周新華
地幔地球化學(xué)是一門相當(dāng)年輕的學(xué)科,至今也還尚屬不惑之年,它是二十世紀(jì)地球科學(xué)兩大革命性進(jìn)展相結(jié)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(xué)科——化學(xué)地球動(dòng)力學(xué),并構(gòu)成了其核心內(nèi)容(Allègre, 1980, 1982)。四十多年的科學(xué)實(shí)踐證明,這兩門學(xué)科不僅在包含深海在內(nèi)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(xué),乃至深空探測(cè)中同樣起著不可替代的作用。中國(guó)改革開放的發(fā)端恰與這門新興學(xué)科的創(chuàng)立和成長(zhǎng)基本同步,于是地幔地球化學(xué)就不同于其他傳統(tǒng)學(xué)科,它在我國(guó)有了高起點(diǎn),發(fā)展快的大環(huán)境,華北克拉通破壞重大研究計(jì)劃的眾多產(chǎn)出及嫦娥5號(hào)月壤樣品的最新成果就生動(dòng)地說(shuō)明了我國(guó)在這一領(lǐng)域從跟跑到并跑,再到局部領(lǐng)跑的發(fā)展歷史。
地幔地球化學(xué)是地球化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域中最年輕的分支學(xué)科之一,同時(shí)也是處于固體地球科學(xué)最前沿的分支學(xué)科。它是在二十世紀(jì)七十年代中期才形成的一門探討地球深部化學(xué)結(jié)構(gòu)、組成、動(dòng)力學(xué)過(guò)程和地球內(nèi)部圈層相互作用及其淺部響應(yīng)的交叉學(xué)科。無(wú)疑,它與地球物理學(xué)、巖石學(xué)(特別是實(shí)驗(yàn)巖石學(xué))、大地構(gòu)造學(xué)以及地球化學(xué)各分支學(xué)科都有著緊密的關(guān)系。
地幔地球化學(xué)的形成發(fā)展與二十世紀(jì)地球科學(xué)兩大革命性事件,即板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)問(wèn)世和阿波羅登月工程的實(shí)施密不可分。前者將地球科學(xué)家的視野拓展到全球構(gòu)造及地球系統(tǒng)科學(xué)的層次,而后者則將地球與行星科學(xué)作為一個(gè)整體來(lái)考慮,即形成現(xiàn)代地球系統(tǒng)科學(xué)的概念,并將以月球科學(xué)、天體化學(xué)及分析地球化學(xué)為主的高新技術(shù)全面引進(jìn)了地球科學(xué)。顯然二者的結(jié)合,從理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)兩個(gè)層面上,提供了一條人類獨(dú)立地認(rèn)識(shí)地球深部及地球系統(tǒng)的新途徑,從而對(duì)傳統(tǒng)上地球深部的研究途徑,諸如地球物理測(cè)深、造山帶構(gòu)造抬升殼幔剖面、實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)模擬以及地幔巖石學(xué)提出了新的制約?,F(xiàn)今它的研究領(lǐng)域及影響所及,早已遠(yuǎn)超出深部的范疇,而進(jìn)入了整個(gè)地球系統(tǒng)科學(xué)及多層圈相互作用等一系列前沿理論和應(yīng)用領(lǐng)域。
二十世紀(jì)六、七十年代,因元素分配理論的完善和實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)的進(jìn)展,玄武巖部分熔融成因理論得以建立并獲得學(xué)術(shù)界公認(rèn)。另一方面,在板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)問(wèn)世基礎(chǔ)上,地球科學(xué)家必須要探明地球深部,特別是地幔對(duì)流現(xiàn)象,以檢驗(yàn)板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力機(jī)制。自二十世紀(jì)六十年代開始,國(guó)際地學(xué)界開始實(shí)施了一系列全球規(guī)模的合作計(jì)劃。如國(guó)際上地幔計(jì)劃(1961~1970)、地球動(dòng)力學(xué)計(jì)劃(1971~1980)和國(guó)際巖石圈計(jì)劃(ILP, 1981~2000)及大陸動(dòng)力學(xué)計(jì)劃等。這無(wú)疑大大推進(jìn)了對(duì)地球深部的研究,為地幔地球化學(xué)學(xué)科的誕生提供了更為堅(jiān)實(shí)的學(xué)術(shù)支撐及需求。
與此同時(shí),在美國(guó)阿波羅登月工程的推動(dòng)下,以月海玄武巖和月壤為主要對(duì)象的月球樣品地球化學(xué)及同位素年代學(xué)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(zhǎng)巖成因?yàn)榇淼脑虑蚩茖W(xué)研究,而且使當(dāng)時(shí)的一系列高新技術(shù)得以在地球與行星科學(xué)領(lǐng)域獲得推廣應(yīng)用。如高靈敏度、高精度、多接收器計(jì)算機(jī)程控同位素質(zhì)譜計(jì),超高真空惰性氣體質(zhì)譜計(jì),超低本底凈化實(shí)驗(yàn)室技術(shù),離子探針微區(qū)原位分析技術(shù),高溫高壓成巖模擬實(shí)驗(yàn)以及相應(yīng)的遙感圖像識(shí)別與分析技術(shù)等,從而為地幔地球化學(xué)學(xué)科的建立提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
在當(dāng)年最先進(jìn)的Sm-Nd同位素年代學(xué)技術(shù)進(jìn)步和雄厚的月球玄武巖地球化學(xué)研究基礎(chǔ)上,美國(guó)高校的兩個(gè)頂尖研究集體(加州理工學(xué)院(Caltech)與哥倫比亞大學(xué)(Lamont))在一九七六年至一九七七年的冬春之交短短兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi),幾乎同時(shí)獨(dú)立地完成了對(duì)大洋玄武巖體系Sr-Nd同位素的研究(圖1),先后在國(guó)際一流期刊上發(fā)表了兩篇關(guān)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(shí)了二者的相關(guān)性,從而奠定了地幔地球化學(xué)學(xué)科最基本的理論基礎(chǔ)。正是這兩篇后來(lái)被視為里程碑的論文,標(biāo)志著地幔地球化學(xué)學(xué)科的形成和一個(gè)全新研究領(lǐng)域的誕生。自此之后,環(huán)繞這一領(lǐng)域工作的論文如雨后春筍般地涌現(xiàn),世界一流的大學(xué)、研究所相關(guān)專業(yè)無(wú)不投入全力參與這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。國(guó)際地球和行星科學(xué)界形成了一股繼阿波羅探月計(jì)劃之后的研究熱潮, 而中國(guó)幾乎在同期開始了地幔巖石學(xué)及地幔地球化學(xué)的研究,并在28年后開啟了以嫦娥命名的探月計(jì)劃,參與了全球新一輪月球探測(cè)競(jìng)爭(zhēng)(圖1、圖2)。
圖1 1981年作者在美國(guó)Carnegie研究所分析首批中國(guó)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(guó)探月計(jì)劃執(zhí)行期間與香港大學(xué)學(xué)者商討合作事宜(左起:趙國(guó)春、周新華、歐陽(yáng)自遠(yuǎn)、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(dāng)人類面臨第四次工業(yè)革命前夜以及種種極其嚴(yán)峻的生存挑戰(zhàn)之際,地幔地球化學(xué)仍然以其充滿活力的姿態(tài),在現(xiàn)代地球系統(tǒng)科學(xué)、未來(lái)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(yù)測(cè)等前沿領(lǐng)域發(fā)揮著生力軍的作用。它并吸引著愈來(lái)愈多的地球科學(xué)家及相鄰學(xué)科的科學(xué)家參與進(jìn)來(lái),形成了一系列更新的交叉學(xué)科及領(lǐng)域、改變了一些傳統(tǒng)學(xué)科的面貌;并有可能在二十一世紀(jì)孕育新的全球構(gòu)造理論方面起到重要的作用。這一歷史及現(xiàn)實(shí)的回顧,無(wú)疑將促使我們重新審視、學(xué)習(xí)和評(píng)價(jià)地幔地球化學(xué)的發(fā)展。四十多年前,筆者有幸隨著國(guó)門的打開,踏進(jìn)了西方大學(xué)的校園,經(jīng)歷并參與了地幔地球化學(xué)最初的研究浪潮;其后,又身不由己地在此領(lǐng)域內(nèi)工作至今。在這不算短的時(shí)間里,我國(guó)的地幔地球化學(xué)及巖石圈深部研究已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)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(zé)任感,即應(yīng)該為加速發(fā)展中國(guó)的地幔地球化學(xué)及巖石圈深部研究而不斷地努力。
隨著國(guó)際上地幔計(jì)劃的實(shí)施,特別是在20世紀(jì)60年代末,對(duì)諸如金伯利巖、鉀鎂煌斑巖、堿性玄武巖、超鎂鐵質(zhì)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(guó)際上地幔合作研究計(jì)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(xué)科——地幔巖石學(xué)。我國(guó)地學(xué)界迅即在二十世紀(jì)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(diào)查與研究。在上述國(guó)家級(jí)大項(xiàng)目的支撐下,尤對(duì)整個(gè)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(guó)地質(zhì)科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn),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(chǔ)上,同時(shí)也在整個(gè)二十世紀(jì)七十年代國(guó)際地球動(dòng)力學(xué)計(jì)劃及繼后八、九十年代的國(guó)際巖石圈計(jì)劃持續(xù)推動(dòng)下,筆者及其國(guó)內(nèi)同事們,主要通過(guò)國(guó)際合作方式發(fā)表了一批中國(guó)大陸東部新生代玄武巖類同位素地球化學(xué)的研究論文,全面揭示了中國(guó)東部陸下巖石圈地幔的地球化學(xué)特征,也標(biāo)志著中國(guó)地幔地球化學(xué)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(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。與此同時(shí)國(guó)內(nèi)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(chéng), 1984; 陳道公和彭子成, 1985, 1988; 陳文寄等, 1985, 1986; 李獻(xiàn)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(guó)礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)地幔礦物巖石地球化學(xué)專業(yè)委員會(huì),1990;劉若新,1992;鄧晉福等,1996)。
上述研究通過(guò)廣泛涵蓋了中國(guó)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(guó)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(xué)虧損特征(Oceanic affinity)。這一發(fā)現(xiàn)具有重要科學(xué)意義和認(rèn)識(shí)論價(jià)值,它是應(yīng)用同位素地球化學(xué),在地幔深度層面上,深化了前輩地質(zhì)學(xué)家對(duì)華北地區(qū)中生代地質(zhì)演化史活化背景的創(chuàng)新性認(rèn)識(shí)(Wong, 1927, 1929; 陳國(guó)達(dá), 1956, 1959, 1992, 1993; 周新華, 2006; 周新華等, 2009),并為繼后形成我國(guó)地球科學(xué)熱點(diǎn)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(cè)事實(shí)和地幔地球化學(xué)理論基礎(chǔ)。進(jìn)一步工作表明,已有幔源樣品的Sr-Nd-Pb三元同位素?cái)?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(guó)大陸地幔成因中的重要作用(李獻(xiàn)華, 1985; Li and Liu, 1986; Zhouetal., 1988; 周新華和朱炳泉, 1992)。我國(guó)全域范圍地幔地球化學(xué)填圖(Geochemical Mapping)表明,地幔源區(qū)的地球化學(xué)特征呈南-北向規(guī)律變化,即從華南的虧損地幔,經(jīng)揚(yáng)子克拉通的似原始地幔到華北逐漸向富集地幔過(guò)渡,東北地區(qū)則以富集地幔為主,而且明顯受地表塊體構(gòu)造屬性所控制,被稱之為地幔源區(qū)特征的塊體效應(yīng),它深刻反映了深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)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(jì)玄武巖的源區(qū)中起著主導(dǎo)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(gòu)成了中國(guó)大陸地幔的一個(gè)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L(zhǎng)OMU端元,以對(duì)應(yīng)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)。
在二十世紀(jì)八、九十年代連續(xù)兩個(gè)巖石圈國(guó)際合作計(jì)劃的推動(dòng)下,我國(guó)開展了規(guī)??涨暗目鐚W(xué)科大陸巖石圈綜合研究。除青藏高原綜合考察外、重點(diǎn)開展東南巖石圈組成、結(jié)構(gòu)和演化項(xiàng)目研究,也促進(jìn)了上節(jié)所綜述的相關(guān)幔源巖類的地幔地球化學(xué)研究。
早在世紀(jì)之交美國(guó)政府三個(gè)相關(guān)部門(美國(guó)國(guó)家基金會(huì)NSF、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查所USGS、美國(guó)能源部DOE)就聯(lián)合制定了《美國(guó)大陸動(dòng)力學(xué)研究國(guó)家計(jì)劃(1990-2020)》,提出了大陸動(dòng)力學(xué)這一重要命題;之后又以美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)名義發(fā)表了《構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和大地構(gòu)造學(xué)的新航程》以及美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)與美國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)聯(lián)合準(zhǔn)備的大地構(gòu)造學(xué)未來(lái)方向框架《21世紀(jì)的大地構(gòu)造:一個(gè)宜居行星的動(dòng)力學(xué)》文件,進(jìn)而在地學(xué)界明確提出了宜居行星,或宜居地球的概念。這實(shí)際上是呼應(yīng)及延伸了早已存在的比較行星學(xué)中“宜居行星”與“宜居行星帶”的概念?;趶垏?guó)偉院士團(tuán)隊(duì)的努力,上述報(bào)告廣為傳播,大陸動(dòng)力學(xué)遂成為我國(guó)大陸巖石圈研究的重要方向和前沿領(lǐng)域。在中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科學(xué)技術(shù)部的支持下,先后開展了相關(guān)領(lǐng)域的一系列重大研究項(xiàng)目。
(1)蘇魯-大別超高壓變質(zhì)帶-大陸深俯沖研究 以從柏林先生團(tuán)隊(duì)為代表的中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)首批“973”項(xiàng)目(國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃),在20世紀(jì)80年代開展的幔源巖類工作基礎(chǔ)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(shí)到蘇魯-大別的超高壓變質(zhì)帶實(shí)質(zhì)上是揚(yáng)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(jī)制,故產(chǎn)生了大陸深俯沖的命題。由此產(chǎn)生兩大關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題:大陸深俯沖的地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制及其對(duì)大陸巖石圈演化格局的影響。筆者所在張宏福院士團(tuán)隊(duì)則從空間上的周邊效應(yīng)及時(shí)間上的后效作用出發(fā),以深部動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)邊界條件改變所導(dǎo)致的一系列深部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程、機(jī)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(xué)富集特征以及南北向變化趨勢(shì),結(jié)合華北陸內(nèi)及北緣中生代巖石圈地幔特征的對(duì)比研究,從大陸深俯沖角度,提出了華北中生代巖石圈地幔化學(xué)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(jī)制,用于解釋中生代火成巖體系地球化學(xué)特征的變化;地球化學(xué)各特征指示巖石圈地幔源區(qū)已受具特定地球化學(xué)特征的富集組分的交代改造,地球化學(xué)參數(shù)南北向變化趨勢(shì),指示這一富集源區(qū)來(lái)自經(jīng)深俯沖揚(yáng)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(guó)東部大陸地幔不均一性研究 同期在國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金項(xiàng)目支持下所開展的中國(guó)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(jì)為峰值時(shí)段;確證了強(qiáng)烈殼幔相互作用的幕式特征和玄武質(zhì)底墊作用重要形式及其與重大地質(zhì)構(gòu)造事件的耦合性;跨塊體的同位素填圖揭示了地球化學(xué)源區(qū)的塊體特征,深化了華北古生代巖石圈地幔強(qiáng)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(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)中國(guó)東部巖石圈演化的影響及其與華北周邊重大構(gòu)造過(guò)程可能的成因關(guān)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(wú)疑上述兩項(xiàng)工作為21世紀(jì)華北克拉通破壞重大研究計(jì)劃的展開作了前期的基礎(chǔ)準(zhǔn)備。
圖3 華北克拉通破壞項(xiàng)目組部分成員參加2015年礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)(長(zhǎng)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(xiàng)目組部分成員參加2016年國(guó)際Goldschmidt大會(huì)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(jì)以來(lái)華北克拉通破壞研究顯然在我國(guó)大陸動(dòng)力學(xué)研究方面占據(jù)了重要地位。這是因?yàn)樽远兰o(jì)八十年代初期以來(lái),中國(guó)學(xué)者多學(xué)科大量觀測(cè)事實(shí)和研究工作的積累,以及眾多國(guó)際同行的參與,已充分揭示了自三疊紀(jì)中國(guó)東部大陸拼合以來(lái),遭受了劇烈的深至巖石圈地幔層次的改造。可以說(shuō)以華北克拉通為代表的中國(guó)東部提供了一個(gè)研究大陸巖石圈演化的最佳實(shí)驗(yàn)室及克拉通破壞難得的實(shí)例。人們的認(rèn)識(shí)從巖石圈減薄,逐漸深化到整個(gè)巖石圈性質(zhì)的全面變化,乃至巖石圈轉(zhuǎn)型,以及克拉通穩(wěn)定性質(zhì)的整體喪失,從而形成了克拉通破壞的概念。2007年起國(guó)家自然科學(xué)基金委以有史以來(lái)地學(xué)領(lǐng)域最大的資助力度,設(shè)立了重大研究計(jì)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(yīng)該說(shuō),該計(jì)劃在所設(shè)定的五個(gè)科學(xué)問(wèn)題上均取得了不同程度的顯著進(jìn)展,特別在克拉通破壞的四維時(shí)空尺度刻畫上,通過(guò)多學(xué)科結(jié)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(xué)術(shù)觀點(diǎn)的成果,而在地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制上則強(qiáng)調(diào)了“主要受控于太平洋板塊的西向俯沖”(朱日祥等, 2012),并進(jìn)而指出“如果沒(méi)有古太平洋板塊俯沖帶回撤,俯沖板片回轉(zhuǎn)與在地幔過(guò)渡帶滯留,就不會(huì)產(chǎn)生東亞古大地幔楔;而沒(méi)有東亞古大地幔楔的形成,也不會(huì)導(dǎo)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(guó)眾多的優(yōu)秀中青年地球科學(xué)家們,經(jīng)多年的努力,在作為地球科學(xué)前沿的地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域里,做出了系統(tǒng)的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)。上述成果在國(guó)內(nèi)及國(guó)際的學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表及報(bào)告,受到了國(guó)內(nèi)外同行廣泛而高度的關(guān)注(圖3、圖4)。
20世紀(jì)80年代開始的全球變化研究,將人類生存環(huán)境的問(wèn)題拓展為整個(gè)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(xué)的新領(lǐng)域。如1983年美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)成立了地球系統(tǒng)科學(xué)委員會(huì),1988年發(fā)布了“地球系統(tǒng)科學(xué)”報(bào)告,之后美國(guó)將地球系統(tǒng)科學(xué)列入高等院校教學(xué)計(jì)劃(汪品先, 2018)。從這段歷史回溯,地球系統(tǒng)科學(xué)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(shí)被理解為表生地球?yàn)橹鞯难芯慷`用(汪品先, 2014)。進(jìn)入21世紀(jì)之后隨著深空、深地、深海目標(biāo)的提出,以新一輪探月為代表的深空探測(cè)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(guò)程研究的新進(jìn)展,人們?cè)絹?lái)越深地體會(huì)到地表、地殼以及深海的活動(dòng)實(shí)質(zhì)上都受控于地球深部的過(guò)程,而人類地球生存環(huán)境的惡化更推動(dòng)了向深空拓展的需求,就借助于比較行星學(xué)“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(xué)真正回歸到它的本質(zhì)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(dòng)力學(xué)機(jī)制的全方位全過(guò)程地球科學(xué)。毫無(wú)疑問(wèn),地幔地球化學(xué)在現(xiàn)代地球系統(tǒng)科學(xué)中將依舊起著生力軍的作用。
如前所述,作為20世紀(jì)板塊構(gòu)造與以阿波羅計(jì)劃為代表的深空探測(cè)結(jié)合產(chǎn)物的地幔地球化學(xué),自問(wèn)世以來(lái)就在地球科學(xué)一系列領(lǐng)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(jìn)而構(gòu)成了化學(xué)地球動(dòng)力學(xué)的核心內(nèi)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(zhì)。至今嫦娥五號(hào)為代表探月及深空探測(cè)的成果已充分說(shuō)明以地幔地球化學(xué)為核心內(nèi)容的化學(xué)地球動(dòng)力學(xué)研究思路及技術(shù)方法的關(guān)鍵作用(Huetal., 2021; Lietal., 2021; Tianetal., 2021),至于深地及深海探測(cè)領(lǐng)域則歷來(lái)就是地幔地球化學(xué)的主戰(zhàn)場(chǎng)。而地幔地球化學(xué)學(xué)科本身也必將在現(xiàn)代地球系統(tǒng)科學(xué)進(jìn)程的一系列新挑戰(zhàn)中,得到進(jìn)一步的發(fā)展,從而上升到一個(gè)新的水平。
我國(guó)在“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃中,就明確提出了要加強(qiáng)“深空”、“深?!?、“深地”領(lǐng)域的戰(zhàn)略部署,21世紀(jì)以來(lái)我國(guó)地幔深部研究從大陸到大洋、從深度到廣度全面進(jìn)軍,從追趕到并跑,甚至局部超越,取得了前所未見的巨大進(jìn)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(zhuǎn)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(yīng)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(guó)幔源型造山帶橄欖巖普遍存在熔巖反應(yīng);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(shí)空分布及其對(duì)重大地質(zhì)過(guò)程的影響;實(shí)例論證輝石巖、角閃石巖、碳酸鹽化橄欖巖作為中國(guó)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(guān)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(yīng)用 這是進(jìn)展最為突出,成果最為顯著的應(yīng)用領(lǐng)域,同時(shí)也是推廣普及最為迅速的方法技術(shù),如果以前是作為高精尖的新技術(shù)新方法被提及,而如今則已是各種研究項(xiàng)目分析方法的標(biāo)配。非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素分析是二十世紀(jì)末到二十一世紀(jì)初才興起的技術(shù),這主要得益于多接受電感耦合等離子體質(zhì)譜高溫電離及高分辨質(zhì)譜技術(shù)的突破和推廣。迄今獲得地學(xué)應(yīng)用的25個(gè)非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素中大部分,都已應(yīng)用于大陸與大洋巖石圈演化、大陸和大洋玄武巖、地幔物質(zhì)再循環(huán)、基性-超基性侵入體等地幔巖石地球化學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域,甚至在某些方面因后發(fā)優(yōu)勢(shì)的高起點(diǎn),領(lǐng)跑了國(guó)際非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素地球化學(xué)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(duì)大陸玄武巖源區(qū)組成的新制約以及對(duì)深部碳循環(huán)途徑認(rèn)識(shí)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(xué)指標(biāo),進(jìn)而揭示了中國(guó)東部是一個(gè)巨大的再循環(huán)碳庫(kù),說(shuō)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(chǔ)庫(kù)的標(biāo)定上建立了硅酸鹽地球(BSE)的Ca、Cr、Cu、Ba同位素組成基準(zhǔn)值等(張宏福和陳立輝, 2021)。
無(wú)疑今后在有關(guān)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(yīng)用潛力,利用其非質(zhì)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(yíng)養(yǎng)元素等特性,用以制約低溫-高溫的地質(zhì)、行星演化及生物過(guò)程,示蹤地球及行星形成及分異中的重大事件和過(guò)程,包括成礦過(guò)程均有很大的發(fā)展空間。
原位微區(qū)同位素分析技術(shù)進(jìn)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(biāo)元素含量之低微,加之相應(yīng)目標(biāo)同位素變化范圍的微區(qū)性,原位微區(qū)分析技術(shù)對(duì)于地幔地球化學(xué)研究的重要性是不言而喻的。近年來(lái),隨著微束分析技術(shù)的飛速發(fā)展,激光探針(LP)、多接受電感耦合等離子體質(zhì)譜(MC-ICPMS)及二次離子質(zhì)譜(SIMS)技術(shù),乃至原子探針技術(shù)(ATP)日益成為地幔地球化學(xué)樣品分析的關(guān)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(biāo)礦物均已達(dá)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(jìn)入原位微區(qū)分析領(lǐng)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(shù)也正在開發(fā)中。而具廣泛應(yīng)用價(jià)值的副礦物,如鋯石、斜鋯石既可進(jìn)行U-Th-Pb、Lu-Hf等同位素體系分析,亦可進(jìn)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(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展空間完全可期,也將對(duì)地幔地球化學(xué)研究產(chǎn)生巨大促進(jìn)作用(Yangetal., 2019)。
深地幔超高壓礦物學(xué)新進(jìn)展 近10年來(lái)毛河光先生的團(tuán)隊(duì)在超高壓礦物研究領(lǐng)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(huì)影響整個(gè)地球系統(tǒng)科學(xué)的進(jìn)程。該團(tuán)隊(duì)相繼發(fā)現(xiàn)下地幔深部所對(duì)應(yīng)的溫度、壓力條件下含鐵鈣鈦礦會(huì)分解為兩個(gè)相,即無(wú)鐵的鈣鈦礦和六方結(jié)構(gòu)的富鐵相,以及下地幔穩(wěn)定存在超富水斯石英,實(shí)驗(yàn)中斯石英的含水量至少可達(dá)4%~10%(Zhangetal., 2014; Linetal., 2020)。對(duì)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(shí)驗(yàn)研究表明在深下地幔溫度壓力環(huán)境,F(xiàn)eOOH通過(guò)部分脫氫作用或鐵鎂氧化物與俯沖含水物質(zhì)發(fā)生新型高壓化學(xué)反應(yīng),形成含氫(Fe, Mg)O2相,其結(jié)構(gòu)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(dāng)量水的礦物進(jìn)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(guò)氧化物,并釋放出氫氣。模擬實(shí)驗(yàn)同時(shí)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,長(zhǎng)期可能產(chǎn)生幾千米至數(shù)十千米厚度的含過(guò)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(zhì)聚集在核幔邊界,堆積過(guò)多,分化成鐵進(jìn)入地核,氧被積壓;氧積壓過(guò)多發(fā)生突變氧爆發(fā),富氧物質(zhì)上升,啟動(dòng)化學(xué)對(duì)流并改變熱對(duì)流,開啟板塊運(yùn)動(dòng);當(dāng)富氧物質(zhì)接近地表,降低熔點(diǎn)造成地殼巖漿分化。上述過(guò)程可導(dǎo)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(jí)地幔柱、超大陸裂解等。上述分析說(shuō)明深地引擎是調(diào)控地球時(shí)空變化的最主要導(dǎo)因,上述理論可以說(shuō)明常規(guī)板塊運(yùn)動(dòng)及突變,以及先板塊運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dāng)然毛河光先生的模型僅僅是初始階段的理論設(shè)想,正如他本人所說(shuō):“還有極大量細(xì)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(shí)驗(yàn)研究結(jié)果完全是突破性的及顛覆性的,說(shuō)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(duì)深部地幔地球化學(xué)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)及其動(dòng)力學(xué)后效產(chǎn)生重大影響。同時(shí)它從另一個(gè)獨(dú)立的側(cè)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(jí)地幔柱的地球化學(xué)機(jī)制。
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(xué)家維爾納斯基《地球化學(xué)概論》第一版(法文)的問(wèn)世作為現(xiàn)代地球化學(xué)形成的標(biāo)志,那么地球化學(xué)學(xué)科很快將迎來(lái)它的百年。一個(gè)世紀(jì)以來(lái),不少地球化學(xué)家提出了不下數(shù)十種地球化學(xué)學(xué)科的定義,從“通過(guò)地殼中礦物、巖石樣品的分析測(cè)試,來(lái)討論元素的分布狀況和分布規(guī)律”(Clarke and Washington, 1924),到20世紀(jì)我國(guó)地球化學(xué)領(lǐng)軍人物涂光熾先生在他組織撰寫的《地球化學(xué)》一書中給出的定義“地球化學(xué)是研究地球(包括部分天體)的化學(xué)組成、化學(xué)作用和化學(xué)演化的科學(xué)”(涂光熾, 1984),反映了從強(qiáng)調(diào)化學(xué)元素-原子到地球整體的化學(xué)組成及演化的趨勢(shì)。筆者在多年的科研及教學(xué)生涯中體會(huì)到需要有更具學(xué)科特色的嚴(yán)格定義,嘗試提出了“地球化學(xué)是從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀層次來(lái)表征、示蹤和探討地球和行星體系‘生’、‘運(yùn)’、‘聚’、‘定’的機(jī)制及其轉(zhuǎn)化的規(guī)律,并將之應(yīng)用于認(rèn)識(shí)整個(gè)地球-行星體系和促進(jìn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展”; 并同時(shí)強(qiáng)調(diào)“作為地球科學(xué),特別是現(xiàn)代地球系統(tǒng)科學(xué)不可替代的組成部分,地球化學(xué)在上述領(lǐng)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(guó)科學(xué)院研究生院《現(xiàn)代地球化學(xué)》課件)。在地球化學(xué)學(xué)科面向第二個(gè)百年的起點(diǎn)并已踏上向深空、深海、深地進(jìn)軍的征途上,展望我國(guó)地幔地球化學(xué),重溫這一定義,無(wú)疑將使我們的目光投向微觀與理論這兩個(gè)方向上。
在近年的一次學(xué)術(shù)報(bào)告中,毛河光先生語(yǔ)重心長(zhǎng)地道出“對(duì)深地的了解,落后深海、深空一百年”的警語(yǔ)!他進(jìn)而又指出“將高壓礦物學(xué)的最新進(jìn)展與數(shù)十年來(lái)地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地幔巖石學(xué)、地幔地球化學(xué)聯(lián)系起來(lái),或許可稱之為深地地球科學(xué),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(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所2021年學(xué)術(shù)年會(huì)報(bào)告),這既是對(duì)我們從事地幔地球化學(xué)研究同行們的告誡,更是激勵(lì)和期待!
目前雖然地球化學(xué)的實(shí)驗(yàn)工具已達(dá)納米范疇,并正向原子級(jí)進(jìn)軍(原子探針ATP及原子隧道顯微鏡),但距科學(xué)問(wèn)題的要求及理論認(rèn)識(shí)無(wú)疑尚有很大差距。21世紀(jì)以來(lái),基本粒子物理學(xué)及量子科學(xué)正以突飛猛進(jìn)的姿態(tài)發(fā)展,突破種種傳統(tǒng)觀念的束縛,地球科學(xué)家何以能作壁上觀?在二十世紀(jì)六十年代,從未留學(xué)并年過(guò)六旬的侯德封老先生尚且曾向亞原子層次地球化學(xué)作過(guò)沖擊,雖以試錯(cuò)告終,但其經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)為后人鋪了路(侯德封, 1961; 侯德封和歐陽(yáng)自遠(yuǎn), 1961, 1962; 侯德封和楊敏之, 1961; 侯德封和王中剛, 1961; 胡受奚, 1962; 戴問(wèn)天, 1962)。之后人們逐漸認(rèn)識(shí)到“應(yīng)從地球演化歷史及能量角度來(lái)分析及評(píng)估核轉(zhuǎn)變?cè)诘厍蜓莼凶饔谩钡闹匾^點(diǎn)(侯德封等, 1963),據(jù)此又撰寫及出版了《核轉(zhuǎn)變能與地球物質(zhì)演化》一書(侯德封等, 1974)。這一歷史回顧告訴我們,科學(xué)發(fā)展與人類的認(rèn)識(shí)都是無(wú)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(gè)現(xiàn)實(shí)的成功實(shí)例,非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素應(yīng)用深入發(fā)展的要求,進(jìn)一步提示了同位素基礎(chǔ)理論研究的重要性,應(yīng)重視與理論和計(jì)算地球化學(xué)的結(jié)合以及盡可能將量子化學(xué)成果引入地球化學(xué)研究,開辟量子地球化學(xué)與亞原子地球化學(xué)的新領(lǐng)域。當(dāng)代美國(guó)理論物理學(xué)家惠勒曾說(shuō)過(guò)“時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng),物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲”(Space-time tells matter how to move, Matter tells space-time how to curve),言簡(jiǎn)意賅形象地表達(dá)了20世紀(jì)物理學(xué)的運(yùn)動(dòng)觀、物質(zhì)觀和時(shí)空觀。面向人類可能成為多行星物種的未來(lái),處于今日彎曲時(shí)空中移民火星時(shí)代的地球化學(xué)該向何處去,是每一個(gè)地球化學(xué)家應(yīng)該嚴(yán)肅思考的問(wèn)題,更是從事深地探索的地幔地球化學(xué)家應(yīng)該考慮的問(wèn)題。歷史的接力棒已傳至新一代地球化學(xué)家的手上,我們堅(jiān)信中國(guó)的地球科學(xué)家們一定會(huì)將21世紀(jì)地球科學(xué)推向新的高度和深度,為人類做出中華民族應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
致謝作者永志難忘侯德封、李璞、涂光熾和梁樹權(quán)四位老先生自學(xué)生時(shí)代起始的教導(dǎo)和培育;作者衷心感謝在多年的地幔地球化學(xué)研究中,劉若新、陳毓蔚、謝先德、歐陽(yáng)自遠(yuǎn)、汪集旸、任紀(jì)舜、汪品先、戴橦謨、邱純一、桂訓(xùn)唐、王惠芬、鄒廣田、閻成德、周新民、葉大年、安芷生、張國(guó)偉、許志琴、劉嘉麒、楊文采、莫宣學(xué)、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(lán)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(jì)安、沈昆、張旗、劉小漢、劉叢強(qiáng)、鐘孫霖、郭正堂、張宏福、徐義剛、李獻(xiàn)華、趙國(guó)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(jìn)義、張海珠、劉北玲、鄭建平、周永章、龐忠和、鄭國(guó)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(chǔ)著銀、孫衛(wèi)東、韋剛健、馮新斌、楊進(jìn)輝、劉勇勝、夏群科、黃方、陳紹海、張國(guó)輝、趙平、胡圣標(biāo)、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(wàn)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(guò)程中,翟明國(guó)主編、孫勇終審主編,俞良軍常務(wù)副主編、張宏福、楊進(jìn)輝、湯艷杰、趙新苗所付出的努力;在本文準(zhǔn)備過(guò)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(shè)性意見、修改文本、提供相關(guān)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(guó)際合作;同時(shí)還由衷地感激不同歷史時(shí)期家人,陳文寄、周小軍和張麗、謝雯無(wú)保留的支持、關(guān)心和理解。