现代地球系统科学视野下的中国地幔地球化学*

周新华

地幔地球化学是一门相当年轻的学科，至今也还尚属不惑之年，它是二十世纪地球科学两大革命性进展相结合的直接产物，仅仅六年之后，它又孕育出另一门更年轻的学科——化学地球动力学，并构成了其核心内容(Allègre, 1980, 1982)。四十多年的科学实践证明，这两门学科不仅在包含深海在内地球表层系统和深地系统及多圈层相互作用中起着生力军作用，而且在月球及行星科学，乃至深空探测中同样起着不可替代的作用。中国改革开放的发端恰与这门新兴学科的创立和成长基本同步，于是地幔地球化学就不同于其他传统学科，它在我国有了高起点，发展快的大环境，华北克拉通破坏重大研究计划的众多产出及嫦娥5号月壤样品的最新成果就生动地说明了我国在这一领域从跟跑到并跑，再到局部领跑的发展历史。

1 二十世纪地球科学重大进展与地幔地球化学的诞生

地幔地球化学是地球化学学科领域中最年轻的分支学科之一，同时也是处于固体地球科学最前沿的分支学科。它是在二十世纪七十年代中期才形成的一门探讨地球深部化学结构、组成、动力学过程和地球内部圈层相互作用及其浅部响应的交叉学科。无疑，它与地球物理学、岩石学(特别是实验岩石学)、大地构造学以及地球化学各分支学科都有着紧密的关系。

地幔地球化学的形成发展与二十世纪地球科学两大革命性事件，即板块构造学说问世和阿波罗登月工程的实施密不可分。前者将地球科学家的视野拓展到全球构造及地球系统科学的层次，而后者则将地球与行星科学作为一个整体来考虑，即形成现代地球系统科学的概念，并将以月球科学、天体化学及分析地球化学为主的高新技术全面引进了地球科学。显然二者的结合，从理论和实验技术两个层面上，提供了一条人类独立地认识地球深部及地球系统的新途径，从而对传统上地球深部的研究途径，诸如地球物理测深、造山带构造抬升壳幔剖面、实验岩石学模拟以及地幔岩石学提出了新的制约。现今它的研究领域及影响所及，早已远超出深部的范畴，而进入了整个地球系统科学及多层圈相互作用等一系列前沿理论和应用领域。

二十世纪六、七十年代，因元素分配理论的完善和实验岩石学的进展，玄武岩部分熔融成因理论得以建立并获得学术界公认。另一方面，在板块构造学说问世基础上，地球科学家必须要探明地球深部，特别是地幔对流现象，以检验板块运动的驱动力机制。自二十世纪六十年代开始，国际地学界开始实施了一系列全球规模的合作计划。如国际上地幔计划(1961～1970)、地球动力学计划(1971～1980)和国际岩石圈计划(ILP, 1981～2000)及大陆动力学计划等。这无疑大大推进了对地球深部的研究，为地幔地球化学学科的诞生提供了更为坚实的学术支撑及需求。

与此同时，在美国阿波罗登月工程的推动下，以月海玄武岩和月壤为主要对象的月球样品地球化学及同位素年代学研究得到了极大的发展，它不仅大大深化了以月海玄武岩及高地斜长岩成因为代表的月球科学研究，而且使当时的一系列高新技术得以在地球与行星科学领域获得推广应用。如高灵敏度、高精度、多接收器计算机程控同位素质谱计，超高真空惰性气体质谱计，超低本底净化实验室技术，离子探针微区原位分析技术，高温高压成岩模拟实验以及相应的遥感图像识别与分析技术等，从而为地幔地球化学学科的建立提供了强有力的技术支撑。

在当年最先进的Sm-Nd同位素年代学技术进步和雄厚的月球玄武岩地球化学研究基础上，美国高校的两个顶尖研究集体(加州理工学院(Caltech)与哥伦比亚大学(Lamont))在一九七六年至一九七七年的冬春之交短短两个月的时间内，几乎同时独立地完成了对大洋玄武岩体系Sr-Nd同位素的研究(图1)，先后在国际一流期刊上发表了两篇关于大洋与大陆玄武岩Sr-Nd同位素体系的论文(DePaolo and Wasserburg, 1976; O’Nionsetal., 1977)，发现并证实了二者的相关性，从而奠定了地幔地球化学学科最基本的理论基础。正是这两篇后来被视为里程碑的论文，标志着地幔地球化学学科的形成和一个全新研究领域的诞生。自此之后，环绕这一领域工作的论文如雨后春笋般地涌现，世界一流的大学、研究所相关专业无不投入全力参与这场竞争。国际地球和行星科学界形成了一股继阿波罗探月计划之后的研究热潮, 而中国几乎在同期开始了地幔岩石学及地幔地球化学的研究，并在28年后开启了以嫦娥命名的探月计划，参与了全球新一轮月球探测竞争(图1、图2)。

图1 1981年作者在美国Carnegie研究所分析首批中国玄武岩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

图2 中国探月计划执行期间与香港大学学者商讨合作事宜(左起：赵国春、周新华、欧阳自远、孙敏)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，当人类面临第四次工业革命前夜以及种种极其严峻的生存挑战之际，地幔地球化学仍然以其充满活力的姿态，在现代地球系统科学、未来地球、宜居地球、多层圈相互作用、深空-深海-深地探索、资源能源预测等前沿领域发挥着生力军的作用。它并吸引着愈来愈多的地球科学家及相邻学科的科学家参与进来，形成了一系列更新的交叉学科及领域、改变了一些传统学科的面貌；并有可能在二十一世纪孕育新的全球构造理论方面起到重要的作用。这一历史及现实的回顾，无疑将促使我们重新审视、学习和评价地幔地球化学的发展。四十多年前，笔者有幸随着国门的打开，踏进了西方大学的校园，经历并参与了地幔地球化学最初的研究浪潮；其后，又身不由己地在此领域内工作至今。在这不算短的时间里，我国的地幔地球化学及岩石圈深部研究已取得了长足的进步，但更多的是面临着新的挑战和需求。这就促使我们产生一种不懈的责任感，即应该为加速发展中国的地幔地球化学及岩石圈深部研究而不断地努力。

2 大陆岩石圈研究与中国地幔地球化学学科的形成

随着国际上地幔计划的实施，特别是在20世纪60年代末，对诸如金伯利岩、钾镁煌斑岩、碱性玄武岩、超镁铁质熔岩及其火山碎屑岩中的超镁铁岩捕虏体等天然样品的研究已被列入国际上地幔合作研究计划，它们能够提供地幔深部组成的直接信息，并形成了一门新兴学科——地幔岩石学。我国地学界迅即在二十世纪七十年代中后期起，相继开展了青藏高原、东南岩石圈等地区的综合调查与研究。在上述国家级大项目的支撑下，尤对整个东部地区(东北、华北、华东及东南沿海)幔源岩类的普查式研究，并在继后的八十年代形成我国地质科学的一个研究热点，除了众多的研究论文(代表性论文如从柏林等, 1979; 邓晋福等, 1980, 1988)；还出版了两本代表性专著(鄂莫岚和赵大升, 1987; 池际尚, 1988)。在此基础上，同时也在整个二十世纪七十年代国际地球动力学计划及继后八、九十年代的国际岩石圈计划持续推动下，笔者及其国内同事们，主要通过国际合作方式发表了一批中国大陆东部新生代玄武岩类同位素地球化学的研究论文，全面揭示了中国东部陆下岩石圈地幔的地球化学特征，也标志着中国地幔地球化学研究的发端(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)，引起了国际学术界的广泛关注。与此同时国内刊物亦发表了众多成果(从柏林, 1979; 从柏林等, 1979; 邓晋福等, 1980, 1988; 周新民等, 1980; 路凤香等, 1981; 从柏林和张儒瑗, 1982, 1983; 鄂莫岚等, 1982; 胡世玲等, 1983; 樊祺诚, 1984; 陈道公和彭子成, 1985, 1988; 陈文寄等, 1985, 1986; 李献华, 1985; 陈毓蔚等, 1986; 周新华, 1987; 刘北玲等, 1988; 王俊文等, 1988; 曹荣龙, 1989; 解广轰等, 1988; 朱炳泉和王慧芬, 1989; 朱炳泉等, 1991)等和三本论文集及专著(中国矿物岩石地球化学学会地幔矿物岩石地球化学专业委员会，1990；刘若新，1992；邓晋福等，1996)。

上述研究通过广泛涵盖了中国大陆东部的新生代玄武岩及其幔源捕虏体样品，首次表明中国大陆东部现今的陆下岩石圈地幔已非典型的古老大陆克拉通型地幔，总体而言具有非典型的大洋型地幔，即具大洋型的地球化学亏损特征(Oceanic affinity)。这一发现具有重要科学意义和认识论价值，它是应用同位素地球化学，在地幔深度层面上，深化了前辈地质学家对华北地区中生代地质演化史活化背景的创新性认识(Wong, 1927, 1929; 陈国达, 1956, 1959, 1992, 1993; 周新华, 2006; 周新华等, 2009)，并为继后形成我国地球科学热点的华北岩石圈减薄或华北克拉通破坏研究奠定了基本观测事实和地幔地球化学理论基础。进一步工作表明，已有幔源样品的Sr-Nd-Pb三元同位素数据可以用DM-PM-EMⅠ或DM+PM-EMⅡ的三元混合模式解释，从而揭示了上述幔源组分在中国大陆地幔成因中的重要作用(李献华, 1985; Li and Liu, 1986; Zhouetal., 1988; 周新华和朱炳泉, 1992)。我国全域范围地幔地球化学填图(Geochemical Mapping)表明，地幔源区的地球化学特征呈南-北向规律变化，即从华南的亏损地幔，经扬子克拉通的似原始地幔到华北逐渐向富集地幔过渡，东北地区则以富集地幔为主，而且明显受地表块体构造属性所控制，被称之为地幔源区特征的块体效应，它深刻反映了深部动力学过程对浅部岩石圈及地壳层次的影响。填图工作还表明EMI型地幔组分在东北某些高K火山岩及东部地区古近纪玄武岩的源区中起着主导作用，而重循环地幔组分在一些板块边界有显著影响(Zhouetal., 1988; 周新华和朱炳泉, 1992)。后期的深入工作则表明以东北小古里河白榴岩源区为代表的I型富集地幔组分，不仅构成了中国大陆地幔的一个端元组分，而且有可能作为全球大陆EMI组分的代表性样品(Sunetal., 2014, 2015)，显示了比大洋地幔EMⅠ端元Sr、Nd同位素更为富集，而Pb同位素以及U/Pb比值却更为亏损的特征，并因此建议命名为LOMU端元，以对应已有的HIMU端元和LoNd端元(Zindler and Hart, 1986; Hart, 1988; 刘北玲等, 1988; Zhou and Zhang, 1994)。

3 大陆动力学研究：从大陆深俯冲到克拉通破坏

在二十世纪八、九十年代连续两个岩石圈国际合作计划的推动下，我国开展了规模空前的跨学科大陆岩石圈综合研究。除青藏高原综合考察外、重点开展东南岩石圈组成、结构和演化项目研究，也促进了上节所综述的相关幔源岩类的地幔地球化学研究。

早在世纪之交美国政府三个相关部门(美国国家基金会NSF、美国地质调查所USGS、美国能源部DOE)就联合制定了《美国大陆动力学研究国家计划(1990-2020)》，提出了大陆动力学这一重要命题；之后又以美国国家科学基金会名义发表了《构造地质学和大地构造学的新航程》以及美国国家科学基金会与美国地质学会联合准备的大地构造学未来方向框架《21世纪的大地构造：一个宜居行星的动力学》文件，进而在地学界明确提出了宜居行星，或宜居地球的概念。这实际上是呼应及延伸了早已存在的比较行星学中“宜居行星”与“宜居行星带”的概念。基于张国伟院士团队的努力，上述报告广为传播，大陆动力学遂成为我国大陆岩石圈研究的重要方向和前沿领域。在中国科学院、国家自然科学基金委员会和科学技术部的支持下，先后开展了相关领域的一系列重大研究项目。

(1)苏鲁-大别超高压变质带-大陆深俯冲研究 以从柏林先生团队为代表的中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室承担首批“973”项目(国家重点基础研究发展计划)，在20世纪80年代开展的幔源岩类工作基础上，随着苏鲁-大别地区多处柯石英及金刚石等超高压矿物的相继发现，意识到苏鲁-大别的超高压变质带实质上是扬子板块与华北板块之间俯冲碰撞的产物，于是提出了大陆可能被俯冲至200～300km又折返的机制，故产生了大陆深俯冲的命题。由此产生两大关键科学问题：大陆深俯冲的地球动力学机制及其对大陆岩石圈演化格局的影响。笔者所在张宏福院士团队则从空间上的周边效应及时间上的后效作用出发，以深部动力学的岩石圈记录为主要研究途径，探讨了大陆深俯冲作用发生后所造成岩石圈动力学边界条件改变所导致的一系列深部物质运动过程、机制和后效。工作确证了大别北缘-华北南缘中生代岩石圈地幔源区的地球化学富集特征以及南北向变化趋势，结合华北陆内及北缘中生代岩石圈地幔特征的对比研究，从大陆深俯冲角度，提出了华北中生代岩石圈地幔化学区划。发现并确证了大陆深俯冲作用中俯冲板片部分熔融成因的富钛、富硅及富碳酸盐熔体交代华北岩石圈地幔的富集机制，用于解释中生代火成岩体系地球化学特征的变化；地球化学各特征指示岩石圈地幔源区已受具特定地球化学特征的富集组分的交代改造，地球化学参数南北向变化趋势，指示这一富集源区来自经深俯冲扬子板片中下地壳熔融形成的熔体交代改造的岩石圈地幔(Zhang and Sun, 2002; Zhangetal., 2002; Fanetal., 2004; Guoetal., 2004; Yingetal., 2004; 周新华等, 2005)。

(2)中国东部大陆地幔不均一性研究 同期在国家自然科学重点基金项目支持下所开展的中国东部地幔不均一性与岩石圈演化典型地区研究，聚焦于华北克拉通减薄作用深入研究，厘定了减薄作用是以环渤海为中心地区，以晚中生代白垩纪为峰值时段；确证了强烈壳幔相互作用的幕式特征和玄武质底垫作用重要形式及其与重大地质构造事件的耦合性；跨块体的同位素填图揭示了地球化学源区的块体特征，深化了华北古生代岩石圈地幔强烈交代特性的研究。上述工作提出中生代全球事件的深部动力学过程对中国东部岩石圈演化的影响及其与华北周边重大构造过程可能的成因关系(周新华等, 1998; Fanetal., 2000; 郑建平等, 2000; Chenetal., 2001; Xu, 2001, 2002; Zhangetal., 2001; Zhengetal., 1998, 2001; Zhouetal., 2002; Wildeetal., 2003)。

无疑上述两项工作为21世纪华北克拉通破坏重大研究计划的展开作了前期的基础准备。

图3 华北克拉通破坏项目组部分成员参加2015年矿物岩石地球化学学会学术年会(长春)Fig.3 Members of North China Craton Program attended the annual meeting of Chinese Society for Mineralogy, Petrology and Geochemistry, Changchun 2015

图4 华北克拉通破坏项目组部分成员参加2016年国际Goldschmidt大会Fig.4 Members of North China Craton Program attended the Goldschmidt Conference, Yokohama 2016

(3)华北克拉通破坏研究 21世纪以来华北克拉通破坏研究显然在我国大陆动力学研究方面占据了重要地位。这是因为自二十世纪八十年代初期以来，中国学者多学科大量观测事实和研究工作的积累，以及众多国际同行的参与，已充分揭示了自三叠纪中国东部大陆拼合以来，遭受了剧烈的深至岩石圈地幔层次的改造。可以说以华北克拉通为代表的中国东部提供了一个研究大陆岩石圈演化的最佳实验室及克拉通破坏难得的实例。人们的认识从岩石圈减薄，逐渐深化到整个岩石圈性质的全面变化，乃至岩石圈转型，以及克拉通稳定性质的整体丧失，从而形成了克拉通破坏的概念。2007年起国家自然科学基金委以有史以来地学领域最大的资助力度，设立了重大研究计划《华北克拉通破坏》，展开了全面而系统的研究工作(代表性论文如高山等, 2009; 徐义刚等, 2009; 张宏福, 2009; 郑建平, 2009; 朱日祥和郑天愉, 2009; 朱日祥等, 2011, 2012, 2020)。应该说，该计划在所设定的五个科学问题上均取得了不同程度的显著进展，特别在克拉通破坏的四维时空尺度刻画上，通过多学科结合尤为深入；在克拉通破坏微观方式方面，综合集成了目前熔体交代等不同学术观点的成果，而在地球动力学机制上则强调了“主要受控于太平洋板块的西向俯冲”(朱日祥等, 2012)，并进而指出“如果没有古太平洋板块俯冲带回撤，俯冲板片回转与在地幔过渡带滞留，就不会产生东亚古大地幔楔；而没有东亚古大地幔楔的形成，也不会导致华北克拉通破坏，以及燕辽、热河生物群的繁盛与消亡”(朱日祥等, 2020)。我国众多的优秀中青年地球科学家们，经多年的努力，在作为地球科学前沿的地球动力学领域里，做出了系统的原创性贡献。上述成果在国内及国际的学术会议上发表及报告，受到了国内外同行广泛而高度的关注(图3、图4)。

4 现代地球系统科学与中国地幔地球化学发展

4.1 地球系统科学含义的演变和回归

20世纪80年代开始的全球变化研究，将人类生存环境的问题拓展为整个地球系统的研究，即将地球表层看成为整体，从而产生了地球系统科学的新领域。如1983年美国国家宇航局(NASA)成立了地球系统科学委员会，1988年发布了“地球系统科学”报告，之后美国将地球系统科学列入高等院校教学计划(汪品先, 2018)。从这段历史回溯，地球系统科学这一新的提法主要是基于人类生存环境研究的需求，因而有时被理解为表生地球为主的研究而误用(汪品先, 2014)。进入21世纪之后随着深空、深地、深海目标的提出，以新一轮探月为代表的深空探测热潮的兴起，以及以核幔边界大低剪切波省(LLVSP)为代表的深部地球核幔过程研究的新进展，人们越来越深地体会到地表、地壳以及深海的活动实质上都受控于地球深部的过程，而人类地球生存环境的恶化更推动了向深空拓展的需求，就借助于比较行星学“宜居行星”概念，推及至宜居地球。从而使得现代地球系统科学真正回归到它的本质含义，即涵盖了深空、深海、深地，从外层空间直至地核的多圈层相互作用及其动力学机制的全方位全过程地球科学。毫无疑问，地幔地球化学在现代地球系统科学中将依旧起着生力军的作用。

如前所述，作为20世纪板块构造与以阿波罗计划为代表的深空探测结合产物的地幔地球化学，自问世以来就在地球科学一系列领域中发挥着重要作用，特别是在壳幔相互作用为主的多圈层相互作用研究中起着不可替代的功能，并进而构成了化学地球动力学的核心内容。月球样品及各类陨石的主要组成就是由玄武岩、橄榄岩成分为主的幔源物质。至今嫦娥五号为代表探月及深空探测的成果已充分说明以地幔地球化学为核心内容的化学地球动力学研究思路及技术方法的关键作用(Huetal., 2021; Lietal., 2021; Tianetal., 2021)，至于深地及深海探测领域则历来就是地幔地球化学的主战场。而地幔地球化学学科本身也必将在现代地球系统科学进程的一系列新挑战中，得到进一步的发展，从而上升到一个新的水平。

4.2 我国地幔地球化学研究的新进展

我国在“十三五”国家科技创新规划中，就明确提出了要加强“深空”、“深海”、“深地”领域的战略部署，21世纪以来我国地幔深部研究从大陆到大洋、从深度到广度全面进军，从追赶到并跑，甚至局部超越，取得了前所未见的巨大进步。从大陆岩石圈到大洋岩石圈、从克拉通橄榄岩到造山带橄榄岩、从地幔中熔/流体到地幔中水及氢氧存在形式的转化、从大陆玄武岩到大洋玄武岩、从基性-超基性杂岩体到火成碳酸岩、从大数据到非传统稳定同位素新应用成果迭出，给人耳目一新之感。其中突出的除华北克拉通破坏研究外，还有如赤城新太古代蛇绿岩的发现；我国幔源型造山带橄榄岩普遍存在熔岩反应；西南印度洋深海橄榄岩与其上的洋壳存在解耦现象；大陆尺度的岩石圈地幔和软流圈的水含量时空分布及其对重大地质过程的影响；实例论证辉石岩、角闪石岩、碳酸盐化橄榄岩作为中国东部新生代玄武岩源区母岩；揭示地幔碳酸盐化及其在深部碳循环中的影响；东亚大地幔楔与玄武岩成因关系；利用MORB约束东太平洋及南海洋脊下部地幔组成不均一性等(张宏福和陈立辉, 2021)。

非传统稳定同位素开发应用 这是进展最为突出，成果最为显著的应用领域，同时也是推广普及最为迅速的方法技术，如果以前是作为高精尖的新技术新方法被提及，而如今则已是各种研究项目分析方法的标配。非传统稳定同位素分析是二十世纪末到二十一世纪初才兴起的技术，这主要得益于多接受电感耦合等离子体质谱高温电离及高分辨质谱技术的突破和推广。迄今获得地学应用的25个非传统稳定同位素中大部分，都已应用于大陆与大洋岩石圈演化、大陆和大洋玄武岩、地幔物质再循环、基性-超基性侵入体等地幔岩石地球化学研究的各个领域，甚至在某些方面因后发优势的高起点，领跑了国际非传统稳定同位素地球化学的发展方向。比较突出的如用Li、Mg、Ca、Fe和Zn同位素示踪熔体-岩石相互作用与深部碳循环等方面，提供了对大陆玄武岩源区组成的新制约以及对深部碳循环途径认识的深化；特别是确立了联合Mg-Zn-Ca同位素潜在的示踪地表碳酸盐深部再循环地球化学指标，进而揭示了中国东部是一个巨大的再循环碳库，说明富钙碳酸盐岩的深部俯冲再循环。在地幔各种同位素储库的标定上建立了硅酸盐地球(BSE)的Ca、Cr、Cu、Ba同位素组成基准值等(张宏福和陈立辉, 2021)。

无疑今后在有关深空、深海及深地以及宜居地球及地外样品研究中，非传统稳定同位素仍具有巨大的应用潜力，利用其非质量分馏、金属键合环境、挥发-耐温元素蒸发/凝聚、还原性敏感元素、生物活性和营养元素等特性，用以制约低温-高温的地质、行星演化及生物过程，示踪地球及行星形成及分异中的重大事件和过程，包括成矿过程均有很大的发展空间。

原位微区同位素分析技术进展 鉴于幔源样品的稀缺性以及样品本身几何尺度的局限性及目标元素含量之低微，加之相应目标同位素变化范围的微区性，原位微区分析技术对于地幔地球化学研究的重要性是不言而喻的。近年来，随着微束分析技术的飞速发展，激光探针(LP)、多接受电感耦合等离子体质谱(MC-ICPMS)及二次离子质谱(SIMS)技术，乃至原子探针技术(ATP)日益成为地幔地球化学样品分析的关键手段。目前一些主要的同位素体系，如U-Th-Pb、Rb-Sr、Sm-Nd、Lu-Hf可开展原位微区分析的目标矿物均已达十余种，甚至二十余种(U-Th-Pb体系)。特别具重要意义的是Zr、Ti、Si、Fe、Cu、Li等非传统稳定同位素也已进入原位微区分析领域，更多的非传统稳定同位素，如Mg、Zn、Ca等的原位微区分析技术也正在开发中。而具广泛应用价值的副矿物，如锆石、斜锆石既可进行U-Th-Pb、Lu-Hf等同位素体系分析，亦可进行O、Zr、Si等传统及非传统稳定同位素原位微区分析。这一领域未来的发展空间完全可期，也将对地幔地球化学研究产生巨大促进作用(Yangetal., 2019)。

深地幔超高压矿物学新进展 近10年来毛河光先生的团队在超高压矿物研究领域取得了突破性及系统性的成果，有可能改变地球深部研究的面貌，甚至亦会影响整个地球系统科学的进程。该团队相继发现下地幔深部所对应的温度、压力条件下含铁钙钛矿会分解为两个相，即无铁的钙钛矿和六方结构的富铁相，以及下地幔稳定存在超富水斯石英，实验中斯石英的含水量至少可达4%～10%(Zhangetal., 2014; Linetal., 2020)。对常见矿物磁铁矿Fe3O4、赤铁矿Fe2O3、针铁矿FeOOH以及地幔矿物铁方镁石(Mg, Fe)O的高温高压实验研究表明在深下地幔温度压力环境，FeOOH通过部分脱氢作用或铁镁氧化物与俯冲含水物质发生新型高压化学反应，形成含氢(Fe, Mg)O2相，其结构与地表常见矿物黄铁矿(FeS2)相同。研究表明在75GPa条件下(1800km之下)可以存在含有相当量水的矿物进入核幔边界，含Fe硅酸盐矿物分解形成富Fe矿物；生成含Fe的氢化过氧化物，并释放出氢气。模拟实验同时表明，含氢(Fe, Mg)O2相可稳定存在于下地幔底部极端温压环境，具有较高的结构稳定性，长期可能产生几千米至数十千米厚度的含过氧化物相区域，有助于核幔边界超低速区的形成。富氧物质聚集在核幔边界，堆积过多，分化成铁进入地核，氧被积压；氧积压过多发生突变氧爆发，富氧物质上升，启动化学对流并改变热对流，开启板块运动；当富氧物质接近地表，降低熔点造成地壳岩浆分化。上述过程可导致一系列地球地表突发事件，如大氧化事件、“雪球”地球、生物大灭绝、条带状含铁建造(BIF)、溢流玄武岩与大火成岩省、超级地幔柱、超大陆裂解等。上述分析说明深地引擎是调控地球时空变化的最主要导因，上述理论可以说明常规板块运动及突变，以及先板块运动时期的主要事件，毛河光先生将此称之为“四维地球系统”(Maoetal., 2017; Mao and Mao, 2020)。

当然毛河光先生的模型仅仅是初始阶段的理论设想，正如他本人所说：“还有极大量细致工作有待开展”，但是这一模型基于的一系列超高压高温实验研究结果完全是突破性的及颠覆性的，说明组成超高压矿物的离子行为完全可以与经典理论相左，从而对深部地幔地球化学结构的认识及其动力学后效产生重大影响。同时它从另一个独立的侧面，印证了本文前面提及基于地球物理资料的大低剪切省(LLVSP)的存在及在其边缘产生超级地幔柱的地球化学机制。

5 展望——从地球化学学科百年说起

如果将广为引用的1924年Clarke and Washington发表《The data of geochemistry》第五版以及同年苏联地球化学家维尔纳斯基《地球化学概论》第一版(法文)的问世作为现代地球化学形成的标志，那么地球化学学科很快将迎来它的百年。一个世纪以来，不少地球化学家提出了不下数十种地球化学学科的定义，从“通过地壳中矿物、岩石样品的分析测试，来讨论元素的分布状况和分布规律”(Clarke and Washington, 1924)，到20世纪我国地球化学领军人物涂光炽先生在他组织撰写的《地球化学》一书中给出的定义“地球化学是研究地球(包括部分天体)的化学组成、化学作用和化学演化的科学”(涂光炽, 1984)，反映了从强调化学元素-原子到地球整体的化学组成及演化的趋势。笔者在多年的科研及教学生涯中体会到需要有更具学科特色的严格定义，尝试提出了“地球化学是从物质结构的微观层次来表征、示踪和探讨地球和行星体系‘生’、‘运’、‘聚’、‘定’的机制及其转化的规律，并将之应用于认识整个地球-行星体系和促进人类社会的可持续发展”； 并同时强调“作为地球科学，特别是现代地球系统科学不可替代的组成部分，地球化学在上述领域中，发挥着不可或缺的生力军作用”(周新华, 2011(1)周新华. 2011. 中国科学院研究生院《现代地球化学》课件)。在地球化学学科面向第二个百年的起点并已踏上向深空、深海、深地进军的征途上，展望我国地幔地球化学，重温这一定义，无疑将使我们的目光投向微观与理论这两个方向上。

在近年的一次学术报告中，毛河光先生语重心长地道出“对深地的了解，落后深海、深空一百年”的警语！他进而又指出“将高压矿物学的最新进展与数十年来地球物理学、地质学、地幔岩石学、地幔地球化学联系起来，或许可称之为深地地球科学，它可为整体地球演化提供一幅全新的图景——四维地球系统”(毛和光, 2021(2)毛和光.2021.中国科学院地质与地球物理研究所2021年学术年会报告)，这既是对我们从事地幔地球化学研究同行们的告诫，更是激励和期待！

目前虽然地球化学的实验工具已达纳米范畴，并正向原子级进军(原子探针ATP及原子隧道显微镜)，但距科学问题的要求及理论认识无疑尚有很大差距。21世纪以来，基本粒子物理学及量子科学正以突飞猛进的姿态发展，突破种种传统观念的束缚，地球科学家何以能作壁上观?在二十世纪六十年代，从未留学并年过六旬的侯德封老先生尚且曾向亚原子层次地球化学作过冲击，虽以试错告终，但其经验教训为后人铺了路(侯德封, 1961; 侯德封和欧阳自远, 1961, 1962; 侯德封和杨敏之, 1961; 侯德封和王中刚, 1961; 胡受奚, 1962; 戴问天, 1962)。之后人们逐渐认识到“应从地球演化历史及能量角度来分析及评估核转变在地球演化中作用”的重要观点(侯德封等, 1963)，据此又撰写及出版了《核转变能与地球物质演化》一书(侯德封等, 1974)。这一历史回顾告诉我们，科学发展与人类的认识都是无止境的，而地球演化能量的中微子研究已为我们树立了一个现实的成功实例，非传统稳定同位素应用深入发展的要求，进一步提示了同位素基础理论研究的重要性，应重视与理论和计算地球化学的结合以及尽可能将量子化学成果引入地球化学研究，开辟量子地球化学与亚原子地球化学的新领域。当代美国理论物理学家惠勒曾说过“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲”(Space-time tells matter how to move, Matter tells space-time how to curve)，言简意赅形象地表达了20世纪物理学的运动观、物质观和时空观。面向人类可能成为多行星物种的未来，处于今日弯曲时空中移民火星时代的地球化学该向何处去，是每一个地球化学家应该严肃思考的问题，更是从事深地探索的地幔地球化学家应该考虑的问题。历史的接力棒已传至新一代地球化学家的手上，我们坚信中国的地球科学家们一定会将21世纪地球科学推向新的高度和深度，为人类做出中华民族应有的贡献。

致谢作者永志难忘侯德封、李璞、涂光炽和梁树权四位老先生自学生时代起始的教导和培育；作者衷心感谢在多年的地幔地球化学研究中，刘若新、陈毓蔚、谢先德、欧阳自远、汪集旸、任纪舜、汪品先、戴橦谟、邱纯一、桂训唐、王惠芬、邹广田、阎成德、周新民、叶大年、安芷生、张国伟、许志琴、刘嘉麒、杨文采、莫宣学、金振民、杨树锋、王成善、杨经绥、周卫健、丁仲礼、吴福元、李太枫、蓝晶莹、朱炳泉、陈义贤、陈道公、陈江峰、支霞臣、张燕石、张流、高平、刘益康、胡世玲、邵济安、沈昆、张旗、刘小汉、刘丛强、钟孙霖、郭正堂、张宏福、徐义刚、李献华、赵国春、肖文交、胡瑞忠、樊祺成、毛建仁、许继峰、许文良、林杨挺、范蔚茗、孙敏、韩蓉、程海、柴育成、周美夫、徐夕生、郭进义、张海珠、刘北玲、郑建平、周永章、庞忠和、郑国东、张招崇、张剑波、钟志华、任胜利、侯泉林、姚玉鹏、陈汉林、何宏平、蒋少涌、刘莉、俞良军、张铭杰、储著银、孙卫东、韦刚健、冯新斌、杨进辉、刘勇胜、夏群科、黄方、陈绍海、张国辉、赵平、胡圣标、何丽娟、杨岳衡、钟宏、张连昌、杨守业、郭锋、王岳军、李齐、李大明、万景林、尹功明、王非、郑德文、谢烈文、陈立辉、胡素芳、缪秉魁、汤艳杰、英基丰、刘庆、赵新苗、肖燕、程昊、刘传周、彭澎、苏本勋、杨蔚、孙杨的帮助和有益的交流；在专辑组织过程中，翟明国主编、孙勇终审主编，俞良军常务副主编、张宏福、杨进辉、汤艳杰、赵新苗所付出的努力；在本文准备过程中张宏福、杨岳衡、陈立辉、英基丰、赵新苗、张尉所提出的建设性意见、修改文本、提供相关资料及协助整理文本。作者感谢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, 多年友好的国际合作；同时还由衷地感激不同历史时期家人，陈文寄、周小军和张丽、谢雯无保留的支持、关心和理解。