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王涛1,2,3，黄河2,3，杨立强4，郑远川4，许博4，孙剑2,3，侯通4，鲍学伟5，张建军2,3，朱小三2，范润龙1,2，尹继元2，苏玉平6，侯增谦2,3
2中国地质科学院地质研究所
3自然资源部深地科学与技术重点实验室
4中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室
5浙江大学地球科学学院，
6中国地质大学(武汉)地球科学学院
第一作者：王涛，研究员，博士生导师，构造地质学专业，主要从事构造地质、花岗岩与大地构造研究。
通讯作者：黄河，副研究员，矿物学、岩石学、矿床学专业，主要从事岩浆岩岩石学、大地构造研究。
岩石圈物质架构与大地构造演化、成矿作用、新构造运动等密切相关，岩石圈深部探测与研究已成为固体地球科学发展的前沿之一。了解深部物质的组成、分布和时空演化是探索地球深部组成及动力学的关键。以往的研究多集中于局部和点上的物质组成与循环，而对深部物质组成时空分布的研究较少，影响了我们对区域、造山带乃至整个地球尺度的深部物质结构、演变及动力学的完整认识，这主要与缺乏有效的深部物质结构探测技术有关。长期以来，岩石圈深部探测主要依赖地球物理手段和深部钻探，但仍存在不足，对深部物质的了解也主要局限于两种途径：一是利用地球物理方法推测深部岩石的物性特征，二是利用岩浆岩中捕虏体方法直接获取深部有限物质信息。为此，本文提出了第三种途径，即充分利用地表出露的岩浆岩，通过岩石探针和同位素填图，示踪深部物源(物质)特征。特别是利用大数据分析和数字填图，了解深部物质三维结构及四维演变。在此基础上，文中总结了上述三种途径，构建了以岩石探针和同位素填图为核心的揭示岩石圈三维物质组成架构的方法体系。研究显示，在岩相学研究的基础上，通过系统开展Sr、Nd、Hf、Pb等多元同位素示踪填图，结合地球物理资料，可有效揭示岩石圈深部物质组成结构。通过中亚增生造山带(北疆)、青藏高原碰撞造山带(冈底斯-三江)和华北-扬子克拉通三个典型大地构造单元关键地区的实践，显示多元同位素示踪深部物质的一致性和有效性，以及同位素填图结果与地球物理探测结果的对应性。这些应用成果表明，作者提出的揭示岩石圈三维物质组成结构的方法体系框架，构建的同位素填图-岩石探针-地球物理探测相配合的深部物质结构探测技术体系具有良好的应用效果。文中对深部物质结构探测技术体系中的岩石探针、多元同位素填图、岩浆岩捕获/继承锆石信息填图、新兴同位素示踪方法、深部物质约束的地球物理方法、实验模拟技术约束和多元多维深部物质示踪数据集成分析等及其应用经验均有介绍。本文研究成果可为规范开展深部物质结构探测、物质演变过程及深部动力学过程研究提供技术支撑。基金项目：国家重点基础研究发展计划(编号2019YFA0708600，2018YFC0603702)国家自然科学基金项目(编号92162322，42161144007，41830216，41802074)中国地质调查局项目(编号DD20190370，DD20190685，DD20190001)国际地学计划项目IGCP662和深时数字地球(DDE)大科学计划联合资助的成果
注：文末往期精彩回顾中精选了5篇关于郯庐断裂起源及其深部结构探测的优秀文章供读者学习本文时参考。
0 引言
1 深部物质架构示踪的方法体系框架
1.1 岩石探针
1.1.1 深源岩石包体或捕虏体岩相学研究
1.1.2 岩浆岩岩相学（岩石学和矿物学）研究
1.2 多元同位素填图
1.2.1 主要方法
1.2.2 多元同位素解耦、示踪的关联性及联合填图
1.2.3 同位素填图有关问题及讨论
1.3 岩浆岩捕获/继承锆石信息填图
1.3.1 基本原理与方法
1.3.2 功能及优势
1.3.3 存在问题
1.4 新兴同位素示踪方法
1.4.1 基本原理和方法
1.4.2 功能及优势
1.4.3 存在问题
1.5 深部物质约束的地球物理方法
1.5.1 主要方法
1.5.2 实际应用
1.6 实验模拟技术约束
1.6.1 基本原理与方法
1.6.2 部分熔融实验
1.6.3 实验数据模拟
1.7 多元多维深部物质示踪数据集成分析
1.7.1 基本原理思路方法
1.7.2 若干实例
2 深部物质架构的技术方法体系联合示踪的初步应用
2.1中亚增生造山带地区（北疆）三维岩石圈深部物质架构
2.1.1北疆增生造山带岩石圈物质架构
2.1.2揭示覆盖区、盆地基底属性：以准噶尔盆地为例
2.2青藏高原碰撞造山带（冈底斯-三江）三维岩石圈物质架构
2.3华北克拉通三维岩石圈物质架构
2.3.1华北克拉通西部稳定区岩石圈物质架构
2.3.2华北克拉通东部破坏区岩石圈物质架构
3 小结
岩石圈深部探测与研究已经成为固体地球科学发展的前沿之一，而了解深部物质组成、分布和时空演化是探索地球深部组成及动力学的关键。以往这方面的研究多集中于局部和点上的物质组成与循环，而对深部物质组成时空分布等的研究偏少，影响到我们对区域、造山带乃至整个地球尺度的深部物质架构、演变及动力学的完整认识，这主要与缺乏有效深部物质架构的探测技术有关。长期以来，深部探测主要依赖地球物理探测和深部钻探技术。钻探可以直接观察深部物质等，但是钻探深度有限，目前最深也只有1万多米，对全面了解地球深部相差甚远。另外，深钻工程成本高，且只是“一孔之见”，资料积累十分有限，难以开展区域构造尺度详细探测。地球物理是最常见的深部探测技术，可以非常好地探测现今地球深部的结构构造，但是难以直接揭示深部物质的属性——特别是随时间演化特征，只能结合其他方法共同约束深部物质的某些特征。这类方法的主要依据为：假设地表出露的来自深部的某些岩石（如深部变质岩、捕虏体等），获取其物理参数（包括温压条件和年龄信息），再应用地球物理技术，推测深部相应物性特征的范围，推断深部物质特征，如常应用于不同比例尺的三维地质填图的物探技术和岩石圈深部探测技术。目前，尚缺乏不同区域尺度的深部物质探测技术。岩浆岩及其携带的深源岩石包体（Enclave）或捕虏体（Xenolith）是来自深部的“使者”，以其作为“岩石探针”，可以打开探索深部岩石圈岩浆作用和物质特征信息的窗口。20世纪80~90年代，国内外很多学者对其进行了卓有成效的探索，并被广泛应用于阐述岩石成因与区域演化方面。近年来，随着分析测试技术的不断发展和提高，发表的岩浆岩相关岩石的测试数据急剧增长。通过岩石学与同位素年代学、地球化学、矿床学等传统学科的紧密交叉融合，岩石探针方面的研究也迅猛发展。目前，国际上以澳大利亚“地球化学演化与大陆成矿”国家研究中心（GEMOC）、“核-壳流体系统”国家卓越中心（CCFS）的研究成果为代表。这些研究在地幔岩石地球化学、岩石圈四维填图和深部岩石圈演化等方面取得了系统性的成果。例如，研发了微量元素和同位素分析测试技术，可以系统揭示和量化地幔交代作用；开发出GLITTER软件系统，处理同位素定年与微量元素数据以及Terrane Chron®地球化学填图新技术。特别是，O'Reilly和Griffin团队提出了岩石圈3D、4D填图概念，也是一种以捕虏体为基础的方法（Xenolith-basedmethodology），其将地球化学、地球物理学、构造地质学和年代学等多种学科综合在一起，分析岩石圈不同深部的性质；或者是利用地幔物质资料、地球物理数据和地球动力学模型，确定大陆岩石圈地幔的成分、架构（Architecture）及演变的一种综合方法。前人将这些思路和方法主要应用于非洲、澳洲和全球的太古宙克拉通岩石圈地幔的研究。通过地球物理手段（如地震波各向异性），追踪上地幔不均一性和岩石圈不连续性，揭示克拉通岩石圈热结构和演化；在基性岩/包体及同位素填图（岩石探针）基础上，结合地震等地球物理手段，提出并实践了岩石圈3D-4D填图。此外，澳大利亚地球科学局、西澳大利亚地质调查局等机构开始了全澳尺度的中酸性岩石Nd/Hf同位素填图，用于示踪克拉通边界、克拉通地壳架构及指导找矿等。但是，这些研究仍处于探索阶段，还存在以下5个问题：①这些研究主要依赖基性岩及地幔包体/捕虏体，即“以捕虏体为基础的方法”，但这类包体/捕虏体出露有限，且地表最发育的中酸性岩浆岩（如花岗岩等）未充分利用，因此，该方法难以获得更多的深部物质信息；②上述3D填图多用于探讨地幔物质架构，对地壳深部物质架构的填图和研究极少，未实现整个地球圈层特别是地壳圈层的物质探测；③这些研究集于大区域的物质（地幔）架构示踪，小范围、高精细，特别是造山带和矿集区范围的示踪研究少；④缺少多元同位素联合示踪及新兴同位素方法的应用，在大区域尺度上，地球化学研究与地球物理、实验岩石学研究结合不紧密；⑤缺少不同方法之间的对比研究，多元同位素之间的关联性，包括传统放射性同位素与新兴稳定同位素关联性不清楚，尚未形成系统的深部物质架构探测的技术方法体系。上述问题的存在制约了研究者更全面、更精细地获取地球深部物质的信息。因而，岩石圈深部探测，特别是深部物质探测技术亟需发展和完善，以便总结出一套能与地球物理探测相匹配的深部物质架构探测技术，提升对地球深部物质分布与演化的认识。因此，需要充分利用地表广泛出露的来自深部不同圈层的各类岩浆岩，排除其他干扰因素，示踪深部源区物质特征。特别是，不局限于某些点上的仅限于岩浆岩成因与物源特征研究，而是更关注深部物质在横向上（水平）、纵向上（垂向）分布的宏观特征，即三维物质架构，甚至四维演变。同时，需要探索研究适用于地壳，特别是造山带地壳的区域性深部物质架构的示踪和探测技术方法，加强岩浆岩Nd、Hf等同位素方法示踪结果的异同及其关联性研究，加强区域同位素填图示踪结果与地球物理探测、实验模拟结果的对应关系研究，从而建立一套揭示三维岩石圈及地球深部物质架构探究方法体系。这样，有望实现地球物理探测与岩石探针、同位素填图的深部物质探测紧密结合，以及岩石圈深部结构探测与深部物质探测的结合，改变长期以来地球深部探测研究缺少深部物质组成架构研究的现状，推动全方位、全要素的岩石圈深部探测工作。本文在前人研究的基础上，重点探索通过“岩石探针”及岩浆岩多元同位素区域填图研究，结合地球物理探测、实验模拟研究，探测深部物质架构及其演变，并探索总结揭示三维岩石圈物质组成架构的方法体系框架，为开展深部物质探测及深部物质演化等研究提供新的思路和方法。近年来，通过同位素填图探测深部物质架构的研究日益增长，应用领域亦不断扩展，如探测深部岩石圈组成与演化、划分不同地球化学省和块体、刻画陆壳生长与造山带发育模式、分析区域成矿规律。依据已有的研究，综合中亚造山带、青藏高原、中央造山带和华北克-扬子克拉通等典型大地构造单元以及美国、俄罗斯、澳大利亚较成熟的深部物质示踪和探测研究实例，结合地球物理和实验模拟技术，笔者初步提出以岩石探针+同位素示踪为核心的、结合地球物理和实验模拟的、揭示三维岩石圈物质架构的方法体系框架（图1，表1）。表1所列前四类方法属于物质示踪探测技术，依据研究的对象和采用的方法，主要包括岩石探针、多元同位素填图、捕获/继承锆石填图、新兴同位素示踪与填图四种方法。图1 以岩石探针和同位素填图为核心探索岩石圈三维物质架构的方法体系原理示意图
表1 揭示三维岩石圈架构示踪方法体系框架
岩浆岩及其携带的深源岩石包体或捕虏体可以直接带来深部岩石圈组成结构的信息，包括物理化学条件与参数，以及岩石圈随时间演化过程。特别是穿越不同圈层的物质样品（岩石、矿物等），是窥探地球深部的“超深钻”和“望远镜”，提供了透视深部物质及其演变和揭示地球深部地质作用和成矿效应等深部过程的直观证据，也是地球深部演化过程的重要物质记录。因此，它们被称作探测地球深部的“探针”和“窗口”，可以应用于探测深部物质组成、架构，重建板块构造过程中的大洋与大陆演化历史，揭示壳幔相互作用、地球深部高级变质作用和成矿过程等方面。由于岩浆岩分布广泛，可以获得更多的深部信息。因此，除充分利用岩石捕虏体外，还可进一步针对广泛分布的岩浆岩开展多种测试分析，获得岩浆岩岩相学和地球化学数据，探测深部信息，特别是开展区域深部物质分布的示踪、探测，以便与地球物理探测紧密结合。笔者认为，岩石探针方法可以泛指利用岩浆岩及其携带的深源岩石包体或捕虏体，开展多种手段的测试研究获取深部信息的方法；可以理解为广义的岩石探针。而对其集中利用岩浆岩包体或捕虏体，开展研究探索深部物质类型和物化参数特征的方法，可以理解为狭义的岩石探针或岩相学探针，即“包体或捕虏体方法”。岩石探针方法的研究应用主要包括以下两个方面。岩浆岩深源岩石包体或捕虏体是深部岩石样品的直接代表，主要来源于地球深部的火山或岩浆所携带的深部岩石圈碎块，是深部物质等探测的“金钉子”。地幔岩捕虏体及捕虏晶直接带来地幔的物质信息，通过对其中矿物特征及成分、形成温度和压力条件等的深入研究，可以确定岩石圈的厚度、组成、物理化学性质及其长期的演化特征，是示踪地幔物质与物质状态的常用方法，故称之为“以捕虏体为基础的方法”。依据包体或捕虏体来源地幔、地壳等不同深度和物源，可以分别探测地壳和地幔的深部物质组成、物理化学属性等。例如，在一些古老克拉通，利用众多的地幔岩捕虏体探索大陆岩石圈地幔的特性。这方面国内外有大量研究实例。在华北克拉通，利用这类捕虏体结合地球物理反演出深部的结构和状态，取得了很好的效果。在一些造山带，如青藏高原，依据来自下地壳的麻粒岩、斜长角闪质捕虏体，直接确定了下地壳的组成、状态及深度。此外，除上述岩浆期结晶形成的主要矿物和副矿物外，岩浆在形成和上升中还携带有继承性或捕虏来源的矿物，如捕获锆石、继承锆石（核）等。继承锆石直接带来了岩浆源区的信息。捕获锆石较复杂，可以来自岩浆源区，也可以来自岩浆岩围岩。对于深成岩而言，基本可以了解岩体定位层次之下的物质，但对于火山岩而言，不排除来自上地壳及地表围岩的可能。近年来，随着测试手段的不断进步，有学者还开展了区分岩浆锆石、独居石、磷灰石与继承锆石、继承独居石和继承磷灰石等相关信息的深入研究。除了深源岩石捕虏体外，对岩浆岩及其组合开展系统岩相学和岩石成因研究，排除其他因素干扰，也可以推断源区特征，如源区基本的岩石类型或组成等；再结合年代学、地球化学（包括同位素等）和区域地质背景（如流变学、变质作用等）研究，可以示踪岩浆岩的源岩性质与演变，从而示踪地球深部物质特征。一般而言，通过中酸性岩浆岩研究，可以推测下地壳的物质特征，包括可能的岩石类型；通过镁铁质-超镁铁质岩石类型、组合研究，结合深源捕虏体和高压矿物及地球化学示踪，可以示踪地幔（岩石圈或软流圈地幔）组成。随着微区原位测试分析技术的发展与应用，矿物学及其原位地球化学研究可以提供更多的深部信息。很多岩浆岩的造岩矿物和副矿物都含有深部的信息。可见，岩石探针提供了直接窥探深部信息的途径，具有明显的优势。莫宣学（2011）提出，岩石探针至少可以提供以下深部信息：①壳幔物质组成与结构；②壳幔的热结构和热状态；③地壳及岩石圈厚度及其空间变化；④软流圈顶面埋深、温压、物质状态、流体或熔浆含量；⑤壳幔氧化—还原状态；⑥深部流体特征；⑦可以提供壳、幔上述各种性质和参数随时间的变化，从而反演壳幔深部过程，这个优点是其他深部探测方法所不具备的。应用岩石探针方法示踪深部物质和深部过程，前人已取得很好的成果。在中国东部特别是华北克拉通，研究者通过对岩浆岩和深源包体的研究推断出了岩石圈不同深度的深部物质组成及结构信息。近期，郑建平等（2021）依据宽角反射/折射地震剖面约束的NCC地壳结构模型，结合深部地壳捕虏体的系统研究，多维度地限定了华北地块的地壳物理、化学结构特征，揭示了该区地壳精细的物理化学结构，进而探索其形成演化过程。但是，应用岩石探针探测深部物质也有一定的局限性。因为，深源岩石包体或捕虏体在地表出露比较少，其应用受到很大限制。岩浆岩分布广泛，但是，仅依据岩相学研究直接推断深部源区物质分布状态有难度。开展分析测试研究可以获得更多信息，但仅一个点的研究，也具有时间和空间上的局限性。因此，岩石探针的研究应用还需要与其他物质探测技术，如同位素填图、岩浆岩捕获锆石填图及地球物理方法相结合。岩浆岩同位素研究可以示踪源区的某些特征，例如深部物质富集与亏损、地壳物质的新老信息及演化过程。特别是，这方面的研究可以充分利用岩浆岩分布广泛的优势，开展区域性的同位素示踪填图工作，可以了解中下地壳、岩石圈及地幔各类物质目前的时空分布特征。国内外学者开展了这方面的探索。近年来，各类同位素数据（如锆石Hf-O同位素）大量涌现，加之GIS成图技术的进步与推广，国内外出现了很多的依据大量同位素数据，特别是其时空变化特征了解深部物质的分布及物质架构，解决一些重大地质问题。同位素填图形成了有效的、相对独立的研究方法。放射性同位素一般以初始（Primitive）到演化（Evolved）的同位素特征来示踪初始或新生（Juvenile）到改造或再造（Reworked）的地壳特征，或亏损到富集的地幔特征，具有一定的时间和物质演变属性。我们将放射性同位素示踪填图分为两类，一类是全岩放射性同位素的数据分析与填图；另一类是单矿物的方向性同位素的数据分析与填图。全岩Nd同位素填图：全岩Sm-Nd同位素体系是较早应用于岩石地球化学领域相对成熟的方法，可客观反映样品的总体特征，更有利于开展区域同位素填图和对比。利用Nd同位素开展区域变化分析，可以解决很多区域地质地质问题。但应该注意是，其同位素值是多元物质混合的结果，例如，除记录来自源区的信息外，全岩Nd同位素还记录了上升及定位过程中不同岩石圈层次的围岩信息。故往往全岩Nd同位素反映的信息较锆石Hf同位素更富集，且模式年龄偏老。此外，Nd模式年龄的计算还受到计算过程中参数取值等因素影响，有时误差较大。全岩Sr、Pb等多元同位素填图：随着测试技术的提高，很多其他放射性同位素体系得以广泛应用，且矿物原位微区同位素分析得以进一步普及，为开展区域多元同位素填图奠定了基础。例如，全岩Sr同位素应用较早，常常与Nd同位素一起示踪岩浆岩源区的特征。但全岩Sr同位素体系易受到岩浆分异和流体作用的影响，常常出现异常值。近年来，斜长石、磷灰石等矿物原位Sr同位素分析技术的开发，为解决这一问题提供了新的思路。如XuBo et al.（2022）研制了磷灰石的Sr同位素标准物，开展了青藏高原的Sr同位素填图研究（详见后述）。Pb同位素较早应用于区域同位素示踪分析。朱炳泉等（1995，1998）还利用Pb同位素等地球化学区域分析，提出了地球化学激变带，也是区域同位素填图的典范。但受制于严格的实验分析条件（如对实验环境的严苛要求），Pb同位素长期未能广泛应用于物质示踪研究。近年来，随着国内实验室条件的普遍提升，关键区带岩浆岩Pb同位素数据量不断增加，有望开展岩浆岩Pb同位素填图实践。由于大陆地壳中Pb同位素丰度远高于亏损地幔和洋中脊玄武岩，如果古老地壳中加入亏损地幔属性的物质，其Pb同位素不会明显变化；但是反之，会使得地壳中Pb同位素发生显著变化。根据这一特性，Pb同位素体系在示踪年轻地壳为主的区域内零星分布的古老物质方面有望取得较好的效果。例如，在Sr-Nd同位素填图的基础上，徐盛林等（2022）在西准噶尔地区开展了岩浆岩Pb同位素填图，将西准地区分为高值[（206Pb/204Pb）i＞18.30]、中值[（206Pb/204Pb）i=18.00~18.30]、低值[（206Pb/204Pb）i＜18.00]三个Pb同位素省。锆石原位Hf同位素填图：锆石Hf同位素更稳定，能反映锆石不同部位的原位特征，有利于示踪卷入岩浆事件的年轻和古老物源。开展区域锆石Hf同位素填图需注意：①一个样品的Hf同位素值变化极大，需要取代表性数值（如算数平均值、中位数、加权平均值）；②测试锆石或锆石部位及最终数据结果受人为因素影响，常丢失古老的物质信息，这是造成锆石Hf与全岩Nd同位素参数间解耦的原因之一。因此，在同位素填图中，最好将Nd、Hf两者结合起来分析。近年来，岩浆岩锆石Hf同位素数据量呈爆发式增长趋势，Hf同位素填图的实例也日趋增多。在开展区域岩浆岩Hf同位素填图时，一般以样品基本单位，以每个样品中自结晶锆石的平均值/中位数值代表该样品的Hf同位素特征。应该注意的是，在很多样品中，岩浆期自结晶锆石（不包括捕获锆石、后期热事件中同位素重置的锆石等）的Hf同位素可以呈现一个较宽泛的分布范围（可达十余个epsilon单位），且会有少数锆石测点结果显著地偏离主体测试结果。此时，必然涉及两个问题：是否需要剔除异常值?以什么方式判别异常值?这取决于填图或示踪研究的目的。若是区域Hf同位素填图，特别是需要了解岩浆事件主要的物源特征，需要寻找样品代表性的特征值，可以考虑岩石学、地球化学的基本原理，选用箱线图（Boxplot）的方法进行异常值的筛查和剔除。而涉及锆石Hf同位素相关参数的平均值或中位数值时，仅“正常数值范围内”自结晶锆石的相关参数参与计算。若需要示踪了解深部古老物质，则不仅需要特别关注老的继承锆石或捕获锆石，自结晶锆石中“异常点”的影响也不应忽略，以期和Nd等全岩同位素（含有古老物质信息）对比。需要说明的是，此处所指的异常值是统计学意义上的，被标记为异常值的锆石Hf同位素数据，并非没有岩石学和地球化学研究意义。在具体的岩体和火山岩研究中，少数离群值的出现，可能对应某些特殊的深部物质和深部过程，是值得研究的问题。但是在涉及大区域、海量样品的锆石Hf同位素数据时，需要先去除这些统计学意义上的异常值，否则会对样品层面总结的平均值、中位数、均方差等参数施加过大的影响。除岩浆自结晶锆石外，岩浆岩中另一类锆石的Hf同位素信息在实际研究中常被忽略，即岩浆岩中古老的继承/捕获锆石。若需要示踪了解深部古老物质或探索锆石Hf同位素和全岩Nd等同位素体系（含有古老物质信息）的对应关系时，捕获锆石中的同位素信息应予以充分考虑。在区域尺度同位素填图中，还可进一步开展捕获锆石填图（详见后述）。其他单矿物同位素。随着微区原位测试分析技术的发展与应用，矿物学及其原位地球化学研究可以提供更多的深部信息。很多岩浆岩的造岩矿物和副矿物都含有深部的信息。例如，磷灰石作为岩浆岩中常见的副矿物，广泛分布在各类火成岩中，是探究不同体系同位素对标的理想矿物。而且，磷灰石相较于锆石含有更多的微量元素，并且晶格中存在与矿床相关的挥发分元素，如Cl、S；在演化程度较低的岩浆系统中，对岩浆过程非常敏感。因此，磷灰石中的主量和微量元素及Sr-O同位素数据可以对锆石Hf-O同位素信息进行补充。通过建立不同磷灰石Sr-O同位素的标准物质，厘定磷灰石Sr-O同位素和挥发分（如Cl、S）含量的地球化学指标，与锆石Hf-O同位素相结合，可以更好地认识岩石成因和成矿过程。例如，XuBo et al.（2020）通过对多个天然磷灰石样品采用红外-拉曼光谱、X射线衍射、激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）、电子探针（EMPA）、显微X射线荧光光谱（micro-XRF）分析技术及LA-MC-ICP-MS和同步辐射技术（micro-XANES），厘定出不同产地的磷灰石矿物学特征，为探讨天然磷灰石的化学成分、同位素特征和氧化还原状态奠定了基础。通过对特提斯成矿带的含矿斑岩和贫矿岩浆系统内磷灰石的矿物学地球化学研究，揭示碰撞环境下成矿斑岩中磷灰石具有更高的Cl和S含量，指示斑岩体具有较高的成矿潜力。由于Cl和S是成矿流体的重要成分，因此可以揭示挥发分在斑岩系统中迁移和富集的重要过程。结合碰撞斑岩型矿床的87Sr/86Sr同位素特征和模拟计算，对碰撞环境中斑岩系统的挥发分建立了双阶段演化模型，明确了这些挥发分的来源、演化过程及斑岩系统的成矿特征。相对于放射性同位素，O-Li等稳定同位素在示踪地表到地幔的熔/流体与矿物直接的相互作用过程中有着独特的优势。O同位素可以用来鉴别高温或低温条件下水-岩相互作用中再循环陆表组分的贡献。尽管洋壳的不同部位具有不同的O同位素组成，但是具有相似的放射性同位素组成。因此，利用O同位素与放射性同位素（如Hf同位素）的相关性，可以判断俯冲的板片和岩石圈之间的流体作用。原位锆石O同位素是近年来一个新兴的分析手段。相对于其他稳定同位素体系，锆石O同位素具有分析快速的特点，有望广泛应用于区域性同位素填图中。原位锆石O同位素组分主要受地表过程的水-岩相互作用影响。而锆石是一种高温、难熔、化学性质稳定的副矿物，受后期岩浆结晶和变质作用的影响较小，可以很好地保存原始岩浆中锆石的O同位素组分。正常幔源岩浆结晶出来的锆石具有非常一致的δ18O值（5.3‰±0.6‰），该比值受岩浆分异的影响很小，而经历表壳过程的物质，其O同位素值显著增加。因此，O同位素可以用来鉴别高温或低温条件下的水-岩相互作用的含水组分（陆表组分或幔源），对于分析陆表物质（低温/高温下的水岩反应）的贡献具有重要的意义。尤其在一些典型的新生洋内弧背景，所有的物质都具有相似的亏损的Sr-Nd-Hf同位素特征，接近亏损地幔值。这种情况下，传统的放射性Sr-Nd-Hf同位素很难识别岩浆源区组分，尤其是循环的表壳岩组分。最近，有研究者对西准噶尔、东准噶尔等地区的花岗岩开展了锆石O同位素研究。很多碱性花岗岩含有非常高的锆石O同位素值（δ18O＞8‰），表明源区含有大量的表壳岩。通过Hf-O同位素模拟估算，其表壳岩的组分可达50%。在Nd-Hf填图的基础上，尹继元等（待发表）开展了O同位素区域分布研究及O同位素填图，进一步鉴别出经历了地表物质循环的深部物质的时空分布特征。此外，全岩Li-B稳定同位素可以进一步甄别陆表到地幔之间的流体作用（俯冲板片或海水或沉积物），如相对地幔或海水，轻的Li-B同位素指示了岩浆源区陆壳沉积物的加入。因此，可以通过全岩Li-B等稳定同位素剖面研究，进一步揭示俯冲板片相关的沉积物、流体或熔体作用。如O-Li-B-Mg同位素研究表明，沉积物质在不同的地壳深度下对松潘-甘孜造山带准同期（213~198Ma）不同花岗岩类型均具有重要贡献。其中，S型特征花岗岩主要源自中地壳中变沉积物的部分熔融，沉积物贡献最多；其他花岗岩类型的源区均有沉积物的贡献，且主要源自更深层地壳中变沉积物，但相对较少，因而显示I型和A型特征。随着测试技术的提高，一些新兴同位素测试数据也将急剧增长，也可能发展为新的同位素示踪填图技术。1.2.2 多元同位素解耦、示踪的关联性及联合填图同类的同位素具有相同和相似的示踪原理。例如，Sm-Nd和Lu-Hf等都属于放射性同位素。它们都以初始（Primitive）到演化（Evolved）的同位素特征来示踪初始或新生（Juvenile）到改造或再造（Reworked）的地壳特征，或亏损到富集的地幔特征。因此，有可能相互关联，联合示踪。实现多元同位素联合示踪填图，实现需要研究和了解不同放射性同位素体系方法的相关性与解耦性。在实际研究中，不同放射性同位素体系都具有一定的相关性，但也常出现一定程度的解耦现象。Nd-Hf同位素解耦引起的源区示踪不一致，导致不同学者对花岗岩类代表的构造意义的解释存在明显差异，例如阿尔泰和天山等。关于可能导致Nd-Hf同位素发生解耦的成因已有不少研究，可能的因素包括：①矿物效应：锆石（如Vervoort et al.，2000）和石榴子石效应，即部分矿物由于赋存母子体元素的差异，在地质过程的作用下会导致元素异常富集；②地幔交代作用：熔体/流体富轻-中稀土元素（包括Sm、Nd），贫重稀土元素Lu和Hf，对被交代地幔的Sm-Nd同位素体系的影响强于Lu-Hf同位素体系导致Nd-Hf同位素组成解耦和软流圈硅酸盐熔体的层离渗透作用等；③地幔中的大洋沉积物组分再循环作用（Garçon et al.，2013）；④地表风化作用。此外，还可能是因为锆石矿物Hf同位素信息提取不全，即样品岩浆结晶锆石反映的Hf同位素组成，有时可能不（完全）代表其初始岩浆Hf或寄主岩石的Hf同位素特征。由于Nd同位素主要来自于样品全岩组成，而Hf同位素主要来自于单颗粒锆石，且锆石稳定性高，即使在后期高温事件中依然可保持良好的封闭性，在岩浆作用过程中再循环地壳物质的参与将产生大量继承锆石。在实际研究中，需要了解和评估这些可能的解耦成因。笔者对北疆地区的研究显示，阿尔泰志留纪—泥盆纪岩浆岩普遍出现Nd-Hf同位素解耦的现象，但其成因仍存在争议，目前的解释有：可能继承自其源区特征，也可能由于部分熔融过程中特殊的矿物效应导致。而在西准噶尔—西天山地区，Nd-Hf同位素在联合示踪深部物质方面具有较好的一致性和有效性，对应性关系为：长英质岩石εHf（t）锆石=1.0772εNd（t）全岩+5.6916，以及铁镁质岩石的对应关系为：εHf（t）锆石=1.0739εNd（t）全岩+7.3715（图2）。图2 西天山-西准噶尔典型地区长英质岩石（a）和基性岩石（b）全岩Nd同位素与锆石Hf同位素参数的对应关系图解
1.2.2.2 多元同位素体系关系（Nd、Hf等）及联合示踪填图了解一个地区特定的岩石类型不同同位素体系的关联性，可以将多元同位素示踪结果相互校正，互为约束，找到可能联合示踪的依据。例如，可以明确以一种同位素为主，如以εNd（t）=0为基准，判别为年轻和古老物质，其放射性同位素的参数（如锆石Hf同位素）值相应地调整（如εNd（t）=+6）。此外，当数据量有限时，可以用Nd、Hf联合示踪填图，以获得相对客观的物质架构示踪填图结果。在同位素填图中，可以以公认的、更广泛应用的Nd同位素为基础，刻画同位素省的特征。例如，依据中亚造山带的研究，以Nd同位素为特征，可将同位素省分为六类：Ⅰ：极度初始（Highly or extremely primitive，εNd（t）＞+6）、Ⅱ：初始（Primitive；εNd（t）=+6~+4）、Ⅲ：轻微初始（Slightly primitive，+4~0）；Ⅳ：轻微演变（Slightly evolved，εNd（t）=0~-4）、Ⅴ：演变的（Evolved，εNd（t）=-4~-10）、Ⅵ：强烈演变（Highly evolved，εNd（t）＜-10）。对地壳而言，这些同位素省分别示踪和刻画了地壳的类型和特征：非常年轻（Highly juvenile）、年轻（Juvenile）、略微年轻（Slightly juvenile）、略微再造（Slightly reworked）、再造（Reworked）、强烈再造（Highly reworked）。以此为基础，依据其他同位素如Hf同位素与Nd同位素的关系，可以换算参数，共同刻画这些同位素省的特征，如相应的六类同位素省的Hf同位素特征是：Ⅰ：极度初始（Highly or extremely primitive，εHf（t）＞+12）、Ⅱ：初始（Primitive，εHf（t）=+12~+10）、Ⅲ：轻微初始（Slightly primitive，εHf（t）+10~+6）：Ⅳ：轻微演变（Slightly evolved，εHf（t）=+6~+2）、Ⅴ：演变的（Evolved，εHf（t）=+2~-4）、Ⅵ类：强烈演变（Highly evolved，εHf（t）＜-4）。例如，王涛等（2020）对北疆基性岩开展同位素填图，示踪地幔的物质特征及其分布，应用Nd、Hf两种数据（将εNd（t）减小6，位置等同于εNd（t））联合示踪填图，获得了较好的效果（图3）。开展同位素填图时，一是要考虑样品的时间（结晶年龄）；二是要考虑到样品岩石形成的深度范围。应用εNd、εHf参数开始同位素填图的时候，需要确定一定的时限，如针对每个时期的岩浆岩计算这些参数，并开展区域对比分析。同时用于同位素填图的样品年龄区间越小越好，不能将样品形成年龄差异很大的参数结果简单放在一起开展同位素填图。不过，一般而言，较小时间区间（如100~50Ma）内样品年龄的差异对这些参数的影响很有限，如中生代（200~145Ma），可以开展整个中生代岩浆岩的εNd、εHf填图。如有必要，其他时代的岩浆岩可以将样品年龄换算到这个时间，来参与填图，以便利用更多的样品。图3 北疆阿尔泰-西准噶尔-天山全岩Nd、锆石Hf和捕获/继承锆石廊带填图及剖面对比（西准噶尔为年轻地壳，阿尔泰、天山为较古老地壳，与地球物理在30~40km深度的面波Vs探测结果和参数可对比）
资料来源：（a）—42.5km深度面波Vs速度插值结果（据鲍学伟等未发表数据）；（b）—北疆地区Nd同位素填图结果（据王涛等，2022）；（c）—42.5km深度面波Vs速度插值结果生成的剖面；（d）—生成剖面图的岩浆岩全岩Nd同位素；（e）—捕获锆石Hf同位素（据HuangHe et al.，2020及项目组未发表资料）
应用Nd、Hf模式年龄填图的时候，则可以不考虑样品的时限，所有同类岩性的样品均可以用于填图。因为，同一个源区，不管什么时间发生熔融形成岩浆，模式年龄都是一样的。应注意的是，模式年龄误差很大，需要依据与相对应的εNd、εHf参数做相关性分析，将相关性不好的模式年龄排除，挑选出数据质量高、误差小的模式年龄开展填图。此外，开展同位素填图，特别是开展区域分析的时候，要考虑样品的岩性及其可能来源的深度。不能将岩性差别极大的样品，放在一张同位素图上分析。例如，花岗质样品反映的是中下地壳的组成；而基性岩一般反映的是地幔的组成。这两类岩石的同位素参数不能在一张图上分析区域间的差别。总之，开展同位素填图，对比不同区域的深部物质时候，最好用同一期、同一类岩浆岩，这样才具有可比性，以便开展区域分析和对比研究。若样品有限，且判定早期深部物质架构有没有被后期事件大量改造破坏时，可以将不同期次的岩浆岩按统一的一个时期的年龄来计算，回归到同一个时期，获得该年龄范围内的完善参数，可以用于同位素填图和分析对比。目前，区域Nd同位素填图表达方式可分为两类：等值线图和岩体同位素属性填图。同位素等值线图直接依据同位素数值点，应用软件做出等值线图。该方法简便，但存在一定不足。岩体同位素属性图是用同位素参数将岩体属性化，用不同的颜色表达岩体的同位素值，如εNd（t）值图或模式年龄值。这种岩体的同位素图类似传统地质图中的岩浆岩图（差异的色度表征不同的岩体时代），但颜色映射的是岩体不同的同位素属性。在此基础上，可以划分不同的同位素省，并据此划分出地壳省，如在阿尔泰、大兴安岭及邻区等地区开展的花岗岩Nd同位素填图。该方法更客观地反映了实际情况，但需要海量的基础地质信息支撑（如中-大比例尺地质图中各个岩体的大小和分布），且成分变化复杂的岩浆岩Nd同位素值需要取平均值。对于差别过大的同一个岩体，可能需要解体为不同岩体，赋予不同的同位素属性。在实际应用中，需要了解不同同位素填图的方法特点、适用性及在确定三维岩石圈架构中的存在问题。①等值线同位素图简单，但可能将问题简单化，其研究有模式化的趋向。这种方法很大程度上取决于样品数据的多少和分布均匀，数据点不够或不均匀，可能夸大某些样品数值所代表的空间范围，给出的结果不够客观、全面，而且往往忽视了地质背景，如在生成同位素模式年龄等值线时常缺少构造线或构造单元边界约束。因此，仅依赖“数据”容易得出片面的结论。此外，等值线图的统计方法较多（如克里金法、经验贝叶斯法、反距离权重法），每种方法也可设定不同的条件参数，在样品非等间距、非等密度分布时，各种方法产生的等值线图结果略有差异。②不同同位素示踪方法（如全岩Sr-Nd和锆石Lu-Hf同位素）给出的判别参数不一定一致，如常将εNd（t）=0或εHf（t）=0作为判别新生和古老物质的参数，但是，这两个参数是不一致的，在估算的年轻地壳比例差别很大。这就需要了解不同方法的关联性，进行校对。如上文所述，在北疆地区长英质岩石εHf（t）=+6，相当于εNd（t）=0。③在实际应用中，不能将不同同位素研究对象和不同测试方法的结果，简单地进行等值线图对比，会导致解释的不真实性，如一个地区的基性岩同位素数据不能和另一个地区的花岗岩数据一起进行填图分析。④在进行同位素参数分析填图中，不能忽略岩浆岩形成的时间。如前所述，有时由于不同时代岩浆的时间差别不大，不足以影响同位素参数的计算；但有些情况下，时代间隔太长，将同位素参数放在一张图上分析，缺乏合理性。可以考虑研究的具体问题，用统一的时间换算同位素比值。此外，经常遇到的一个问题是岩浆成因复杂性对同位素示踪和填图的影响，如地壳混染、岩浆混合等。同位素示踪和填图结果本身是客观的，关键的问题是如何认识和解释这些结果。例如，中酸性岩石中年轻的（高正εHf和εNd）同位素特征既可能来源于年轻地壳，也可能反映了岩浆混合的结果，单纯地通过同位素值无法区分这两个过程。对于这一问题，一方面，无论是否存在岩浆混合，同位素填图的结果都反映了新生物质的存在，区别在于新生物质是在岩浆事件前就加入到深部源区（源区混合），或是伴随岩浆过程幔源岩浆进入到岩石圈中。另一方面，如需精确解剖岩浆过程，还可以开展其他研究加以识别，如基于岩相学研究判断是否有岩浆混合；利用矿物原位同位素（Sr、O）研究，可以揭示是否有地壳混染等。将岩浆岩同位素填图与矿物原位同位素填图相结合，可以更客地分析应用同位素填图结果。每种方法的优势和不足，如何联合示踪填图，相互作用和约束，总结Nd、Hf等同位素填图方法的优缺点及其相关关系，是需要深入研究的重要问题。区域岩浆岩捕获/继承锆石信息集成（或者说微区信息填图）是探索深部古老物质组成的新思路和有效手段。锆石是一种广泛存在于各类岩浆岩中的副矿物，其物理化学性质稳定，是多种同位素体系理想的测试对象，为研究岩浆事件期次和源区特征等提供了重要依据。锆石U-Pb定年是最成熟和最成功的同位素年代学体系，锆石O氧同位素可以用来鉴别高温或低温条件下水-岩相互作用的含水组分（陆表组分或幔源）的贡献，而锆石Hf同位素很好地指示了岩浆源区和壳幔分异过程。锆石的微量元素可以用来计算其母岩浆的成分特征，约束其氧逸度和形成温压条件。应该注意的是，岩浆岩中除直接在岩浆形成的自结晶锆石外，还存在捕获自岩浆源区、岩浆通道之前岩浆事件或者浅部围岩中的继承或残留锆石及捕虏晶（如pre-magmaticzircons；Miller et al.，2007）。这些捕获/继承锆石的U-Pb年龄明显老于岩浆结晶年龄，因而在岩浆岩年龄计算中不予考虑或常被忽视。但是，越来越多的研究显示，这些捕获/继承锆石能提供揭示“隐藏”在大陆地壳深部的岩浆事件及物质组成的重要信息。由于研究对象和拟解决的科学问题不同，一个或多个样品中发现的明显老于岩浆岩结晶年龄的那些捕获或继承性锆石，多被认为难以准确解释，往往只有U-Pb年龄，缺少微量元素和同位素信息。实际上，通过建立数据库，开展区域性捕获、继承性锆石记录信息的综合集成可以揭示某些隐藏的规律。如笔者依据大量数据的统计分析，特别是给出每个样品的空间位置，开展区域填图。对比这些捕获继承锆石的年龄信息，在某一时间切片内，不同构造单元岩浆事件中的捕获继承锆石年龄（期次）、区域性最古老年龄继承锆石的空间分布和Hf同位素资料的统计分析和集成总结，结合区域其他学科资料，综合分析这些新发现的地质意义。在增生型中阿拉善、阿尔泰等地区，笔者应用该方法统计分析了区域岩浆岩中的捕获、继承锆石记录的信息，示踪了区域新老物质分布的特征，结果与Nd、Hf同位素区域填图结果一致，也与地球物理探测结构结果接近。因而，笔者提出，随着资料的积累，岩浆岩中的捕获/继承锆石信息填图方法，可以作为岩石探针及同位素示踪深部地壳古老物质组成的一个重要补充。该思路和研究方法已在很多研究中被广泛接受，对岩浆岩中识别出的捕获/继承锆石的深入研究很快在更多的地方展开工作。例如，在碰撞型造山带、华北克拉通南部、华南都有新的相关继承锆石信息填图为重大地质问题提供辅助约束的研究实例。这说明，岩浆岩捕获继承锆石微区信息填图是示踪深部物质的有效方法。捕获、继承锆石直接提供了来自深部物质的信息，如年龄信息、物质成分（如Hf、O等同位素）信息。该方法可以解决同位素示踪填图过程中遇到的问题。一些情况下，仅依据Nd-Hf同位素特征变化，很难断定深部物质的构造属性及其边界。例如，在克拉通边界示踪出较年轻的深部物质，其是古老基底改造年轻化的结果?还是增生的较年轻的块体?这些问题仅依赖Nd、Hf等同位素示踪难以解答。而岩浆岩捕获/继承锆石统计分析和填图可以为解决该问题提供直接证据。在一些关键地区，特别是Nd-Hf解耦地区，研究捕获锆石并开展填图更重要。总之，开展不同构造单元重要区带大剖面及关键地区岩浆岩区域（包括廊带）同位素（如全岩Nd、锆石Hf）填图，包括捕虏体、捕获锆石填图，建立相关数据库，可以示踪不同构造单元、不同深度深部物质结构异同，划分大地构造单元，了解不同构造单元深部物质组成特征，结合地球物理探测，建立深部物质组成结构三维模型；结合岩浆岩年代学研究，构建四维物质结构及演化模型。这是实现从地球物理结构探测到岩石地球化学物质探测的重要思路和途径。在数据整理阶段，应认真核对原始出处的数据，如一些文献中捕获/继承锆石只包含于U-Pb年龄测试结果表中，未在谐和图中展示。应详细整理和记录岩浆岩的岩石类型、样品经纬度、测试数据、测试单位、挑选锆石单位、测试方法、测试发表时间，锆石阴极发光/背散射图像结构特征（长宽比、核、幔、边，包裹体、裂隙、环带特征等）、数据处理软件等信息，原始文献对捕获或继承锆石原始数据的解释（锆石成因研究，如推测为捕获围岩或之前岩浆事件、或继承源区等）、有无相应的更多测试数据（如微量原始或Hf、O同位素数据）。这些信息在入库之后，在确定数据准确性、重现性和区域对比分析其地质意义时可发挥重要作用。在数据分析阶段，有时捕获、继承锆石的成因和来源无法判断，在未开展进一步工作的情况下，有时难以直接区分。因而，在区域性集成分析时，要注意依据相关信息数据，先梳理出或大胆假设出两个模型端元，如假设锆石都是继承锆石，其成因反映了岩浆源区的信息（如源区古老物质成分信息）；或者它们均为岩浆上升过程中捕获岩浆通道和围岩中的锆石，代表围岩混染等，反映了深部存在古老基底组分等，然后再小心求证，与其他地质资料结合，相互论证分析，并联系原始资料作者，交流、求证相应的捕获或继承锆石的结构特征及其他相关资料，为解释发现区域上的规律提供依据。在详细的研究过程中，针对聚焦的科学问题，还应适当开展实测，开展重现性验证，并补充新的捕获/继承锆石微区数据，如前人可能缺少的同位素和微量元素等方面的数据，并对寄主岩石开展深入的岩石学研究，为深入研究捕获继承锆石成因和来源，以及与岩浆自结晶锆石信息对比，为揭示深部物质组成特征提供新依据。传统的Sr-Nd-Hf等放射性同位素体系会随时间演化发生变化，在示踪年轻物质来源或者多期次叠加改造地质体的物质来源方面难度较大。相比之下，新兴的Ca、Mg、Fe、Ti、Zn等金属稳定同位素的分馏只受地质过程影响，不受时间演化影响。这一特性使其在深部物质示踪方面具有独特的优势。近年来，Ca、Mg、Fe、Ti、Zn等金属稳定同位素技术得到重视和发展，并应用于岩浆岩物源示踪分析。例如，SunJian et al.（2021）重新建立了精准高效的Ca同位素MC-ICP-MS测试技术，对全球不同地区的代表性火成碳酸岩样品开展了系统的Ca同位素地球化学研究，表明火成碳酸岩可以直接来源于正常的地幔，而不需要地表循环的碳酸盐物质参与。笔者在松潘甘孜三叠纪花岗岩带中，利用Mg、Li、B、Sr、Nd同位素分析，确定了沉积物源在不同类型花岗岩中所起的作用。通过对基性岩或中酸性岩浆岩全岩或单矿物的新兴金属稳定同位素分析测试，可以对岩浆岩源区的性质进行示踪制约。不同于放射性Sr-Nd-Hf同位素，可开展新兴稳定同位素体系的深部物质示踪，在厘定端元储库“参照系”的同位素组成的同时，还需要查明岩浆演化等过程的金属稳定同位素行为。因此，针对新兴同位素体系的深部物质示踪，需要构建专门的理论方法体系。目前，用于源区示踪的端元储库同位素组成“参照系”有待完善，岩浆演化等地质过程的新兴同位素分馏行为有待查明。相较于Sr-Nd-Hf等放射性同位素体系在示踪源区新老物质组分方面的优势，新兴金属稳定同位素体系在深部物质示踪方面的主要功能包括：①示踪深部的再循环地表物质。其基本原理是：地幔物质的Mg、Zn、Ca等同位素组成较均一，而地表碳酸盐物质与地幔物质的金属同位素组成有较大差异，再循环物质的加入会改变地幔物质的金属稳定同位素组成。例如，LiShuguang et al.（2017）和LiuSheng'ao et al.（2016）在中国东部发现大面积的新生代玄武岩Mg、Zn同位素“异常”，指示再循环碳酸盐加入到地幔。②示踪深部源区的氧逸度状态。其基本原理是：变价金属元素（如Fe）的同位素分馏明显受控于氧逸度状态，不同氧逸度条件下部分熔融形成的熔体具有不同价态金属元素的比例（如Fe3+/Fe2+），因而具有不同的金属稳定同位素组成。例如，中国东部的部分碱性玄武岩和部分洋岛玄武岩的Fe同位素组成异常富集铁的重同位素，指示来源于氧逸度较高的源区。③示踪长英质岩浆岩的构造背景属性。其基本原理是：不同构造背景（如地幔柱背景和岛弧背景）的岩浆体系由于性质不同，演化过程铁钛氧化物的结晶顺序不同，引起的Ti同位素分馏程度也不同，导致地幔柱背景和岛弧背景分异演化形成的中酸性岩浆岩Ti同位素组成明显不同。由于新兴同位素在深部物质示踪方面目前仍处于探索阶段，其他功能有待进一步发掘。不同的源区物质来源可能同时导致传统Sr-Nd-Hf同位素和新兴金属稳定同位素的协同变化。例如，Nebel et al.（2019）发现，Pitcairn洋岛玄武岩的Fe同位素和Sr-Nd-Pb同位素有很好的线性关系，认为该玄武岩的源区是两个端元的物质混合。笔者对山西的紫金山岩体开展了初步研究，也发现Fe同位素与Sr-Nd同位素有较好的相关性。部分新兴同位素的分析测试技术仍不成熟，在数据的准确度、精度度及分析效率上需要进一步改进、完善。例如，不同学者对火成碳酸岩的Ca同位素分析数据结果差别很大，直接导致对火成碳酸岩来源认识上的巨大差异。控制稳定同位素变化的因素不仅包括源区的同位素组成，而且岩浆-流体演化过程也可能产生较大的同位素分馏效应。地球物理方法是地球深部探测的最主要和最常用的方法之一，主要包括重（重力）、磁（航磁、区域高精度重磁等）、电（激发极化、频谱激电、大地电磁）、震（天然地震层析成像、接收函数成像等；人工源地震的深地震反射、宽角反射/折射地震等）。这些方法可以获得地球深部的物理性质和有关物性参数。利用人工地震和天然地震，为地球做“CT”是地球岩石圈深部探测的主要手段，目前已有长期的研究和成熟的技术。地震方法可以获取深部物质（如大陆岩石圈地幔）的密度和弹性性质在水平和垂向方向上的差异；可以构建现今岩石圈的大范围物理结构（如速度、厚度）等模型。近年来，噪声成像技术是最具革命性的地震成像技术，特别适合探测地壳上地幔顶部精细波速结构。与传统地震成像方法相比，背景噪声成像方法具有以下优点：①场源丰富，不依赖于震源位置和震源机制信息，背景噪声场无处不在、无时不有；②拥有大量的空间采样方向；③分辨率高，横向分辨率主要依赖于台站密度，地震台网密集区域，成像结果具有较高分辨能力，从而可以通过提升台站分布密度来提高成像质量；④能够约束浅部速度结构，当噪声传播路径较短时，可以提取短周期（＜20s）的面波及体波信号，对浅层结构具有更好的垂向分辨能力。最新噪声面波成像显示，准噶尔盆地中下地壳横波速度为高速异常，反映其基底铁镁质成分较高，可能为洋壳性质。深部电导率主要受流体、熔体及电导率高的矿物（如金云母等）控制，而流体、熔体等的产生与构造演化及变形过程的关系十分密切。大地电磁成像通过揭示深部电导率异常，可以为研究区域地质演化及构造变形过程提供较好的约束。例如，前人在西准噶尔进行了三维大地电磁成像，发现120~220km深度范围存在一北东向的地幔高导体，主要由金云母等矿物导致，该高导体可能指示了该区在古生代大洋俯冲和大陆增生过程中残留的大洋板块。航磁指通过观测由岩石、矿体等探测对象的磁性差异而引起的磁异常特征，对探测区的磁性物质分布规律、地质构造等开展研究的一种探测方法。结合地质、岩矿石磁性资料，根据观测的磁异常特征判断引起磁异常的地质体性质，确定其空间展布特征，圈定断裂构造和侵入岩体，推测地质构造特征。例如，区域航磁图显示，准噶尔盆地具有高的磁异常，这一特征也支持其深部基底为洋壳的认识。重力测量是利用组成地壳的各种地层、岩体、矿体的密度差异引起的重力变化而进行探测的一种地球物理方法。通过对重力数据进行校正和处理，消除各类误差，从叠加场中分离或突出目标地质体的异常场，使隐含在数据中的有用信息更易于被识别、比较，以及用于定性和定量解释。通过重力探测方法可以推断地区不同级别和规模的地质构造、划分构造单元，追索、圈定与围岩有明显差异的隐伏、半隐伏岩体或岩层，探测覆盖区基岩地质、沉积岩系各密度界面的起伏及沉积盆地范围，研究深大断裂的展布及火山结构，研究地壳、上地幔结构及地壳厚度变化。例如，准噶尔盆地具有相对高的重力异常，这一特征与其深部基底为高密度的铁镁质洋壳较一致。此外，重力和地形的综合建模常用于揭示不同岩石圈弹性厚度的变化。地球物理学家利用地震探测等方法，构建现今深部地壳的大范围物理结构（如速度、厚度）等模型，但空间分辨率通常较低，且难以对特定地点/小尺度的地壳结构进行高精度的约束。1.5.2.1 与实验模拟方法结合反演深部物质性质这是最常用的研究应用。以往开展的不同尺度（岩石圈、造山带、区域）三维地质研究都是应用的这种方法。不同类型岩石的高温高压实验可以获取其密度、地震波速、泊松比、弹性模量等物性参数。但不同岩性的地震波速、密度等物性参数常存在一定程度的重叠，同时岩石的物理性质受到岩石矿物、化学组成及其所处深度和温度的影响，导致岩性识别困难。因此，这些参数与地球物理探测获取的物性参数融合是反演岩石圈架构的理想途径。首先，通过地震波速、密度、热流、拉梅系数的物理参数的递进式分析，发现反演岩石组成的不确定性逐步降低，不同岩性的特征逐渐得到区分。在弹性力学中，拉梅第一常数λ和拉梅第二常数μ是应变-应力关系中出现的两个与物质组成性质相关的参数，其中拉梅第一常数λ没有对应的物理意义，但其对岩石性质的区分度较高。而当拉梅系数乘以密度时，不同岩性之间存在明显的区分度，可以作为识别岩性的重要依据。如杨立强等在胶东开展了很好地探索研究。综合利用波速、密度、热流等多种物性参数递进式约束岩石组成模型，对岩石物理实验结果进行温压校正，实现与地球物理探测的与岩石组成原位对标，为探索岩石圈组成架构提供新的思路与探索。1.5.2.2 与同位素填图等的对应关系及联合示踪由于同位素填图等深部物质示踪广泛开展，其结果与地球物理探测结果的对比研究成为新的探索方向。笔者在中亚北疆、青藏高原西南三江、扬子克拉通等地区，初步开展了岩石探针+多元同位素填图等多种地球物理探测结果对比研究，显示了很好的对应关系。在北疆，Nd、Hf同位素、岩浆捕获锆石等多元同位素填图揭示的年轻地壳区域，特别是在西准噶尔，显示最年轻的区域。鲍学伟等从200多个地震震台站数据获得高精度面波Vsv速度模型，包括不同深度切片的模型。研究结果显示，在30~40km的模型与同位素填图揭示的物质分布型式一致，参数具有很好正相关关系，在西准噶尔地区显示为高速特征（最高值），对应岩浆岩揭示的30~40km的源区（原来岩浆源区为40~50km，目前岩体抬升剥蚀了约7km）（图3）。这就找到了两种方法直接对比的同一个目标地质体。两种方法解释的物质属性也一致，即同位素填图和岩石探针解释为年轻的基性岩；Vsv揭示为镁铁质岩石为主的物质。除地球物理揭示的西准地壳高速特征外，该地区还具有高的电导率（高导体）、高的航磁异常（高磁）和高的布格重力异常，共同指示了基性岩下地壳-亏损的年轻上地幔。因此，联合反演30~40km的深度为年轻的基性下地壳。具体的对应参数见图3。需要强调的是，这是少有的同一个深部、同一个圈层物质（下地壳）同位素填图等物质探测与地球物理探测直接对标（而不是不定深部的间接对标）的研究实例。在北疆地区，综合上述研究，初步鉴别出以下几种地壳物质类型：①年轻洋内弧物质+残留洋壳/新生底侵下地壳：该类物质主要分布在西准噶尔，具有高面波Vs，中高航磁异常、高布格重力异常；εHf（t）＞=+10，εNd（t）＞+4；岩石类型上主要为镁铁质—超镁铁质斜长角闪岩-榴辉岩。②微陆块中的古老基底：该类物质集中分布在伊犁地块南北两侧，具有中等面波Vs，低航磁异常、低布格重力异常；εHf（t）＜+5，εNd（t）＜0；岩石成分上主要为闪长质-花岗质片麻岩。③微陆块内部再活化的年轻物质：该类物质集中分布在伊犁地块中部阿吾拉勒山—乌孙山一带，具有中高Vsv，强高航磁异常、中高布格重力异常；εHf（t）＞+5，εNd（t）＞0；岩石成分上为镁铁质-超镁铁质。④变质沉积岩+变火成岩：该类物质集中分布在中国阿尔泰山，具有中等Vsv，中等航磁异常、中低布格重力异常；εHf（t）=0~+5；εNd（t）=-4~+4；岩石成分上主要为闪长质-长英质片麻岩。在拉萨地块，侯增谦等（2020）提出，拉萨地体的深反射地震剖面揭示的20km界面之下的中下地壳发育三个不同的反射区，即与南拉萨地体对应的透明弱反射区、与中萨拉地体对应的北倾弧形反射区、与北拉萨地体对应的伴有局部近水平的弱反射区。三者分别对应中酸性岩浆岩Hf同位素填图揭示的新生地壳块、中拉萨古老地壳块和北萨拉新生地壳块（图7a；Hou Zengqian et al.，2015）。这也是同一个深部的同一个圈层物质即下地壳的对应关系。在三江地区，Hf同位素填图结果与地球物理Vs成像结果具有很好对应：中酸性岩石的εHf＞0的区域，与地幔负Vs异常、Mg#≈89，共同约束年轻岩石圈地幔；εHf＜0区域，对应正Vs异常、Mg#＞89区域，揭示古老岩石圈。这是一种间接的对应。可以解释为中新生代软流圈物质（岩浆-热流）上涌，形成较为热的岩石圈地幔（负Vs），地幔物质（岩浆）上涌导致下地壳的年轻化。在冈底斯带，也具有这种对应关系。综上，笔者提出应用地球物理探测和物质探测结合揭示深部物质属性可以总结为两个途径。一类是传统常用的，即首先通过对比地球物理手段获取的物性参数与地表出露的来自深部的岩石（捕虏体）实测的参数或实验模拟的参数，寻找对应性，从而以地球物理手段推测深部的岩石物性甚至物质性质，包括岩石类型等。这是以往应用地球物理和岩石探针结合探索深部物质属性的常用方法。该思路可应用于不同的尺度，大到岩石圈尺度，小到矿区的三维地质填图。例如，在华北克拉通、秦岭-大别造山带、青藏高原等关键地区都获得到了深部地壳、地幔结构。杨立强等还进一步探索了该方向研究新的思路和方法。以上的方法需要依赖岩石物理实验结果或需要地表直接获得深部的样品（地幔包体、下地壳包体等）。但是，在很多地区，特别是造山带，很难获得直接样品信息和实验模拟资料。而岩石探针和同位素填图可以从物质示踪和填图的角度获得深部物质信息。这些资料如何与地球物理结合，是一个新的值得探索的问题和方向。笔者初步研究显示，岩石探针和同位素填图结果与地球物理探测结果有很好的对应性。笔者总结为两类对应性。一类是直接对应，即中酸性侵入岩（主要来自地壳）同位素填图示踪的深度是目前30~40km，即岩浆起源深度（一般40~50km）-岩浆定位深度。而地球物理手段（如面波、航磁）反演的大约这个深部的结果就属于直接对应关系。另一类是间接对应，即中酸性侵入岩（主要来自地壳）同位素填图示踪的下地壳结果与地球物理探测的地幔-软流圈结果对应。例如，在青藏高原和三江，Hf同位素填图揭示的年轻地壳区域对应地震速度低速区，是软流圈物质上涌与地幔熔融导致下地壳熔融及其新生地壳形成。岩石部分熔融实验及其模拟计算是深入了解不同同位素体系间关系及是否解耦的重要途径，也是地球化学等物质示踪与地球物理示踪对标的桥梁。具体而言，一是开展直接的部分熔融实验，针对放射性同位素和稳定同位素，分别通过实测微量元素分配系数和同位素组成获取相关同位素分馏系数；二是建立基于部分熔融实验的数据库，利用已有的相平衡关系和微量元素数据，针对放射性同位素体系开展模拟计算。针对具体的地质样品开展直接的部分熔融实验来实测同位素的不平衡和分馏，无疑是最直接的观察手段，将为构建深部物质示踪理论方法体系提供有利支撑。然而，由于放射性同位素的特殊性，在实验的时间尺度内不会出现明显的同位素分馏，因此主要通过测定不同残留矿物-熔体之间相关元素（如Rb/Sr、Sm/Nd和Lu/Hf）的分配系数来预测熔体未来的放射性同位素比值的变化。然而，近年来新兴的稳定同位素体系的分馏行为是可以实验测定的。例如，通过实验，可以模拟Fe同位素平衡分馏行为——选取洋中脊玄武岩（MORB）作为初始成分，利用立式筒式炉合成玄武岩玻璃和对应的金属线圈，并控制实验的fO2条件和监测实时fO2变化。利用MC-ICP-MS分别测定实验产物中硅酸盐玻璃和金属线圈的Fe同位素组成，通过数据拟合可以获得硅酸盐熔体中Fe3+和Fe2+之间的Fe同位素平衡分馏系数。该分馏系数有助于厘清地幔部分熔融过程中的Fe同位素分馏行为，进一步构建地幔橄榄岩源区和演化的铁同位素示踪体系，为示踪地幔岩浆运移提供了新思路。针对放射性同位素体系，考虑到实验研究的局限性和已发表的大量实验数据，笔者建立了实验测定的各类岩浆体系的矿物-熔体元素（主要是Sm/Nd和Lu/Hf）分配系数数据库，用来预测部分熔融过程中放射性同位素行为。具体来说，岩石圈内岩石发生部分熔融的过程中，由于熔体的快速形成和抽取，与残余矿物间扩散速度相对缓慢，往往造成熔体与残余体间难以达到化学和同位素平衡。部分熔融的源岩往往具有同位素不均一性，这是由于岩石形成时各个矿物相的Rb/Sr、Sm/Nd、Lu/Hf等同位素母子体初始比值不同，在源岩形成到部分熔融这段时间内，不同矿物相会演化出不同的同位素组成。同位素组成不均一的源岩部分熔融时，如果参与部分熔融反应的各反应物之间的比例与源岩各矿物相之间的比例不同（即非实比熔融），就会形成同位素组成与源岩迥异的熔体和残余体。因此，即使是同一源岩，当发生多阶段部分熔融（熔融反应不同）时，不同阶段的熔体携带残余体的相互混合，同样会造成花岗岩岩体中同位素的解耦现象。通过汇总目前国内外的相关实验数据，建立数据库，可以通过数值建模来预测放射性同位素的系统性变化。这种方法有望揭示Nd、Hf同位素深部物质架构示踪结果与参数的关联性。未来可以以该数据库为基础，分别在增生造山带、碰撞造山带和克拉通三种环境下进行实际测试应用，并补充相关实验，为查明不同同位素体系间直接的关联性，以及与地球物理观察结果的对应性提供依据。特别是对于已知矿物组成的岩石及其所处的物理化学条件（或高温高压实验的产物），可以计算其波速及变化量。对于只知道全岩成分的岩石，可以采用PerpleX、pMelt、GeoPS等热力学软件对其组成展开计算模拟，获取源区岩石成分和熔融比例后，进一步计算其地球物理参数。由以上分析可以看出，深部物质示踪，特别是大区域的同位素填图、地球物理探测、实验模拟计算等都是建立在巨量的数据基础上，加之不同学科多维的数据分析和集成，需要统一的分析平台。因此，在大数据时代，建立各个学科数据库及其集成分析特别是智能化分析平台至关重要。建立数据库，实现数据共享，并搭建智能化分析平台是今后实现多尺度岩石圈三维物质架构分析的必要途径。笔者在前期需求分析的基础上，开展了数据库概念模型设计，利用Powerdesigner16.5绘制多元同位素数据库概念模型（即E-R图），确定了数据库实体、数据集项、实体之间的关系及实体之间的集成关系。利用Powerdesigner提供的转换工具，依照E-R图，按选定的关系数据模型转换成对应的逻辑模型。在完成数据库逻辑模型的基础上，利用Powerdesigner转换工具，选定使用的数据库（MySQL8.0）自动生成物理模型。经过上述三个步骤之间的依次迭代完善，构建较成熟的数据库物理模型，确定所有的表和列，定义外键用于确定表之间的关系，最终实现数据在数据库中的存放。基于开源的Djangoweb框架及bootstrap响应式页面布局工具，开发了项目数据共享平台。数据查询页面使用高德地图JavaScriptAPI2.0，初步实现了数据的框选查询（包括矩形、多边形、圆形）、显示数据点聚合、数据保存下载（Excel格式）等功能。同时，平台集成了开源Dtale可视化库，初步搭建了在线数据可视化应用，目前实现了基本功能，个性化需求还需要通过代码裁剪定制完成。D-Tale存储数据使用了全局变量，通常是最优的，数据在内存中不需要任何序列化/反序列化。但将D-Tale部署在多用户处理请求的web服务器上时，每个用户都有一个单独的python进程和一组单独的全局变量，需要用户配置Redis或者Shelve解决数据存储和全局状态问题。笔者尝试开展了北疆地球物理、地质和地球化学数据的集成分析。地震数据包括4列13020行数据；地球化学数据集包括主量、微量和同位素地球化学。参与分析的数据有105列912行。为了将地震数据和地球化学数据融合，首先对地震数据集进行数学插值，为地球化学数据集增加深度为10km和17.5km对应的速度值两个数据列。在新生成的地球化学数据集上，进行模型训练，分类目标（Target）为构造单元，特征值（Feature）包括2列地震数据速度值及其他地球化学元素、年龄等数据的61列，训练的模型构造单元识别准确率为95%。笔者还进一步发现地震数据速度值对构造单元预测结果有较大影响，具体如何解释还需要收集更多数据做进一步分析。这些初步分析结果显示，不同学科数据集中在同一个时空范围内，有望从不同学科、多种类型数据集成分析，获得更客观的认识。笔者选取大陆岩石圈典型的三个大地构造单元，即中亚增生造山带（北疆）、青藏高原碰撞造山带（拉萨地块）和华北克拉通（破坏区、稳定区），开展了上述方法体系的初步应用，很好地联合反演和揭示了这些地区的三维岩石圈架构。2.1 中亚增生造山带地区（北疆）三维岩石圈深部物质架构应用上述深部物质架构的示踪方法体系，特别是区域多元同位素填图，揭示了北疆复杂的深部物质组成架构。阿尔泰深部物质组成具有中部较老、南侧较新的结构。西准噶尔深部地壳物质也以新生地壳组成为主（Nd模式年龄为TDM2为0.92~0.13Ga；Hf模式年龄为TDM2为0.92~0.26Ga）。在地壳生长方式上，阿尔泰造山带以陆壳水平生长为主，而准噶尔造山带以垂向生长为主。在构造划分依据上，额尔齐斯断裂带应为阿尔泰与准噶尔块体的构造单元分界线。在新疆西天山及邻区，Hf同位素填图揭示了同一微陆块内部复杂的新老地壳分布，以及周期性的地壳生长/再循环模式。在伊犁地块南北缘靠近缝合带的区域，分布有古老地壳，其Hf模式年龄为1.4~1.0Ga。而在块体中心阿吾拉勒山一带，大量发育年轻地壳，Hf模式年龄普遍低于1.0Ga，局部低至0.6Ga。从时间演化的角度，现有资料显示，伊犁地块北缘的岛弧岩浆作用在~350Ma发生了从向陆迁移到向洋迁移的转换，即大洋俯冲（北天山洋）的方式从前进型俯冲转换为后撤型俯冲，且350Ma至石炭纪末期的板片回卷/后撤伴随着显著的上覆岩石圈伸展、弧后盆地发育。在伊犁地块南缘，岩浆岩时空分布模式记录了在~420Ma和~350Ma两次古洋盆（南天山洋）俯冲方式从前进型到后撤型的转换，且泥盆纪末期—早石炭世的板片后撤同样导致弧后盆地的发育。在北疆增生造山带应用多元同位素填图，全岩Nd和锆石Hf同位素体系得到了较一致的示踪结果（见前文1.2.2节，图2）。且同位素填图示踪的物质架构，与多种地球物理手段示踪的岩石圈物性结构与参数有着良好的对应关系（见前文1.5节，图4）。这进一步证实了同位素填图、地球物理探测等多种手段联合示踪岩石圈深部物质架构，在增生造山带具有一致性和有效性。图4 深部物质架构示踪方法体系联合反演的北疆岩石圈三维物质架构2.1.2 揭示覆盖区、盆地基底属性：以准噶尔盆地为例准噶尔基底的性质一直存在争议。近期，G.Begg等国外研究者认为，准噶尔盆地基底为太古宙古老基底。笔者应用本文提出的方法体系对该区深部物质进行了联合示踪。东、西准噶尔（盆地两侧的造山带）岩浆岩Nd、Hf、Sr同位素填图和捕获锆石信息填图均未发现该区存在古老基底的信息。前已述及，基于200多个地震台站数据的面波数据，同样揭示30~40km的深度为一高速体。在西准噶尔地区，30~40km深度上面波示踪的结果与同位素填图示踪的年轻地壳在空间上高度耦合（图3）。基于搜集的地球物理资料，准噶尔盆地基本上都是强磁异常和重力高异常区，且在不同深度延拓的磁异常图和重力异常图（图5）上，准噶尔盆地的磁异常和重力异常特征基本变化很小。综上所述，推测准噶尔盆地基底很可能为具高重、高磁特性的蛇绿混杂岩所组成。此外，准噶尔盆地地壳厚度基本上在40km左右，甚至更小（图5）。综上所述，应用多元同位素填图和多种地球物理方法联合示踪，结果一致揭示，准噶尔基底是由年轻的基性下地壳组成，而未示踪出大量的古老的基底。图5 新疆准噶尔—天山地区航磁、重力布格异常图及向上延拓图以及莫霍面深度图
（a）~（c）—分别为延拓高度为5、30、50km的航磁异常图；（d）~（f）—分别为延拓高度为5、40、60km的重力布格异常图；（g）—莫霍面深度图
同时，笔者在盆地钻孔样品收集的Nd同位素也与造山带一致，佐证了盆地基底为年轻地壳，而不是古老物质。因此，这个实例也为解决覆盖区（盆地）基底的问题提供了技术方法。2.2 青藏高原碰撞造山带（冈底斯-三江）三维岩石圈物质架构在青藏高原东部的云南“三江”地区，锆石Hf同位素填图、幔源基性岩全岩地球化学成分、地球物理Vs成像和热化学模拟的联合示踪，揭示出古老与年轻地幔岩石圈水平并置的架构特征。具有低εHf（t）值的前寒武纪岩石圈主要分布于腾冲-保山地体（εHf（t）=-7.2，tDMc=1624Ma）、中咱-印度地体（εHf（t）=-11.5，tDMc=1979Ma）以及中缅马苏地体（εHf（t）=-9.7，tDMc=1861Ma），并显示出更高的地幔Mg#值（大于91）和地震波波速（VS正异常）。以高εHf（t）值为特征的年轻岩石圈则分布于金沙江-哀牢山缝合带附近的东羌塘-思茅地体（εHf（t）=-0.4，tDMc=1229Ma），云南西部的碱性杂岩带（εHf（t）=+0.5，tDMc=1083Ma），以及冕宁-德昌的碳酸岩-碱性杂岩带（εHf（t）=-0.3，tDMc=1150Ma）。这些地区的岩石圈地幔Mg#≈89，同时具有更高的温度、熔融程度，以及更低的地震波波速（Vs负异常）。这些资料表明，中新生代软流圈物质的上涌，改造了上覆三江地区的岩石圈结构，形成了古老与年轻物质并置的架构特征。此外，年轻岩石圈的分布范围与新生代斑岩Cu-Mo-Au和与碳酸岩相关的稀土矿床的分布相吻合，证明岩石圈深部物质组成结构的探测对矿产勘探具有重要的指导意义。穿越青藏高原南部的深反射地震探测精细地揭示了拉萨地体地壳的结构，其结果与岩浆岩锆石Hf同位素填图有着很好的对应关系。锆石Hf同位素填图揭示出的以年轻地壳物质为主的南拉萨地体与透明弱反射区对应，古老的中拉萨地体则与北倾弧形反射区，而年轻的北拉萨地体亦对应的伴有局部近水平的弱反射区（图6、图7），揭示出三个亚地体之间为逆冲叠覆的空间关系。结合区域岩浆岩的岩石学研究可知，北拉萨地体的新生地壳通常被认为与中生代班公湖-怒江洋双向俯冲引起的大规模弧岩浆作用密切相关，因此该地体的逆冲叠置可能发生自新生代的印亚大陆碰撞以来；而南拉萨地体的新生地壳则由新特提斯洋俯冲阶段和印亚大陆同碰撞阶段的幔源岩浆持续注入而成，表明其逆冲叠覆可能发生于之后的晚碰撞期。图6 深部物质架构示踪方法体系联合反演的青藏高原岩石圈三维物质架构图7 拉萨地体Hf同位素填图结果（a）与基于反射深地震资料的综合地质解释（b）
华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一，在地表和深部都存在大于3.8Ga的地壳物质。其广泛出露的前寒武纪变质基底是探索克拉通深部物质组成架构及壳-幔物质循环至关重要的研究对象。通过对华北克拉通中部恒山杂岩体的一系列太古宙—古元古代石榴子石基性麻粒岩、斜长角闪岩及围岩TTG片麻岩开展全岩主量、微量元素、矿物化学和锆石U-Pb-Hf同位素研究，可以约束华北克拉通古老变质基底的变质历史、重建中-下地壳结构。地壳结构从上至下依次为：中地壳（约19km）的片麻质岩石，下地壳上部（约19~24km）的角闪岩相岩石，下地壳中部（约24~27km）二辉麻粒岩和下部（约46km）的石榴子石基性麻粒岩（图8）。层状地壳受到古元古代热事件的强烈改造，同时显示随着深度的增加，地壳愈加年轻，而成分更亏损的趋势。这种趋势在华北克拉通北缘、南缘及东缘等地区都有所展现。图8 华北克拉通恒山地区地壳结构组成模型图
与全球古老克拉通相比，华北克拉通遭受了最明显的破坏，这与华北克拉通所处的构造位置和周边板块的多期俯冲密不可分。晚中生代古太平洋俯冲板块的回转、海沟后撤引起的大陆岩石圈强烈伸展是华北克拉通岩石圈巨厚减薄的主导因素。因此，有效识别周缘多向俯冲对克拉通岩石圈改造的时空-物质组成架构是揭示破坏区岩石圈组成架构的关键。课题组选择处于华北克拉通破坏区的胶东半岛开展了Sr-Nd-Hf-O-Pb多元同位素填图。以中酸性岩代表地壳，基性岩代表地幔，开展了不同深源岩浆岩的Nd-Hf同位素填图（图9）。研究结果显示，胶东半岛地壳与地幔整体耦合，但是在胶莱盆地局部出现壳-幔同位素的解耦，这可能与其强烈的幔源岩浆底侵改造有关，显示胶莱盆地可能受到更强烈的破坏作用。而中酸性岩浆岩的Sr-Nd-Hf-O-Pb多元同位素填图（图9）结果显示，胶莱盆地相对于胶北隆起与苏鲁造山带有更多的新生地壳物质组成，显示了不均一的地壳组成；锆石Hf-O与全岩Nd-Pb同位素结果基本一致。而胶东半岛地球物理反演获取的岩石圈物质架构显示，胶北隆起和胶莱盆地总体具有克拉通岩石圈层块特征，中地壳之下被强烈改造；胶北隆起中-下地壳显示的低速体可能与胶西北中生代大规模岩浆-热液-金成矿事件有关；而苏鲁造山带相对胶北隆起和胶莱盆地，岩石圈结构更复杂，显示被强烈改造的古老造山带物质组成架构。这与同位素填图的结果具有很好的对应性，揭示了同位素填图与地球物理探测对于探测岩石圈架构的潜力。图9 基于深部物质架构示踪方法体系联合反演胶东半岛岩石圈三维物质架构
长期以来，深部探测主要依赖地球物理和钻探而缺少岩石圈深部物质探测和研究技术方法。对深部物质的了解主要通过两种途径：①地球物理推测方法，即依据地表出露的来自深部的某些岩石物理参数（包括温压条件和年龄信息），对比地球物理深部探测结果，解释或推测深部相应参数的物质特征。这是最常见的方法，如不同比例尺的三维地质填图。②捕虏体方法，即利用岩浆岩深源岩石捕虏体，结合地球物理（地震、大地电磁等），开展岩石圈深部探测，即3D、4D岩石圈填图。除此之外，笔者重点探索第三种途径，即充分利用地表出露的来自不同深部的岩浆岩，排除其他因素，通过岩石探针和同位素填图，示踪深部物源（物质）特征，特别是通过填图，由点到面，了解深部物质在横向上（水平）、纵向上（垂向）的分布特征，即三维物质架构，甚至四维演变。在此基础上，综合上述三种途径，总结、构建较完整的一套以岩石探针和同位素填图为核心的揭示岩石圈三维物质组成架构的方法体系。这为加强深部研究中的物质探测提供了思路和技术方法。该方法体系的构建取得了初步成效。例如，总结出多元同位素填图的关联性；不同地区、不同岩石类型的Nd、Hf同位素显示正相关关系。这些研究结果，一方面证实了多元同位素体系在探测深部物质方面的结果具有一致性和有效性；另一方面，也显示多元同位素填图的结果可以相互校正、互相标定，开展联合示踪填图。同位素填图结果与地球物理探测结果具有很好的对应性，在局部地区还总结出同位素参数和地球物理参数之间半定量的对应关系。而实验模拟也为了解不同同位素体系的关联性和与地球物理结果的对应性提供了理论依据。该方法体系在应用方面也取得一些重要成果。例如，中亚增生造山带、青藏高原碰撞造山带和华北-扬子克拉通等地区的研究结果显示，通过岩石探针和Sr、Nd、Hf、Pb等多元同位素填图，能很好地揭示这些地区的岩石圈深部物质组成架构。同时，还能解决一些重大问题。例如，准噶尔盆地基底为年轻基性下地壳（或洋壳为主），为年轻的增生造山带。青藏高原的多元同位素填图与多种方法地球物理探测进一步证实，印度板块俯冲及板片撕裂是导致巨型斑岩成矿带发育的驱动力。上述研究显示，区域岩浆岩同位素填图与地球物理等技术的结合在探索深部物质架构方面具有巨大潜力，岩石探针及多元同位素填图与地球物理和实验模拟等方法的结合，有望建立深部物质探测技术方法体系，这将有助于全面开展和推动深部探测与深部物质与演变及其动力学研究，其是今后深地重要探索方向。致谢：谨以此文祝贺中国地质学会成立一百周年。感谢莫宣学、金振民、高锐、吴福元、杨经绥、徐义刚、张宏福、李献华、肖文交、邓军院士及董树文、韩宝福、吕庆田教授（研究员）的指导和有益讨论。匿名审稿人为本文修改提出了宝贵意见。本文写作过程中和文言、高雪、王偲瑞、吴欢欢、潘蓓蓓、李海舟等提供了相关协助，在此一并致谢。原文来源：王涛，黄河，杨立强，等.揭示三维岩石圈物质架构的技术方法体系框架[J].地质学报，2022，96(10)：3589-3618.DOI：10.3969/j.issn.0001-5717.2022.10.018.
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