大數據驅動下變質巖巖石學研究展望

劉 博 ，翟明國 , ，彭 澎 ，郭敬輝 ，劉 鵬

1. 中國科學院 地質與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029；2. 中國科學院大學 地球科學學院計算地球動力學重點實驗室，北京 100049；3. 中國科學院 地球科學研究院，北京 100029；4. 浙江大學 地球科學學院，杭州 310027

1 引言

大數據、大平臺，已經成為大國乃至全球的新型戰略資源，正在引發科學研究范式和全球的經濟結構產業的變革（趙鵬大，2014；郭華東等，2014；翟明國等，2018）?！吧顣r數字地球”（Deep-time Digital Earth, DDE）大科學計劃是由中國科學家發起和主導，并由國際地質科學聯合會（IUGS）批準的第一個國際大科學計劃。針對過去45億年的地球歷史，整合與地球相關的各類數據，構建地球巖石圈、水圈、生物圈、大氣圈等多圈層演化的深時大數據系統，重建精確的地球和生命演化歷史，為人類了解地球的地理、環境和氣候變化，為識別礦產、能源的分布規律和預測地球與人類的發展趨勢提供重要支撐。

變質作用是由于地質環境的改變，使巖石所處的物理化學環境發生了改變，進而巖石的礦物組成、結構和化學成分出現相應改變的過程。研究者們一直都在探尋變質巖在變質作用發生之前的原巖是什么，以及發生了什么樣的地質過程形成了現今所觀察到的巖石。變質巖記錄了地球特別是自大陸形成以來近45億年的演化歷史。因此，變質作用是地球出現固態巖石后構造演化的物質記錄，是地球巖石圈的黑匣子、深部探針和指示劑；在巖石學和區域構造范疇，變質作用是深時地質記錄最典型的地質指紋和記錄器。對變質巖的研究包含了與早期陸殼的形成和穩定、克拉通化、板塊運動、造山作用、洋陸相互作用和殼幔相互作用相關的一系列的重要基礎科學問題。不同的構造背景具有不同的地熱特征，這些地熱特征隨時間的變化代表了地球不可逆轉的熱演化歷史，變質巖中則記錄了巖石溫度（T）、壓力（P）隨時間（t）變化的證據。變質巖P-T-t軌跡理論的提出改變了人們對變質作用過程的認識（England et al.,1984，Thompson et al., 1984）。對于變質巖溫壓的研究，由早期的傳統溫壓計到近四十多年來變質相平衡模擬的快速發展（Holland et al., 1990, 1998，2011; Powell et al., 1990, 1998），大量的傳統溫壓計在不斷的更新和修正，利用內恰性熱力學數據庫、計算程序和礦物活度模型定量計算的各種與變質條件相關P-T-x的數據也大量涌現。隨著年代學技術的發展，使高空間分辨率下測量副礦物不同期次的生長環帶年齡成為可能，并且可以用于定年的副礦物也不斷增多。這使得近年來精確的變質時代數據呈指數量級增長，為了解變質條件隨時間的改變提供了詳實的地質資料。在過去的十多年間，各國的科學家們建立了EarthChem、GeoRoc、NAVDAT、PetDB、MetpetDB等多個與巖石地化相關用于處理、分享和管理地球科學數據的數據庫。這些數據庫大多涉及變質巖，但是僅有少數的數據庫能夠滿足變質巖巖石學學科需求；而且變質巖巖石學這一復雜知識體系中大量的數據依然分散于各類文獻資料之中，很難實現大數據時代需求下的數據共享。

本文對已有的變質巖數據庫和其他收錄有變質巖相關數據的數據庫的運行、檢索方式以及各自的特點進行了梳理，并列舉了數據驅動下對科學問題進行探索的實例，以期對DDE大科學計劃任務下的數據庫建設做些思考。

2 國內外變質巖數據庫簡介

2.1 MetPetDB

MetPetDB（http://metpetdb.com/）是由美國國家科學基金會資助建立的變質巖巖石學數據庫，旨在收集與變質巖相關的樣品類型、地球化學數據等信息，為促進全球地質學家及科研團隊的合作提供平臺（Spear et al., 2009）。在該數據庫中，所有的數據都劃分為以下三種類型：已發表數據、公開數據和私人數據。注冊用戶可以免費檢索和下載已發表數據和公開數據，而私人數據的瀏覽、編輯和下載等操作則需要數據歸屬者提供相應的權限后才可以進行。

針對變質巖巖石學的研究內容，該數據庫在建設時提出了以下幾點設計思路：將全巖成分與礦物學研究相結合；數據庫中需要包含各種類型的圖片信息；對同一薄片下的各類照片建立關聯；將數據與測試點位的相關圖片進行關聯；建立檢索、上傳和下載數據的功能，同時還希望數據庫對加強研究人員及團體之間的合作有所幫助；另外，數據庫希望為原始數據的重新計算、分析和成圖提供相應的工具（Spear et al., 2009）。

MetPetDB的數據模型是以樣品為核心進行構建的，這里的樣本指的是一個物理實體，即一個巖石樣品。通常在研究過程中，需要同一個巖石樣品的巖相學觀察結果、化學成分分析、年代學信息等，基于這些考慮，在數據模型建設時引入了子樣品的概念。一個巖石樣品可以擁有多個子樣品，例如巖石薄片、粉末樣品以及從中挑選的單礦物等。在MetPetDB的數據庫中，一個樣品包含有多個樣品屬性（圖1），用戶若要向數據庫中上傳樣品數據，則最少需要提供以下樣品屬性信息：樣品編號、位置（經度、緯度）、巖石類型、歸屬者以及是否為公開樣品，若其來源于公開出版物，則還需要提供樣品的文獻信息。MetPetDB數據庫與其他常用的巖石地球化學數據庫相比有一個顯著的區別是向該數據庫中上傳樣品信息時，可以不提供地球化學分析數據，只要用戶可以上傳以上提到的幾種樣品屬性信息，就可以完成數據上傳。這一特點可以讓用戶在使用數據庫時更容易得到巖石在變質區內的展布特征。對于一個樣品的子樣品，上傳數據時則必須提供樣品編號、子樣品名稱、子樣品類型、子樣品所屬人以及是否公開樣品這些信息。

工作組在發起和設計MetPetDB數據庫時，針對變質巖巖石學的研究特點，著重考慮了一點內容，即提供礦物的結構、期次以及測試點的位置信息，這一點對于如何解釋數據也是非常重要的。這些信息往往是以圖片（顯微鏡下照片、BSE圖像等）的形式呈現的，因此如何對圖片進行錄入和開發可視化功能也是MetPetDB數據庫在建設過程中非常注重的工作之一?？梢韵驍祿焐蟼鞯膱D像屬性及圖像類型在圖2中，其中上傳一個圖像文件必須要提供的屬性包括樣品編號、圖像文件名稱、圖像類型和文件歸屬人，所上傳的圖像既可以是樣品的相關圖片（例如樣品露頭照片或是地質圖件），也可以是子樣品的圖件（例如薄片的顯微照片）。同時，數據庫為樣品地球化學分析數據的上傳也提供了相應的接口，圖3中列出了數據庫中所提供的上傳地球化學數據需要的屬性，其中樣品編號、子樣品編號、礦物名稱（“Bulk”代表全巖分析）、分析方法、分析內容、數值、單位、數據歸屬人是用戶必須提供的信息。如果用戶上傳地球化學數據時有對應的圖片需要上傳，則需選擇添加對應的“參考圖片名稱”（圖3）將上傳的地球化學數據和標注測試點位置的圖像文件相對應，可以為使用者對數據的解釋提供更詳實的依據。

圖1 MetPetDB數據庫中的樣品屬性、變質巖巖石類型及變質級等信息的結構圖Fig. 1 Structure diagram of sample attributes, metamorphic rock types and metamorphic grades in the MetPetDB database

圖2 MetPetDB數據庫中的圖片屬性及圖片類型等信息的結構圖Fig. 2 Structure diagram of image attributes and image types in the MetPetDB database

在用戶使用MetPetDB搜索數據時，網站中的檢索界面幾乎涵蓋所有以上介紹的各類屬性信息。這些信息顯示在檢索界面的注釋欄中，用戶可根據自己的需求進行一個或是多個條目的同時檢索。檢索的數據以列表的形式在網頁中輸出，用戶既可以對數據進行批量的導出，也可以進入到單個條目中進一步查詢樣品包含的詳細圖像和數據信息。

圖3 MetPetDB數據庫中的化學屬性及圖片類型等信息的結構圖Fig. 3 Structure diagram of geochemical analysis attributes in the MetPetDB database

MetPetDB數據庫的開發除了希望對現有數據整合、存儲和共享外，還有一項重要的任務是希望為加強全球地質學家和研究組織之間的合作提供幫助。為此該數據庫為研究者和科研團隊提供了一個可以在指定用戶之間共享數據的平臺，尤其當涉及到未公開的新數據和暫時無法發表的數據。研究人員可以在數據庫中創建一個“項目”（“project”），通過在項目中添加參與者來實現指定人員之間的數據共享。一個“項目”中有一個項目負責人和多個項目參與者，其中項目負責人有添加和移除項目參與者的權限。項目中可以包含公開數據和私人數據，但是數據讀取等權限需要數據的歸屬人來提供相應的權限操作。研究人員可以同時加入不同的項目中，也可以將相同的數據上傳到不同的項目中供不同的合作團體來使用。

2.2 PetDB

PetDB(http://www.earthchem.org/petdb)是一個包含有巖石、礦物、熔體包裹體的化學分析數據、同位素年代學數據和礦物學數據的綜合數據平臺，其中的數據主要來源于洋底巖漿巖和變質巖以及地幔和下地殼的捕虜體，其中，來源于洋底巖石的數據側重于洋中脊玄武巖和深海橄欖巖。用戶可以在該數據平臺上訪問這些巖漿巖、變質巖以及捕虜體的主量元素、微量元素、同位素、年齡等數據。所有的分析數據都具有包含樣品信息、分析方法、巖石結構、參考文獻、樣品位置等元數據信息。

在PetDB數據庫中可以使用地理位置、特征名稱、樣品類型、化學成分、構造背景、年齡信息、文獻信息、航次信息、IGSN編號等方式進行查詢數據（圖4）。按地理位置進行檢索數據時，可以在地圖上直接圈定多邊形來限制位置范圍，也可以直接輸入經緯度給出位置范圍。在按特征名稱進行查詢時，需要選擇地區的名稱和地理特征名稱來檢索數據，其中地理特征名稱包括弧后盆地、克拉通、大洋、構造帶等地理要素的名稱。按構造背景進行查詢，分為島弧、克拉通、洋盆等。按樣品類型進行查詢時，數據庫提供了包括巖漿巖、變質巖、沉積巖、脈體和捕虜體在內的不同巖石類型可供選擇，其中對于變質巖，數據庫中提供了包含麻粒巖、片巖、變輝長巖等22類巖石的選項（圖4）。按化學成分進行查詢，分為主量元素、微量元素、揮發分、穩定同位素、放射性同位素，在查詢時需要輸入相應氧化物、元素、元素比值的范圍。按照年齡進行查詢時，既可以輸入一個確定的年齡，也可以直接輸入年齡范圍進行查詢。如果可以確定所需數據的文獻信息、航次信息和IGSN編號，則可以在檢索界面中直接進行查詢。以上各類檢索方式，可以選擇一種，也可以將多個方式進行組合查詢；按照地理特征、樣品類型、化學成分、構造背景進行查詢時，每個檢索標簽中都可以同時勾選多個條目。

圖4 PetDB數據庫的檢索、輸出功能示意圖及預編譯功能示例Fig. 4 Structure diagram of the search, output function diagram and the example of pre-compilation in PetDB database

在PetDB數據庫中的數據可以進行批量的下載，為方便不同需求的用戶，PetDB除了可以根據需求選擇輸出項目和下載格式以外，還可以使用數據庫提供的預處理功能，該功能可以使數據以預編譯數據組的形式進行輸出，便于用戶快速進行數據的查詢和處理。如圖4中所示，在下載數據時如果選擇“One Row Per Method”，則每行只輸出一種分析方法的數據，而如果選擇“One Row Per Sample”，則是選擇了預處理功能，此時每行輸出一個樣品，不同參考文獻中不同分析方法測試的數據都會被匯編在同一行中。如果同一個樣品的同一個化學參量在檢索后出現多種結果，數據庫則會根據已設定的優先級高低進行數據的輸出。在PetDB的預編譯功能中，元素比值以發表年限確定優先級先后，若發表年限相同，則以標準偏差作為優先級的評判標準；對于主量元素、稀土元素和其他同位素比值則以分析方法確立優先級，如主量元素的優先級順序為XRF、DCP、WET、EMP、ES、其他；若分析方法相同，則以發表年限作為優先依據。例如圖4中所示，用戶在檢索時選擇了樣品A、B和C的主量元素、Nb、Rb、Sr以及Sr、Nd同位素比值。如果選擇預處理功能，則輸出的結果為主量元素通過XRF和濕化學分析測定的值，參考出處為“文獻1”；使用ICP-MS方法測定的微量元素Nb發表在文獻2中；使用質譜儀和同位素稀釋法測定的同位素比值和Rb、Sr值發表在文獻3中。

2.3 中國典型變質區變質巖區基礎數據共享服務系統

中國典型變質區變質巖區基礎數據共享服務系 統（http://geodata.geoscience.cn/bzy/list/yhdata.action）是中國地質科學院地質科學數據共享網下的一個服務系統，地質科學數據共享網由中國地質科學院主辦，數字化整合中國地質科學院建院50多年來積累的海量地質科學數據資源，為國家和社會公眾提供地質基礎數據服務。其中，中國典型變質區變質巖區基礎數據共享服務系統是該網站基質地質分支下的系統之一，旨在便于廣大專業人員研究使用已有的科學數據成果，提高綜合對比研究水平，更好地探討地體的形成背景、演化歷史以及成礦環境等。

該數據庫目前僅收錄中國的變質巖數據信息，可以從巖石地球化學、礦物組成和地層基礎地質三個方面進行檢索。檢索時均可輸入地層群組名稱和產地來進一步限制檢索結果，在礦物組成數據信息檢索時，可以通過選擇礦物和多種礦物的組合來進行檢索。注冊用戶可以免費上傳和下載數據，上傳和下載都可以使用電子表格進行批量上傳。在每個條目的檢索結果中，除了包含數據信息以外，還包含巖石所在研究區的基本信息，其中可以查看巖石所在地層單位的命名時間和沿革歷史。

2.4 其他可查詢變質巖信息的常用數據庫

GEOROC（http://georoc.mpch-mainz.gwdg.de/georoc）的所屬機構系統為馬克斯 · 普朗克學會（MPG），是一個大陸和海洋巖石的地球化學數據庫（Geochemistry of Rocks of the Oceans and Continents），它由德國馬克斯·普朗（Max Planck）化學研究所的B?rbel Sarbas博士研究小組負責建設和維護。GEOROC可支持按作者文獻、地理坐標、地球化學元素含量、巖石類型、分析方法等多種查詢方式。數據庫預先按各種不同專題對數據進行了整編，形成csv文件直接批量下載使用。該數據庫以收集巖漿巖數據為主，雖然沒有留出單獨的變質巖的檢索選項，但是可以收到輸入巖石名稱查詢部分類型的變質巖，其中收錄的麻粒巖、榴輝巖等數據常為巖石捕虜體。

DARWIN（Data and Sample Research System for Whole Cruise Information in JAMSTEC，http://www.godac.jamstec.go.jp/darwin/e）為日本海洋研究開發機構為展示其深海樣品所建立的數據平臺，其中可檢索到一些變質巖條目，數據平臺提供了詳細的位置和航道信息，但是大多數的變質巖數據僅具有簡單的命名和描述。

NAVDAT（North American Volcanic and Intrusive Rock Database，www.navdat.org）為北美火山巖和侵入巖數據庫，數據庫中開發了多種可視化功能。在該數據庫中也可以檢索到少量變質巖的信息，但是這些信息僅包含年代學數據和巖石主量、微量和同位素等地球化學信息。該數據庫目前已經停止更新，但是所有的功能和數據都可以進行正常的訪問。

PANGAEA（https://www.pangaea.de）是涉及地球科學與環境科學的數據出版平臺，為ICSU（國際科學理事會）所屬，由德國阿爾弗雷德-魏格納極地與海洋研究所、布萊梅大學海洋環境科學中心共建。該網站為數據的存儲、出版和在利用提供平臺，除了收藏有巖石、礦物數據之外，還有更多環境科學數據，如水、冰、大氣和沉積物等數據。網站中可以檢索到一定的變質巖相關信息，該數據庫涉及的范圍較為廣泛，檢索出的變質巖常被打散在多個中主題詞中。

另外，一些國家的地質調查機構提供的數據平臺也包含了一些變質巖數據信息，例如美國地質調查局（https://www.usgs.gov）涉及各類地質、環境、資源、災害相關的數據信息，其中可以查詢到收錄有800余條與關變質巖相關的出版物信息。

2.5 小結

上文對涉及到變質巖的常見數據庫進行了梳理，其中MetPetDB、中國典型變質區變質巖區基礎數據共享服務系統為專門的變質巖數據庫，其余數據庫多為涉及到多學科的綜合型數據庫或是以巖漿巖為主的數據庫。在MetPetDB數據庫的開發和建設中突出了圖像信息的重要性，尤其是很多數據收錄了元素掃描的圖片和標有電子探針測試點位置的顯微照片，這一點無疑對注重變質作用過程研究的用戶來講具有巨大的吸引力，也為數據的后期解釋提供了詳實的依據。與其他以地球化學數據為主的數據庫相比，該數據庫弱化了地球化學分析屬性，用戶只要提供樣品的編號、位置和巖石類型就可以上傳數據，這一點可以使數據庫更易于展示各個變質區的巖石類型的分布，尤其是針對一些早期相對缺乏地球化學數據的研究資料時，也后續的研究者繼續展開后續研究。另外，在該數據庫中用戶可以自主創建項目，在項目中同一個項目組的人員可以共享項目中的數據，方便了不同研究者及科研團隊之間的交流。中國典型變質區變質巖區基礎數據共享服務系統雖然只針對中國變質巖數據，且數據量也較少，但是其提供了詳細的地質背景資料，并且所提供的礦物化學信息和礦物組合的檢索方式也更方便變質巖研究使用。PetDB中也提供了較多數量的變質巖數據，并且該數據庫相當活躍，可以提供詳細的巖石和礦物化學信息，并且提供預編譯數據集，方便用戶快速批量處理數據。但是該數據庫中的樣品以洋底巖石和深源捕虜體為主，所以其中包含了很多淺變質的巖石類型，而且數據庫中的檢索方式沒有注重變質級和變質帶的劃分。GEOROC、NAVDAT是巖漿巖數據庫，雖然其中僅包含了少量變質巖的信息，但是提供的數據可能不是變質巖學者最關注的數據類型，這兩個數據庫目前為止累積的數據量均較大，例如，GEOROC目前已經具有544190件樣品和22951050個數據值。

3 大數據驅動下的科學問題

3.1 地球構造及熱體制的變化

自England和Richardson（1977）首次提出變質P-T-t軌跡的概念后，變質地質學的研究產生了重大 突 破（England and Thompson，1984；Sandiford and Powell，1986）。變質巖中可以保留巖石從埋藏加熱到抬升冷卻的多個階段的地質過程，因而P-T-t軌跡的研究對揭示構造演化具有重要作用（Miyashiro，1961；England and Thompson，1984；Spear et al.，1984 ；Harley，1985，1989 ；Ernst，1988；Brown，2007，2014；Brown and Johnson，2018）。傳統地質溫壓計和熱力學視剖面模擬是目前定量估算變質條件最常用的兩種方法（吳春明等，2007；Powell and Holland，2008; 魏春景，2011；吳春明，2013）。近年來，除了地質溫壓計的不斷更新和修正以外（Wu and Chen，2015；Wu，2017），熱力學數據庫和成分-活度模型也在不斷地發展和完善（Guiraud et al.，2001; White and Powell，2002；Powell and Holland，2008; Holland and Powell，2011 ；Kelsey and Powell，2011 ；魏春景，2013；Taylor et al.，2014；Palin et al.，2014），這些都為變質地質學的發展和變質作用精細過程的研究帶來了新的契機。同時，隨著年代學的快速發展，更多的礦物定年方法不斷被開發和完善，對同一礦物中不同期次的變質年齡的確定也更為精確。隨著各種理論和技術的不斷發展，數據資料在近些年來快速的累積，如何根據變質巖中得到的信息來推測巖石經歷的地質過程一直以來都是變質巖石學家們關注的重點問題。Brown（2014）綜述了近三十年來變質巖石學對揭示巖石圈演化，尤其是對前寒武紀地球動力學的重要意義。文章匯集了不同變質帶中的大量數據，并認為地質歷史中不同時代的變質巖具有不同的熱梯度分別代表了不同的構造體制（圖5）。另外Brown（2006，2010）還利用大量數據的統計結果解析了地球熱體制、變質作用、板塊構造和雙變質帶之間的相互關聯。Weller （2017）統計了215個變質巖的P-T-t結果，認為新元古代至顯生宙的構造體制與元古宙其他時期的構造體制不同（圖6）；并且在研究中識別出了高壓低溫的榴輝巖，由此認為現代類型的板塊構造發生在1.83 Ga，且全球的變質記錄有被后期地質事件改造的趨勢。

圖5 （a）巖石峰期變質條件下T/P劃分示意圖和（b）巖石T / P-年齡示意圖（引自Brown，2014）Fig. 5 (a) Four apparent thermal gradients discussed in the text and (b) apparent thermal gradients of metamorphic belts by type plotted against age (Brown, 2014)

地球熱量的耗散與現代板塊構造的形成密切相關，板塊構造的起源及演化是地球科學最重要和最具挑戰性的問題之一。為了了解變質巖中所記錄的地殼熱量隨時間的變化規律，Brown 和Johnson （2019）統計了564個地區變質巖溫度（P）、壓力（T）、T/P比值和變質時代的數據，這些變質巖的時代跨度從太古宙至新生代。文章中根據比值，將巖石分為高 T/P（＞775 ℃ /GPa）、中 T/P（775～375 ℃/GPa）和低T/P（＜ 375℃/GPa）三個類型（圖7），并根據這三種類型的巖石隨時間的分布規律，劃分出了不同的時間周期（圖8）。第一個周期從新太古代開始至古元古代結束，在該階段多地出現了高T/P和中T/P的變質作用。第二個周期從古元古代哥倫比亞大陸的形成至新元古代羅迪尼亞超大陸的裂解，該時的高T/P變質巖中記錄的溫度的平均值明顯高于其他時期。第三個周期從新元古代羅迪尼亞超大陸的裂解至晚古生代聯合古陸的形成，該階段高T/P變質作用的熱壓比值急速降低，并且出現了大量低T/P變質作用的巖石，表現出了現代板塊構造的特征?！?.175 Ga聯合古陸的裂解可能指示了最后一個周期，該階段出現高T/P變質作用的巖石數量明顯減少。研究認為新元古代高T/P變質和新元古代晚期低T/P變質的廣泛出現標志著全球地球動力學機制的重大變化；在新太古代和古元古代，以高壓麻粒巖和中高溫榴輝巖為代表的中T/P變質作用和以麻粒巖、超高溫麻粒巖為代表的高T/P變質作用的出現，指示了古元古代構造體制中出現的碰撞造山和伸展環境；從古元古代的開始，就已經出現了具有現代板塊構造特征的雙重變質熱體制。從太古宙到新元古代，中T/P變質作用的壓力平均增加了約0.25 GPa，這可能與碰撞造山帶相關；由于長期的冷卻導致了地幔溫度下降，因此板片拆沉發生的深度更深，從而導致了大陸巖石圈的俯沖，并形成了低T/P變質巖。

Holder等（2019）重新甄選了 Brown 等（2019）所搜集的數據，并且將這些數據按變質時代分為五組，進行T/P核密度估計和柱狀投圖，對非高斯分布的數據組采用混合—高斯分布的方法將其分為兩類。他們認為現代“雙峰式”的變質作用在約2.5 Ga的新太古代末期就已經開始顯現，而且全球性的“雙峰式”變質作用在藍片巖和超高壓變質作用廣泛出現前就已經有所顯示（圖9）。并認為“雙峰式變質作用”以及后期藍片巖、超高壓變質作用的出現都與地幔的長期冷卻有關。地幔的長期冷卻引起了大洋巖石圈厚度、浮力和流變學性質的改變，進而導致了俯沖和碰撞樣式的改變。這一觀點與之前所認為的板塊構造起始于新元古代（Stern，2005）和古元古代的觀點不同（Weller and St-Onge，2017 ；Xu et al.，2018）。

圖6 全球變質巖變質T/P 隨時間變化的規律（引自Weller，2017）Fig. 6 Results of this study with respect to a global compilation of metamorphic P-T-t data (Weller, 2017)

圖7 （a）三類T/P劃分示意圖；（b）564個地區變質年齡分布直方圖及概率密度函數（PDF）曲線（引自Brown and Johnson，2019）Fig.7 (a) The three types ofthermal gradients discussed in the text ; (b) Histogram and probability density function curve for the age of metamorphism for the 564 localities (Brown and Johnson, 2019)

圖8 （a）中、高T/P變質作用壓力-年齡的最佳擬合線和移動平均值；高T/P變質作用溫度-年齡（b）和T/P-年齡（c）的算數移動平均值；（d）變質年齡分布的概率密度函數（PDF）曲線（引自Brown and Johnson，2019）Fig. 8 (a) Best fit line and moving mean of pressure against age for high and intermediate T/P metamorphism; Arithmetic and moving means of temperature (b) and thermobaric ratios(c) against age for high T/P metamorphism; (d) PDF for the age distribution ( Brown and Johnson, 2019)

圖9 “雙峰式”變質作用隨時間演化的規律（引自Holder et al.，2019）Fig. 9 The bimodal distribution of modern metamorphism evolved through time ( Holder et al., 2019)

雖然前人在大量收集變質巖信息的基礎上展開了相關的研究工作，但是目前仍然沒有合適的數據庫和文獻資料可以全面的囊括各個變質地區中的各類地質數據，這一點制約了對變質信息的解讀，但是同時在大數據時代下，也給變質巖巖石學的研究提供了新的機遇。另外，如何準確地獲得對應的變質溫壓（P-T）條件和變質時代（t）的信息也是對變質巖數據庫建立的巨大挑戰，大多數的數據信息需要與圖片相對應來進行檢驗，MetPetDB數據庫對圖像信息的收集和可視化處理方面進行了一定的探索和嘗試，但是當大量的數據匯聚在一起時，如何快速準確地對信息進行篩選和對明顯錯誤的數據進行合理的剔除，對大數據驅動下的變質作用研究提出了進一步的挑戰。

3.2 地球早期陸殼的形成與演化

地球是迄今為止唯一具有花崗巖陸殼的類地行星，因此陸殼的起源與演化關系到固體地球形成與演化這一重大基礎問題。地球的陸殼從始太古代（4.0～3.6 Ga）起就開始逐漸形成（Condie，1981；Polat，2012），地球化學研究表明現今所觀察到的60%～70%陸殼都是在太古宙末期形成的（Dhuime et al., 2012），90%的太古宙地殼由灰色片麻巖組成（Nutman et al.，1996；Moyen，2011），這些灰色片麻巖中最重要的組分就是高Na，貧K的端元，即通常所說的石英閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖系列（TTG）（Moyen and Martin，2012）。這些TTG巖石的存在說明了在太古宙末期長英質的陸殼來源于主要成分為超鎂鐵質—鎂鐵質的原始地殼（Glikson,1979; Martin et al., 2005; Hawkesworth et al., 2010;Moyen and Martin, 2012; Laurent et al., 2014; Dhuime et al., 2015）。因此，太古宙的TTG代表了大陸地殼和克拉通形成的最早階段的建造，對地球成為宜居星球起到至關重要的作用。

西澳Jack Hill沉積巖中的碎屑鋯石年齡為4.4 Ga (Wilde et al., 2001)，是目前地球上被發現的最古老的物質，其氧同位素和微量元素特征表明它們來自于TTG片麻巖（Mojzsis et al., 2001）；地球上最古老的巖石為加拿大的Acasta TTG片麻巖(Harrison et al., 2006)。為了探尋TTG片麻巖與最早的太古宙地殼之間的關系，Guitreau 等（2012）對來自全世界4.0～2.5 Ga的141個TTG樣品的全巖和鋯石Lu-Hf、Pb-Pb同位素數據進行了統計（圖10）。他們認為在過去的40億年中，TTG巖石中的176Lu/177Hf比值和陸殼地幔源區的176Lu/177Hf比值的變化均不大，接近于球粒隕石平均值。因此，大陸最有可能起源于近乎原始的未分異的物質（來自于深部地幔，而不是通常認為的虧損地幔），通過地幔柱的方式，并且在上地幔留下虧損熔體殘余。Johnson 等（2019）為了研究TTG成分隨時間的變化，統計了從始太古代至新太古代的563個樣品的主量元素和微量元素的數據（圖11）。發現K2O/Na2O, Sr/Y和LaN/YbN的比值在3.3～3.0 Ga之間發生了顯著的變化，這些變化可能與太古宙晚期地幔溫度的降低和地球動力學機制的改變相關；另一個顯著的變化則發生在2.8～2.7 Ga，可能與更多的富鉀質的大陸弧巖漿的出現有關。TTG成分的變化顯示出了巖石圈演化的不可逆轉性。

圖10 （a）巖漿鋯石和碎屑鋯石的初始εHf (T0)隨Pb-Pb變化的二維直方圖；（b）176Lu /177Hf隨Pb-Pb變化的二維直方圖（引自Guitreau et al.，2012）Fig. 10 (a) Two-dimensional histogram of initial εHf (T0) of detrital and magmatic zircons as a function of their Pb-Pb age; (b) Twodimensional histogram of time-integrated 176Lu / 177Hf of detrital and magmatic zircons as a function of their Pb-Pb age (Guitreau et al., 2012)

迄今為止，大陸地殼在何時形成依舊具有很大的爭議（Armstrong, 1991; McCulloch and Bennett, 1994; Wilde et al., 2001; Valley et al., 2005;Belousova et al., 2010; Reimink et al., 2016; Vervoort and Kemp, 2016）。冥古宙與太古宙的地熱梯度要高于地球演化的后期，這也導致了大陸早期的地球動力學機制與現今板塊構造的不同。大陸早期的構造格局與巖石類型的分布在不同構造位置上也具有不同的特點。另外，前寒武紀巖石經歷了廣泛的變質作用，且與顯生宙的變質作用具有不同的特點（Bohlen，1987；趙宗溥等，1993；沈其韓等，1992；Bucher and Frey，1994；翟明國；2012）。太古宙的構造格局主要由綠巖帶和高級區組成，與顯生宙構造格局的差異很大。高級區的巖石主要有TTG片麻巖、高級變質的表殼巖和超基性-輝長質-斜長巖體，綠巖帶中的巖石主要有玄武巖、科馬提巖、中酸性鈣堿質火山巖和沉積巖，以及輝長巖和輝綠巖等。其中，TTG片麻巖、科馬提巖等在地球后期的演化中是非常罕見的。在數據驅動下，如何從時間尺度上將地球早期和晚期的巖石類型、展布方式、化學成分、變質條件等信息進行對比，這可能會為研究地球早期陸殼的形成和演化等問題提供新的思路。

圖11 所選樣品的數據累積總變化示意圖（引自Johnson et al.，2019）Fig. 11 Cumulative sum (CUSUM) change-point analysis for selected geochemical proxies (Johnson et al., 2019)

此外，揭示大陸下地殼的組成、結構與性質不僅對認識大陸地殼的形成和演化具有重要的理論意義，而且也是理解地球深部過程、地質災害、地球環境的關鍵之一。大陸下地殼一般指變質程度達到角閃巖相（20～25 km）和麻粒巖相 (＞25～45 km)的深部地殼單元，由于難以進行直接觀察，常使用地球物理手段對大陸下地殼的物質組成和結構進行推斷，對于地質上的依據，暴露于地表的下地殼剖面尤為重要。大陸下地殼可以分為克拉通型下地殼和造山帶型下地殼兩大類，兩種下地殼的結構、組成以及穩定性和運動規律的差異是大陸地質的關鍵課題之一?？死ê驮焐綆深愊碌貧さ慕M成和結構、形成的時代和機制、在現代的地殼穩定性上發揮的作用都截然不同；同時，受后期造山過程的影響，在克拉通內部和邊緣，造山帶內部不同部位的下地殼也存在明顯差異。結合變質作用動力學研究，綜合地球物理、巖石學、地球化學多方面的數據，運用大數據分析方法，為獲取造山帶和克拉通下地殼的結構、組成、性質以及運動規律帶來新的挑戰。

4 展望

變質巖記錄了地球特別是自大陸形成以來近45億年的演化歷史，在巖石學和區域構造范疇，變質作用是深時地質記錄最典型的地質指紋和記錄儀器。隨著地質學數據庫的不斷發展，各類變質巖的數據不斷被納入到EarthChem、GeoRoc、NAVDAT、PetDB、MetpetDB、DARWIN、NAVDAT等數據庫中，其中一些數據庫的運行和更新一直保持非?；钴S的狀態。

在調研的眾多數據庫中，MetPetDB是專門的變質巖數據庫，其數據庫的設計理念和所收集的數據資料類型對變質巖研究者來講最具有吸引力。雖然該數據在近些年來的活躍程度不高，但是其設計的理念為變質巖在DDE計劃下建立新的數據共享平臺提供了一些很好的借鑒。例如，該數據庫提供的建立項目的功能，方便了不同地區和不同工作組之間地質學家進行交流，尤其是對于分享未公開發表的數據。MetPetDB數據庫與其他巖石地球化學數據庫有一點不同：即使沒有化學分析的數據也可以上傳巖石的地理坐標和巖石類型。這樣的數據雖然缺少化學數據的支撐，但是可以使研究者高效率的查詢到變質區中各類變質巖的分布狀況，后續的研究者可以根據自己的需求進行樣品的采集，對之前沒有化學分析的樣品根據自身的需求進行分析測試，而新的數據可以進一步反饋給數據庫進行共享。從這個意義上說，這不但不會影響數據庫發揮作用，還可以為后來的研究者提供便利的信息。

隨著大數據和人工智能時代的到來，DDE計劃將建立開放、共享、統一的大數據平臺，以地球演化為主線進行多學科的數據融合。在地球的演化歷史中，構造體制、巖石類型等都有著不可逆轉的變化，例如富Na的TTG巖石、科馬提巖、BIF鐵礦等大量出現在早前寒武紀的巖石，在地球的后期非常罕見；而在早期的演化歷史中沒有出現高壓、超高壓巖石。巖石地球化學的成分也隨時代發生變化（例如Ti和K/Na 比值的升高、Mg的降低、Eu/Eu*的變化）等。因此，在“深時數字地球”大科學計劃下，建立以解決演化問題為軸線的數據平臺，無疑會為地球科學工作者提供新的研究方式和思維模式。結合目前學界正在開展的相關研究，可以先行對部分科學問題開展研究，如：（1）早期大陸的物質、形成機制、生長過程和穩定化； （2）造山帶、克拉通結構以及洋陸相互作用的過程；（3）殼-幔相互作用、接觸帶結構、能量、相轉換與物質交換；（4）地球的熱體制演化及其與大陸結構與成分演變的時空聯系。當然，目前的研究，還是以單一數據源為主，對于多學科數據交叉融合而形成的大數據的應用，還有很大的發展空間。

致謝：本研究受益于“深時數字地球”國際大科學計劃的培訓和PI們的指導。