壳幔物质与环境实验室长期以来坚持将地球物质科学与化学、物理学和生物学相结合，集中研究地壳地幔物质的元素和同位素组成及其动力学循环、不同层圈物质之间相互作用的化学和物理过程、基本规律及其地球动力学和环境效应。经过多年来的努力，实验室已经在化学地球动力学、地球内部物理结构和动力学、极地环境变化和生态地质学等三个研究方向形成特色和优势。实验室在地球科学领域许多重大科学问题研究中的创新成果使该实验室成为在国内有突出地位、在国际地球科学界具有一定影响的研究机构。近年来，该实验室瞄准国际地球科学前沿和国家目标，积极承担项目研究，已经取得了一系列与国际接轨的创新性研究成果。2002~2004年间，实验室在国际SCI刊物发表论文60多篇，在国内 CSCD刊物发表论文80多篇。代表性成果发表在《Earth Sci. Rev.》、《Geochim. Cosmochim. Acta》、《J. Geophys. Res.》、《Chem. Geol.》、《Contrib. Mineral. Petrol.》、《Geophys. Res. Lett.》、《Lithos》和《Polar Biology》等国际一流学术刊物上。这些成果无论是在广度、深度还是在学术影响力上都已经与国际接轨。其中涉及大别-苏鲁超高压变质带研究的系列学术论文在国际SCI刊物和国内核心刊物上发表后，已经得到国内外同行的广泛引用(SCI检索他引计720多次)。
    (1) 矿物稳定同位素分馏系数的理论计算和实验测定：分馏系数是稳定同位素化学研究的最基础参数，本实验室是国际上唯一对矿物稳定同位素分馏系数既进行理论计算又开展实验测定的重要实验室，特别在矿物氧同位素分馏系数确定方面取得了丰硕的成果，在国际上享有一定的知名度。我们拥有计算稳定同位素分馏系数的增量方法，能够系统准确地计算各种矿物化学成分和晶体结构与氧同位素分馏之间的定量函数关系。我们对自然界各种含氧矿物的氧同位素分馏系数首次进行了系统准确的理论计算，不仅对矿物晶体结构和化学成分的效应进行了定量评价，而且对不同成分的岩浆岩之间和与流体(H2O或CO2)之间的分馏进行了定量计算。我们开展了高温高压条件下三相体系同位素交换实验，研究了常见造岩矿物与流体之间同位素交换反应的热力学平衡和动力学过程。我们借鉴纳米材料合成技术，在低温条件下实验测定矿物与溶液之间的氢氧同位素分馏系数，对水镁石-水体系和碳酸钙-水体系进行了成功的实验研究。增量方法计算分馏系数的系列成果作为18篇系列论文发表在1991-2003年国际地球化学和矿物学核心SCI刊物上发表后，已经被国内外同行广泛应用于地质测温实践和地球化学示踪研究中(SCI检索他引346次，其中Nature和Science论文引用5次)。所有计算的分馏系数不仅与当时的实验测定和自然观察相吻合，而且不断地被后续的实验测定和自然观察所证实。低温化学合成校准矿物氧同位素分馏系数成果以7篇论文在国内外地球化学核心刊物上发表后被他引7次(SCI检索)。系列成果“矿物氧同位素分馏系数的理论计算和实验测定”获2004年度国家自然科学奖二等奖。
    (2) 超高压变质岩稳定同位素地球化学：本实验室是国际上从事该领域研究有影响的实验室，也是成功地将变质岩稳定同位素示踪拓展到化学地球动力学领域而获得丰富成果的实验室。稳定同位素可以作为不同环境中各种化学地球动力学过程的示踪剂，我们不仅开展与岩石成因有关的物质来源示踪研究，而且研究自然界矿物化学反应途径及其动力学、水-岩相互作用过程的地球化学动力学以及板块边缘流体作用的化学地球动力学。我们曾经与国际上同时(1995-2001)发现苏鲁造山带超高压榴辉岩具有异常低的d18O值，大别山与榴辉岩共生大理岩具有正的d13C值。2002-2004年期间，我们对大别-苏鲁造山带中典型高压-超高压榴辉岩体及其围岩片麻岩和大理岩开展了系统深入的氧、氢和碳同位素研究，厘定了稳定同位素异常分布的范围和保存机制，结果不仅对认识大陆板块俯冲的地球动力学过程提供了地球化学制约，而且对深俯冲大陆板块折返过程中的流体活动提供了重要预测，对超高压岩石O同位素平衡及其对Sm-Nd和Rb-Sr年代学的制约提供了重要判据。主要成果作为16篇学术论文发表在国际地球化学和岩石学高影响因子SCI刊物上。1995-2003年期间所有涉及大别-苏鲁造山带超高压变质岩稳定同位素地球化学研究的28篇系列学术论文在国际地球化学和岩石学核心SCI刊物上发表后，已经得到国内外同行的广泛引用(SCI检索他引计238次，其中Science论文引用2次)，并且在有关国际专题论著中予以正面评述。
    (3) 超高压变质岩同位素年代学和地球化学: 本实验室是国内从事该领域研究较早且成果丰富的实验室。我们通过应用Sm-Nd、Rb-Sr、U-Pb和Ar-Ar同位素体系在大陆碰撞造山带定年和示踪的化学地球动力学研究，确定了高温高压条件下不同同位素体系的封闭温度和平衡条件、扰动机理和强度等动力学参数，建立了造山带构造演化的时序及变质岩的P-T-t轨迹。我们在1989-2001年期间的研究首次测定了扬子板块与华北板块碰撞的同位素年龄，首次发现超高压变质岩石的多硅白云母中有过剩氩存在。2002-2004年期间，我们对大别-苏鲁造山带超高压变质岩热年代学及t-T冷却曲线进行了系统研究和准确的测定，首次获得了榴辉岩金红石的精确U-Pb年龄并揭示了超高压变质岩具有两阶段快速冷却的历史。为了揭示超高压变质岩折返出露的构造机制，我们率先对大别山各类低温榴辉岩及北大别榴辉岩进行了精确定年，最早在大别山识别出古生代岩浆弧，通过Pb同位素填图鉴别出南大别超高压带是俯冲上陆壳而北大别带是俯冲下陆壳的结构特征，通过比较大别山与中国东部中生代镁铁质岩浆岩的Sr，Nd，Pb同位素组成发现了在大别山也存在深部地缝合线与地表地缝合线之间的解耦现象。在此基础上提出了俯冲板片断离和岩石圈楔入等较完整的超高压变质岩多阶段出露折返机制。主要成果以18篇论文发表在国际SCI刊物和国内核心刊物上。1989-2003年期间所有涉及大别-苏鲁造山带超高压变质年代学和折返机制研究的46篇系列学术论文在国际SCI刊物和国内核心刊物上发表后，已经得到国内外同行的广泛引用(SCI检索他引398次)。
    (4) 板块俯冲物质再循环的岩浆岩地球化学：板块俯冲物质再循环的岩浆岩表现形式，是化学地球动力学研究的核心问题之一。在海底扩张和板块构造学说发展过程中诞生的化学地球动力学，在研究大洋地质的许多基本问题中已经取得了巨大成功。俯冲大洋板块的物质再循环一般表现为洋岛玄武岩和岛弧安山岩。大陆上不同构造背景下产出的岩浆岩记录了不同形式的壳幔物质循环方式。我们对中国东部中生代A型花岗岩的同位素地球化学研究发现，蚀变洋壳的部分熔融能够形成低d18O花岗岩。深俯冲大陆板块物质再循环的表现形式是目前国际地球科学研究的前沿和热点领域，我们通过对秦岭-大别-苏鲁造山带中生代岩浆岩的同位素地质年代学和地球化学研究，发现同折返和碰撞后花岗岩的原岩为扬子板块周边新元古代岩浆岩，找到了大陆板块俯冲物质再循环的地球化学证据，结果对认识大陆板块折返的地球动力学过程提供了地球化学制约。2002-2004年期间成果主要以11篇论文发表在国际SCI刊物和国内核心刊物上，1993-2003年期间积累性成果已经得到国内外同行的广泛引用(SCI检索他引136次)。
    (5) 青藏高原隆升演化的地球动力机制：以地幔对流、地幔热柱和俯冲板块为表观的地幔深部物质热运移过程是大陆构造演化动力学的深部动力学背景。如何在地幔热动力学框架上，探讨大陆构造、运动和演化(如青藏高原隆升等)问题，是大陆动力学关键的科学问题之一。多年来在国际相关研究领域中，我们独立地从理论上建立了联系地球物理观测的地幔热对流的数学—物理模型，利用地球物理观测数据研究了地幔中大尺度和上地幔小尺度对流模式，用数值模拟的方法构建了地幔热动力学的基本框架，在国际SCI刊物和国内核心刊物上发表了二十余篇论文。以此为背景研究了青藏高原隆升、演化过程，提出了青藏高原“断离隆升—挤压隆升—对流隆升”的三阶段模式，并用数值模拟方法给以论证和演绎。同时，我们将现代GPS观测与动力学数值模拟相结合，对现代青藏高原构造演化格局进行了大规模三维数值模拟。2002-2004年期间成果主要以6篇论文发表在国际SCI刊物和国内核心刊物上。
    (6) 南极湖泊沉积与生态环境演变：极地生态地质地球化学是地球系统科学的前沿研究领域之一。我们以企鹅粪和生物排泄物、生物遗迹为介质，应用地质地球化学的基本原理和方法，反演千年尺度上南极自然环境变化、海鸟和海豹等海洋生物的生态演变及其与全球变化的关系，取得了国际上有影响的成果。原创性地提出了研究南极典型海洋动物古生态演化历史的生物地球化学方法，它为开展全新世南极生态圈和环境演化过程的研究开辟了新领域。该项标志性成果于2000年发表在国际最著名的学术期刊《Nature》。在此研究基础上，围绕生态环境的全球变化区域响应这一核心问题，应用元素、同位素和生物地球化学的基本原理和方法，详细地分析了企鹅粪土沉积层中元素氟和铅的环境地球化学特征、初步探讨了人类活动在生物粪、海豹毛以及冰缘湖泊沉积物中的历史记录；首次恢复了法尔兹半岛距今1500年来的海豹数量变化及其对气候的响应、创新性地提出了企鹅聚居地生态系统演变的三种基本模式、深入地研究了南极苔原生态系统C、N、S等元素在土壤圈、大气圈和生物圈界面上循环过程，并首次将同步辐射加速器χ荧光微区分析技术应用于南极生态环境研究。上述研究成果主要以14篇学术论文发表在2002-2004年国际SCI刊物上。
    近3年主持国家级和省部级科研项目或课题30项，总经费1045.7万元。具体为：
    （1） 国家973项目二级课题1项、三级课题3项，小计经费150.4万元
    （2） 国家自然科学基金重点项目3项、二级课题1项，小计经费269万元
    （3） 国家自然科学基金面上项目18项，小计经费264.3万元
    （4） 中国科学院知识创新工程方向性项目1项、课题2项，小计经费362万元
所有上述项目均已按计划完成或正在执行，有关科研任务已取得突出进展。