化学地球动力学：研究地球动力学的化学方法

化学地球动力学是20世纪80年代兴起的深部地球科学交叉学科，旨在认识和理解地球化学储库通量与层圈相互作用，以及它们的形成和演化与板块构造和地幔对流之间的时空关系。有关理论框架包括“地幔分异与混合”、“地壳生长速率”、“地幔不均一性”和“地球箱式模型”等关键要素，其中包括基于多同位素体系识别地幔端元组分并揭示同位素异常的区域性分布。经典框架将地球划分为若干储库，通过质量平衡方程描述储库之间的物质交换。这一框架假设储库内部成分是均一的，储库之间的边界是清晰的。实际上，地球化学储库本身就是动态演化的产物——地幔不均一性不仅由少数几个“端元”混合而成，而且由连续的地幔对流和物质循环过程产生的“连续谱”。 因此，化学地球动力学在认识和理解地球内部层圈相互作用时，从静态的“储库”描述转向动态的“过程”模拟。回顾化学地球动力学发展的历程，可见这一新兴学科是以放射成因同位素体系为‘格架’，以微量元素与稳定同位素体系相结合的分析观察为‘填充’，以技术方法和理论模型的发展为突破，以及研究思路的综合性与多样化，将地球层圈物质循环推向深部地球系统科学的发展阶段。本文以六篇经典论文为基础，系统梳理化学地球动力学的发展脉络、核心概念和主要成就，并根据进入21世纪的研究进展指出其中存在的问题。审视这些里程碑式的工作，可见化学地球动力学已从定性描述发展为定量模拟的动力地球化学、从寻找理想化的端元储库转向描述非线性的、多尺度的对流混合过程，为理解地球45亿年的演化历史提供了统一的理论框架。