前言

张宏福 杨进辉 汤艳杰 赵新苗

1. 浙江大学地球科学学院，杭州 310058 2. 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，北京 100029

我国著名的地球化学家, 周新华先生不仅在同位素地质年代学、同位素地球化学、地幔地球化学研究等方面具有很深的造诣，而且长期致力于地球化学分析平台建设，为我国地幔地球化学学科发展和岩石圈演化研究作出了突出贡献。周新华先生学识渊博、治学严谨、淡泊名利、提携后学，永远是每一位后辈学习的榜样。值此先生八十华诞暨从事地质工作六十周年之际，特出版本专辑以表达对先生的敬仰之情和深深的祝福。该专辑内容涉及地幔地球化学与岩石圈演化研究诸多方面，一定程度上反映了先生过去六十多年的研究兴趣，并体现了当前地幔地球化学学科前沿和突破性进展。专辑共收录了37篇学术论文，鉴于期刊篇幅分为两期发表，本期专辑内容简介如下。

1 地幔地球化学与演化

基于现代地球系统科学视野，周新华(2022)回顾了二十世纪国际地幔地球化学学科的形成历史，追溯了中国地幔地球化学发端与发展的历程，概括了在国际岩石圈计划及大陆动力学等计划推进下，以中国大陆岩石圈组成与演化特征研究为重点，先后开展东部新生代玄武岩及幔源捕虏体研究，在中国东部玄武岩源区地球化学特征、地幔端元厘定、地幔地球化学填图与块体特征、大陆深俯冲导致的壳幔相互作用及华北克拉通破坏等方面所取得的丰硕成果。着重总结了近20年来幔源岩类研究的巨大进展，尤其是在非传统稳定同位素、微区原位分析领域和超深地幔超高压矿物研究等领域所取得的突破性进展。强调现代地球系统科学应涵盖深空、深海、深地，从外层空间至地核的多圈层作用及其动力学机制的全方位全过程研究，其中，包含核幔相互作用的深部地幔过程起主导作用，地幔地球化学在现代地球系统科学中仍将作为生力军而不可或缺，指出今后应重视拓展微观粒子尺度探索及地球化学基础理论研究的重要性。这篇高屋建瓴、内容丰富的综述性文献将承上启下地指导地幔地球化学学科的发展和未来的研究方向。

地幔是硅酸盐地球的主要组成部分，也是地球上最大的化学储库，其早期演化可为揭示早期地球增生、核-幔分异、壳-幔分异等重大地质事件提供重要制约。近年来，地球的早期地幔不均一性逐渐被认知，杨进辉和梅清风(2022)在总结早期地幔不均一性的稀有气体同位素、钕同位素和钨同位素等证据基础上，探讨了早期地幔不均一性形成的动力学机制，并指出发展高精度同位素分析技术，结合地球物理和高温高压实验岩石学，揭示核幔边界结构、核幔物质交换规律是深入探索早期地幔不均一的重要发展方向，将有助于探索核幔相互作用的具体过程和机制，提升人类对地球早期地幔演化的认知。

自二十世纪九十年代以来，人们逐步认识到地球内部以矿物晶格缺陷形式蕴含的“水”至少与现今海洋水量相当。地球内部的水不仅显著影响矿物的物理性质，而且对不同构造背景下的地幔熔融产生重要影响。水作为强不相容组分，在地幔熔融时优先进入熔体相，从而改变熔体的结构，影响与残留固相之间的平衡。夏群科等(2022)综述了大洋中脊、岛弧、地幔过渡带、大火成岩省、大陆板内、洋岛等不同背景下水对地幔熔融的影响，强调在等温等压条件下，地幔中水的存在可以显著降低其固相线并增大熔融程度；在绝热减压过程中，水的存在可以加深初始熔融的深度，增大地幔整体熔融的区间，从而降低平均熔融程度。水对于从岩石圈-软流圈边界的低程度熔融、到地幔超大规模熔融形成大火成岩省的形成都具有重要作用。同时，作者还指出了现有研究的不足、未来的挑战和努力的方向。

岩石圈地幔属性主要由熔体抽取和交代作用程度共同决定的，与岩石圈起源、大陆稳定性、宜居环境演变等密切相关。郑建平等(2022)总结前人研究资料发现，全球古老大陆的命运差别很大，有的长期稳定、有的遭受破坏，其控制因素可能包括大陆根地幔形成时熔融条件和后续交代改造过程等。例如，南非克拉通长期处于板块离散背景下，并经历了多期地幔柱活动，岩石圈地幔主体保持难熔属性、局部发生富集；而华北克拉通长期处于板块汇聚背景下，并在显生宙发生强烈岩石圈减薄、改造和地幔置换作用，仅局部有难熔地幔残留。作者指出，亟需对不同命运克拉通之下的岩石圈地幔开展早期熔融条件和交代演化历史的对比研究，寻找控制大陆命运的先天条件和后天因素，从而为大陆起源、宜居星球演化等关键科学问题提供制约。

华北克拉通西部含有捕虏体的火山岩出露较少，限制了人们对该区岩石圈地幔属性与演化特征的认识。张慧婷和张宏福(2022)归纳了华北克拉通西北部晚白垩世-新生代玄武岩中橄榄岩捕虏体的研究成果，发现华北克拉通西北部岩石圈地幔主要由低Mg#的二辉橄榄岩和少量高Mg#的方辉橄榄岩组成，高Mg#橄榄岩是再富集轻微的古老岩石圈地幔残余，低Mg#橄榄岩形成于软流圈来源熔体与高Mg#橄榄岩的反应，代表了地幔再富集作用对古老岩石圈地幔的改造，揭示出该区岩石圈地幔经历了多期地幔交代作用的改造，早期交代事件与古亚洲洋俯冲有关，晚期与软流圈来源的玄武质熔体交代有关。这种广泛的地幔再富集作用促使了华北克拉通古老岩石圈地幔的转变和克拉通破坏。

华北克拉通中部带是形成于古元古代之前的构造碰撞拼合带，刘卉和张宏福(2022)在其北段的赤城地区发现一套主要由角闪斜长片麻岩、退变榴辉岩和蛇纹石化橄榄岩组成的岩石组合，其中后两者以构造团块的形式包裹在片麻岩中。蛇纹石化橄榄岩由纯橄岩、方辉橄榄岩和超镁铁质堆晶岩组成。矿物特征表明方辉橄榄岩和纯橄岩是高程度熔体抽离之后的产物，代表残余的大洋岩石圈地幔，而超镁铁质堆晶岩则是残余地幔之上的岩浆早期堆晶形成。作者指出，角闪斜长片麻岩和退变榴辉岩的原岩分别为大陆火山岩和大洋拉斑质岩石，这套岩石组合属于蛇绿岩。赤城蛇纹石化橄榄岩属于新太古-古元古代蛇绿岩残片，揭示了华北克拉通东部和西部陆块之间曾经存在着大洋岩石圈，也记录了古大洋的消亡和中部造山带的形成，暗示着早期板块构造在新太古代已经开始启动。

洋岛玄武岩(OIB)同位素特征的显著变化表明深部地幔化学组成的高度不均一性，存在EM1、EM2和HIMU等地幔端元。现有OIB的地球化学证据支持EM1、EM2和HIMU源区多存在再循环地壳物质，因此对地幔端元属性的精准约束是探讨壳幔物质循环和地球深部过程的关键。基于近年来OIB的Mg、Fe、Zn等金属稳定同位素和橄榄石斑晶元素地球化学方面的观察，陈立辉等(2022)在重新梳理不同地幔端元成因联系和区别的基础上，把EM1和EM2归类为残余型富集储库(residual-type enriched reservoir)，HIMU归为交代型富集储库(metasomatic-type enriched reservoir)。作者指出，相对于OIB，大陆幔源火山岩的熔融程度普遍很低，更有利于保存富集组分的地球化学信息。洋岛玄武岩主要分布在南半球，大陆火山岩主要分布于北半球，后者可以弥补前者在空间上代表性不足的缺陷。因此，大陆火山岩有潜力成为观察深部地幔储库的新视角。

软流圈是地球上岩浆岩的重要源区，并作为重要的参考体系广泛应用于讨论地球形成演化、壳幔相互作用、地壳生长等一系列重大地质问题。根据大洋玄武岩的研究结果，软流圈地幔被普遍认为具有相对均一的地球化学组成。然而，深海橄榄岩的元素与同位素组成却显示软流圈的成分存在强烈的不均一性，表明软流圈中广泛残存有古老的再循环地幔，其来源既包括再循环的俯冲大洋岩石圈地幔，也包括通过不同方式进入软流圈的古老克拉通地幔。蛇绿岩的研究结果表明这种不均一性存在于不同地质时期的软流圈地幔。刘传周等(2022)通过总结洋中脊玄武岩、深海橄榄岩和蛇绿岩的相关研究，揭示软流圈地幔中不均一性的组成与来源，并讨论了它们对软流圈在洋中脊下方熔融过程的影响，该研究对于地幔地球化学学科发展具有重要意义。

碳在地球表层和内部圈层之间的循环控制了地球的环境与气候变化。海底热液蚀变以及变质作用会使碳酸盐沉淀到玄武质洋壳中，之后在俯冲带经历高压变质作用形成碳酸盐化的榴辉岩。俯冲过程可以将碳酸盐化的榴辉岩带入深部地幔，从而导致地幔在地球化学和岩石学上存在显著的不均一性，并深刻影响着包括部分熔融在内的地幔深部动力学过程。早期对碳酸盐化榴辉岩的实验研究多集中在俯冲带地温梯度下碳酸盐化洋壳榴辉岩的命运，近年来的实验开始研究地幔温压条件下碳酸盐化榴辉岩部分熔融对板内碱性玄武质岩浆源区的潜在影响。徐荣等(2022)简要梳理了碳酸盐化榴辉岩在上地幔温压条件下的部分熔融实验，并结合天然样品的研究实例，认为碳酸盐化榴辉岩熔体不仅可以作为潜在的地幔交代介质，还可能是板内碱性玄武岩源区的重要组分，它们与橄榄岩反应或者与橄榄岩熔融产生的熔体发生混合可以解释板内碱性玄武岩的成分变化。作者指出，未来的工作需要更有效的地球化学指标或利用多指标联合示踪来识别并定量不同类型的再循环壳源组分。

2 下地壳演化与岩浆作用

大陆地壳的形成与演化是固体地球科学研究中的前沿科学问题之一。作为壳幔结合部位，下地壳的性质和演化为揭示壳幔相互作用、大陆地壳形成与再造提供关键信息。英基丰等(2022)对山东莒南玄武质角砾岩中地幔橄榄岩、下地壳麻粒岩和辉石岩等深源捕虏体进行系统的年代学和Hf同位素研究，准确厘定了莒南地区玄武岩的形成年龄为59.04±0.17Ma，发现了3.7～3.8Ga是莒南地区最重要的陆壳生长期，结合国内已报导的辽宁鞍山、冀东等地区，3.7～3.8Ga有可能是华北克拉通东部普遍存在的大陆地壳生长时期。同时，发现该区下地壳经历了3.33Ga、2.52Ga、1.98Ga和0.76Ga多期岩浆活动，提出多阶段陆壳的改造，但新元古代存在一期下地壳生长，莒南地区新生代时期的下地壳是由始太古代新生陆壳经多期壳内物质重循环形成。

地表出露的前寒武纪高级变质岩通常认为可代表下地壳岩石，王景丽和张宏福(2022)对华北南缘鲁山地区太华杂岩的全岩主微量、长石矿物原位Pb同位素及基性麻粒岩的年代学等研究，系统梳理了太华杂岩代表的新太古代-古元古代下地壳物质组成、岩石成因以及多阶段构造-岩浆事件，发现华北南缘大陆地壳主要生长于2.92～2.71Ga和2.53～2.45Ga，并经历了元古代时期两期陆壳再造(2.35～2.30Ga、2.19～2.06Ga)和变质作用(1.96～1.84Ga)，与中部造山带的中、北部相似，明确限定了华北克拉通南缘前寒武纪变质地体的成因、构造背景，提出其构造归属于中部造山带，是较长的俯冲碰撞造山(约1.96～1.86Ga)的结果，为深入理解早期陆壳生长、陆块拼合及克拉通形成提供了重要的科学证据。

岩浆岩是揭示大陆地壳生长与演化和壳幔相互作用的重要研究对象，但岩浆通常在开放体系下演化、固结形成岩石，其过程非常复杂，如何有效示踪岩浆岩的源区性质、原始岩浆成分和岩浆演化过程是当今岩浆岩石学研究的前沿方向。郭锋(2022)通过对岛弧镁铁质堆晶岩的研究，在前人提出的平衡配分方法基础上，建立了基于单斜辉石和角闪石的俯冲带镁铁质堆晶岩的母岩浆恢复方法，并根据样品在原始地幔标准化微量元素蛛网图中的异常变化情况，通过增减相关的副矿物成分予以校正。通过对比计算结果与全岩的实测成分，发现两种方法获得的Th/La、Ba/La和Ba/Nb比值差别不大。该方法广泛应用于中国东北、华南、中亚造山带和云开地区等古俯冲带/造山带镁铁质堆晶岩的母岩浆成分恢复，并验证了Th/La、Ba/La和Ba/Nb比值可以用于示踪古俯冲带地幔楔的改造过程，而Th/Yb比值不能用来示踪俯冲带中沉积物组分。

许瑶和张宏福(2022)对辽西四合屯地区早白垩世义县组玄武岩中单斜辉石进行了系统的矿物学、主微量元素和原位Sr同位素分析，发现单斜辉石主要发育正环带结构，少量为反环带结构，反环带单斜辉石核部主要为透辉石，与华北古老下地壳麻粒岩中单斜辉石的成分相似，可能是来自下地壳麻粒岩的捕虏晶。反环带单斜辉石幔部和正环带单斜辉石核部主要为普通辉石，其成分与玄武岩全岩组成平衡，提出这部分单斜辉石是岩浆成因的斑晶，其温压计算结果(1171～1221℃、0.54～1.08GPa)揭示了义县组玄武岩的岩浆演化主要发生在下地壳浅部(18～36km)。结合微区Sr同位素分析结果，作者提出四合屯义县组玄武岩具有壳幔双重属性，并认为义县组玄武岩是下地壳和岩石圈幔来源的岩浆不同比例混合作用的

花岗岩类岩石是大陆地壳的重要组成部分，其成因研究有助于探索大陆地壳的形成和演化过程。作为花岗岩类岩石中常见的副矿物，磷灰石结晶历史时间长，贯穿整个岩浆演化阶段，且富含F、Cl等挥发分和Sr、REE等微量元素，其化学特征和同位素组成在示踪花岗岩岩浆源区和成岩过程方面有独特的优势。周宝全等(2022)在阅读大量文献和作者近年来研究工作的基础上，系统综述了磷灰石在花岗岩类岩石中产状和内部结构、化学成分特征、微区Sr-Nd-O-Cl-S同位素示踪特点，如何利用这些特征有效示踪岩浆源区性质、岩浆演化过程、岩浆中挥发分组成、岩浆氧化-还原特征与成矿作用，并展望磷灰石矿物学特征与微区元素、多元同位素体系(Sr、Nd、O、Cl、S)联合应用，将是未来利用磷灰石学研究花岗岩类岩石成因的发展趋势。

火成碳酸岩通常认为是来源于地幔的岩石，但是否存在壳源成因的火成碳酸岩一直存在争议。苏本勋等(2022)对近二十年来发现的壳源成因碳酸岩的时空分布、产出特征、岩石矿物学特点、地球化学特征以及成因机制进行了系统总结，提出壳源碳酸岩在空间上均分布于造山带内部，并以克拉通边缘的造山带为主，时代上从元古代到新生代均有发育，不同时代的岩体在地球化学组成上有所差异，成分上多为钙质，微量元素具较弱的轻重稀土分异、显著的Eu、Nb、Ta、Zr和Hf负异常及Pb和Sr正异常，Sr-Nd同位素组成介于球粒陨石和大陆地壳演化线之间，C-O同位素介于原生碳酸岩浆与沉积碳酸盐岩之间。其成因机制包括中酸性侵入体引起碳酸盐岩熔融、基性岩浆高温热流引起碳酸盐岩熔融、强烈区域变质作用造成碳酸盐岩部分熔融和大理岩深熔作用。壳源碳酸岩的研究为探索造山过程、变质作用、地壳深熔作用及碳酸岩成矿多样性提供了重要的窗口。

3 地幔地球化学研究中的新技术、新方法

近二十年来，由于分析技术的进步和同位素分馏机理的不断深入，非传统稳定同位素(例如Li、Mg、Ca、Fe和Ba等)在地幔地球化学与岩石圈演化研究方面取得长足进展。Li同位素是目前应用最广的碱金属同位素体系，在地幔地球化学研究方面具有重要的示踪作用。汤艳杰和英基丰(2022)首先系统的总结了Li同位素的地球化学性质和示踪地幔交代作用的原理，提出地幔捕掳体中共存矿物(橄榄石、单斜辉石和斜方辉石)之间的Li含量和同位素组成变化可作为制约地幔交代作用过程中熔/流体性质和来源的重要依据；其次，全面总结了华北克拉通东部、中部地幔捕掳体中橄榄石和辉石的Li含量和δ7Li值，发现华北岩石圈地幔具有高度不均一的Li含量和Li同位素组成，反映了华北不同地区岩石圈地幔组成和地幔交代作用的复杂性；最后，根据地幔捕掳体中橄榄石和辉石的Li含量和同位素组成的原位分析结果，指出华北克拉通岩石圈地幔至少经历了三个阶段的熔/流体交代改造作用：交代介质的来源分别为高δ7Li值的蚀变洋壳、低δ7Li值的残留俯冲板片和正常δ7Li值的上涌软流圈。该论文对于认识华北克拉通岩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应用均具有重要意义。

Fe、Mg和Ca是地幔的主要组成元素，Fe、Mg和Ca同位素高精度分析方法的研发为大陆岩石圈演化和地幔物质再循环等研究带来了全新的视野和手段。赵新苗等(2022)系统总结了华北不同地区地幔捕虏体Fe、Mg和Ca同位素组成，发现华北岩石圈地幔Fe、Mg和Ca同位素组成的空间差异性；通过对比我国华南及世界其它地区的地幔捕虏体Fe、Mg和Ca同位素组成，提出华北岩石圈地幔Fe、Mg和Ca同位素组成不均一是由熔体改造形成，证实了Fe、Mg和Ca等金属稳定同位素具有研究地幔不均一性、示踪改造地幔的熔体性质和来源的潜力。同时，总结了现今Fe、Mg和Ca同位素在地幔研究中存在的问题，并展望了未来的研究方向。

Ba同位素作为新的地球化学工具，被广泛的应用于壳幔物质循环、地壳演化、流体活动等重要地球科学问题研究中。黄方等(2022)主要回顾了Ba同位素在地幔地球化学领域的研究进展以及存在的问题，首先介绍了Ba同位素分析方法、分馏机理和重要地质储库的组成，重点讨论了幔源岩浆岩的Ba同位素变化，以及岩浆岩和变质岩中的Ba同位素分馏行为及潜在应用，并对当前存在的问题及未来的研究方向进行了展望。

地质年代学现代地球科学研究的核心问题之一，锆石U-Pb法是地质年代学中应用最广泛和最重要的定年方法。储著银等(2022)详实介绍了CA-ID-TIMS单颗粒锆石U-Pb高精度定年方法在国内实验室的实施和重要进展。作者通过配制和准确标定205Pb-233U-236U稀释剂，创新性地采用实时在线氧校正方法，成功地建立205Pb-233U-236U稀释剂ID-TIMS单颗粒锆石U-Pb高精度测定方法，标准锆石U-Pb年龄测试结果与参考值完全一致，精确度(0.045%)达到国内领先水平，推动了中国高精度地层年代学研究的深入发展。

镍、钴和铂族元素(PGE)属战略矿产资源，是我国紧缺的关键金属。它们主要储存在地核和地幔中。中国古生代金伯利岩和中-新生代碱性玄武岩携带了大量地幔捕虏体，是认识大陆岩石圈地幔镍、钴和铂族元素组成与含量的直接样品。包亚文等(2022)系统总结了我国大陆岩石圈地幔不同地区镍、钴和铂族元素的组成、含量及时空变化，以及受控的主要因素，尝试回答相关元素在中国成矿潜力的问题，为国家战略性紧缺矿产寻找和勘查提供了理论基础。

我们衷心感谢论文作者们的辛勤付出；本专辑的出版得到了翟明国院士和吴福元院士的大力支持；感谢编辑部俞良军老师对本专辑筹备和出版所做的大量细致工作。以下专家学者评审了本专辑的论文：柏中杰、陈璟元、陈开运、陈立辉、程昊、陈双双、戴宏坤、戴立群、高剑峰、郭锋、郭鹏远、何永胜、胡森、胡兆初、黄方、黄建、黄小龙、纪伟强、景志成、李洪颜、李惠民、李金祥、李霓、李秋立、李元、刘佳、刘金高、刘鹏、刘小驰、鲁颖淮、孟繁聪、秦礼萍、任胜利、苏本勋、苏玉平、隋建立、汤华云、汤庆艳、陶仁彪、汪在聪、王浩、王孝磊、吴春明、肖燕、肖益林、熊庆、徐荣、徐峥、许成、许文良、杨阳、杨德彬、杨晓志、英基丰、张爱铖、张丁丁、曾罡、曾庆栋、张亮亮、张鹏飞、郑建平、钟玉婷、宗克清。在此向他们表示诚挚的谢意！

附中文参考文献

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储著银，许俊杰，凌潇潇，张普，程海，郭敬辉，周新华. 2022.实时在线氧校正205Pb-233U-236U稀释剂单颗粒锆石ID-TIMS U-Pb高精度年龄测定方法. 岩石学报, 38(12): 3695-3702

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