1. 地幔改造与壳幔物质循环
地壳和上地幔是人们最可能直接观察且直接影响人类生存的固体地球圈层，壳幔相互作用是地球动力学研究的永恒主题之一。本研究团队瞄准国际前沿，以华北克拉通及其相邻造山带为研究基地，通过多学科交叉和广泛国际合作，围绕地幔改造与壳幔物质循环团队目前开展了以下几方面研究：

1.1 岩石圈地幔改造和演化
克拉通经过高度部分熔融造成金属元素的亏损，不利于后期矿床的形成。但是稳定的克拉通形成之后，它持续受到地幔熔体或俯冲组分的影响，使金属和挥发分再富集，为后期成矿提供有力条件。华北克拉通形成了举世瞩目的中生代巨型金矿床，可能与交代富集地幔密切相关。华北克拉通受到古亚洲洋、扬子大陆俯冲和古太平洋俯冲等多期过程的复杂影响，认识俯冲组分如何影响华北克拉通地幔金属元素是关键环节。该方向主要从建立金等成矿元素含量分析方法出发，研究华北克拉通形成演化对中生代金成矿作用的影响。

1.2 壳幔物质循环及其资源环境响应
俯冲带是地表碳返回地幔的唯一通道，地表碳以碳酸盐化玄武岩，碳酸盐岩和碳酸盐化泥岩为载体被俯冲板片携带进入地幔。团队在兴蒙造山带及华北克拉通北缘等地开展了大量工作。通过碳酸岩的研究识别出了古亚洲洋俯冲过程中广泛的表层碳酸盐岩深部再循环现象，为地表碳酸盐岩俯冲至>120km后通过塑性底辟和高度熔融返回地表提供了直接证据。在深部碳循环对岩石圈地幔改造研究方面，利用微区原位元素和Sr同位素分析技术对华北地区新生代玄武岩中地幔橄榄岩开展了系统研究，揭示出岩石圈地幔经历了广泛的碳酸盐熔体交代改造作用。

2. 汇聚板块边界岩浆与大陆形成和成矿
地球具有太阳系中独一无二的长英质大陆。大陆的起源与演化被列为21世纪地球科学领域十大亟待解决的问题之一。过去的研究表明大陆的起源和演化与板块构造以及人类的生存环境和所需资源密切相关：没有板块构造运动，地球上就不会有大陆；没有长英质大陆的出现，大气中可能就不会有氧气的积累；没有氧气，地球上就不会有大的动物出现；大陆山脉的隆起和沉降调节着大气中温室气体CO₂的含量，从而影响着地表温度、冰川消融和海平面升降；多数大陆造山过程伴随着金属矿床的形成，为人类的生存和发展提供了物质基础。围绕这些重大科学问题，团队目前的研究方向包括：

2.1 俯冲带岩浆与大陆形成和生长
俯冲带玄武质弧岩浆被认为是大陆地壳的基础建造物质（building blocks），但是不同学者估算的大陆地壳平均成分都是安山质，这一成分不一致被称为"大陆地壳成分悖论（composition paradox of the continental crust）”。破解这一谜题对于认识大陆的形成、演化和生长具有重要意义。俯冲带岩浆弧根据俯冲上盘是洋壳还是陆壳可分为大洋弧和大陆弧，两类弧岩浆具有不同的物理化学演化条件，进而形成了迥异的地球化学特征。两类弧岩浆的岩石学和地球化学对比研究可为认识俯冲板片脱水/熔融、地幔楔熔融、岩浆结晶分异、岩浆房动力学、同化混染以及火山喷发去气等过程提供重要约束，最终揭示大陆地壳的形成机制、演化历史和生长构造背景。

 
2.2 俯冲带岩浆中金属元素行为与成矿
板块汇聚边缘（大陆弧和岛弧）发育大量的岩浆热液型矿床，与俯冲带过程密切相关。通常认为，俯冲流体具有高氧逸度，造成俯冲板片中的硫化物不稳定而释放大量金属元素到交代的地幔楔，为后期成矿提供物质来源。但是部分学者认为，地幔楔富集金属并不是成矿的必要条件，而与高氧逸度、富含水的弧岩浆密切相关。另一些观点认为，弧岩浆高氧逸度是岩浆分异演化造成的，与俯冲物质无显著关系。同时，大陆地壳相对于洋中脊玄武岩和岛弧岩浆显著亏损铜等金属元素，下地壳含硫化物的堆晶可能是一个重要原因。该堆晶的硫化物也可能为后期的成矿提供有利条件。富含硫化物镁铁质-超镁铁质下地壳的拆沉可能是解决大陆地壳成分悖论的一个重要过程。该方向主要从岛弧和大陆弧出发，着眼于进一步认识俯冲组分是否造成地幔楔金属元素的富集、弧岩浆演化过程中金属元素的迁移富集及其对大陆形成演化和矿床成因的启示。

2.3 造山带的形成和演化
中亚造山带是世界上规模最大的增生型造山带，在显生宙经历了广泛的陆壳生长、成矿作用和壳幔相互作用。北山造山带东部与兴蒙造山带相邻、西部与天山造山带接壤，是认识中亚造山带南缘演化的关键区域。该方向以北山造山带及其相邻的敦煌高压变质带为研究基地，开展详细的前寒武纪基底组成、古生代大陆弧岩浆演化、早古生代高压变质，以及地幔橄榄岩地体的综合研究，系统揭示北山造山带及邻区壳幔相互作用过程和响应。

3. 地球化学分析测试新技术研发
可靠先进的分析测试技术为高质量的科学研究提供了保障，团队的分析测试新技术研发包括：

3.1 全岩溶液法
全岩粉末溶液法是比较“古老”的一种分析方法，能够达到很高的测试精度，从而区分地质样品中微小的元素和同位素差异。过去十余年，研究团队以追求更高的测试精度为首要目标，同时为了适应新时期对样品分析效率的需求，围绕溶液分析的每一个环节，开展了一系列研究工作，包括：样品消解方法，同位素分离技术以及质量分馏校正方法，为地质应用研究的需求建立了一系列新兴同位素体系分析测试方法。目前，已成功建立地质样品的全岩溶液微量元素和多种同位素组成（Li、Ca、Cu、Ga、Zn、Mo等）的快速高精度测定。
 
3.2 原位微区法
对微观世界的探索是新世纪科学研究的重要发展方向。激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）是目前国际最重要的微区原位分析测试仪器之一。它可以准确获取地质样品微米尺度的地球化学信息，使人们从微观角度重新认识矿物的化学组成分布、迁移和演化等规律，引领了地球科学领域众多革新。研究团队十余年对LA-ICP-MS技术的不懈探索，在关键部件研发、基础理论与机理研究和高精度分析方法开发等方面取得了多项原创性成果，主要研究领域包括：微区原位副矿物定年、微区原位矿物及包裹体元素含量分析、微区原位放射性同位素和非传统稳定同位素分析、激光剥蚀过程机理研究、LA-ICP-MS关键设备开发、LA-ICP-MS数据处理策略及软件开发、微区原位固体参考物质制备等。