玲、邵濟安、沈昆、張旗、劉小漢、劉叢強、鐘孫霖、郭正堂、張宏福、徐義剛、李獻華、趙國春、肖文交、胡瑞忠、樊祺成、毛建仁、許繼峰、許文良、林楊挺、范蔚茗、孫敏、韓蓉、程海、柴育成、周美夫、徐夕生、郭進義、張海珠、劉北玲、鄭建平、周永章、龐忠和、鄭國東、張招崇、張劍波、鐘志華、任勝利、侯泉林、姚玉鵬、陳漢林、何宏平、蔣少涌、劉莉、俞良軍、張銘杰、儲著銀、孫衛(wèi)東、韋剛健、馮新斌、楊進輝、劉勇勝、夏群科、黃方、陳紹海、張國輝、趙平、胡圣標、何麗娟、楊岳衡、鐘宏、張連昌、楊守業(yè)、郭鋒、王岳軍、李齊、李大明、萬景林、尹功明、王非、鄭德文、謝烈文、陳立輝、胡素芳、繆秉魁、湯艷杰、英基豐、劉慶、趙新苗、肖燕、程昊、劉傳周、彭澎、蘇本勛、楊蔚、孫楊的幫助和有益的交流；在專輯組織過程中，翟明國主編、孫勇終審主編，俞良軍常務副主編、張宏福、楊進輝、湯艷杰、趙新苗所付出的努力；在本文準備過程中張宏福、楊岳衡、陳立輝、英基豐、趙新苗、張尉所提出的建設性意見、修改文本、提供相關資料及協(xié)助整理文本。作者感謝Armstrong DL, Parrish RR, Carlson RW, Harrison MT, Stern RJ, Ito E, James DE, Tera F, O’Nions RK, Belshaw, N, Hsu KJ, Jahn BM, Sun SS, Hofmann AW, Goldstein SL, Wilde SA, O’Reilly SY, Griffin WL, 多年友好的國際合作；同時還由衷地感激不同歷史時期家人，陳文寄、周小軍和張麗、謝雯無保留的支持、關心和理解。