JGR-SE: 软流圈地幔的氧逸度可能更高

文章来源: 发布时间:2024-05-13 19:09 作者: 浏览量:1089

氧逸度(fO2)是一个描述体系氧化还原状态的关键变量。在地幔中,碳的存储形式与氧逸度紧密相关:在高氧逸度条件下,碳主要以碳酸盐矿物形式存在,这些矿物可以显著降低地幔的固相线温度,促使地幔生成碳酸盐-碳酸盐化硅酸盐熔体。相反,在低氧逸度环境中,碳主要以金刚石或石墨形式存在,对地幔熔融过程的影响较小。因此,准确约束地幔氧逸度对于深入理解深部碳循环过程具有至关重要的意义。

洋中脊玄武岩(MORB)是软流圈地幔熔融的产物,其氧逸度能够反映浅部软流圈地幔的氧化还原状态。对MORB玻璃中Fe元素价态的研究表明MORB的氧逸度接近石英–磁铁矿–铁橄榄石缓冲线(FMQ -0.18 ± 0.16; Zhang et al., 2018)。然而,最新研究揭示了玻璃中的Fe3+/∑Fe比值会受到分离结晶作用、岩浆脱气作用以及不同变价元素之间的电子交换作用的显著影响。传统V分配系数(Dol/melt V)氧逸度计可以用来约束原始岩浆的氧逸度(Mallmann and O'Neill, 2013; Wang et al., 2019),然而其结果的准确性会受到斑晶-熔体不平衡和橄榄石中元素扩散作用的影响。因此,MORB原始岩浆的氧逸度仍需进一步的研究和约束。

针对上述科学问题,西北大学的张方毅博士(现中国科学院海洋研究所博士后)在赖绍聪教授的指导下,与国内外学者合作,建立了一个新的基于橄榄石与熔体之间V/Sc交换系数(KDOl/melt V/Sc)的氧逸度计。通过这一新的氧逸度计,研究团队发现MORB的氧逸度可能比传统认为的要高出一个数量级。

传统V分配系数(Dol/melt V)氧逸度计相比,基于KDOl/melt V/Sc的氧逸度计具有如下优势:

(1)由于温度对橄榄石中微量元素V和Sc的分配系数具有类似的影响,使用KDOl/melt V/Sc校正氧逸度计可以有效抵消温度变化的影响,即使在未考虑温度变化的情况下也能保持较高的精确度(图1)。

(2)橄榄石的分离结晶作用对橄榄石和熔体中的V/Sc比值影响较小,因此分离结晶/堆晶作用所导致的橄榄石与熔体成分不平衡对KDOl/melt V/Sc氧逸度计结果影响并不显著。

(3)橄榄石中V和Sc具有相似的扩散速率,元素扩散作用对橄榄石中的V/Sc比值影响也相对较小。这一特性使得KDOl/melt V/Sc氧逸度计在复杂地质过程的应用中更为可靠和有效。

通过将KDOl/melt V/Sc氧逸度计应用于东太平洋洋隆和西南印度洋MORB样品,发现橄榄石中记录的氧逸度为FMQ+ 0.69 ± 0.22,显著高于MORB玻璃中Fe元素记录的氧逸度(图2)。在排除分离结晶作用和脱气作用的影响之后,本文提出淬冷过程中不同变价元素之间的电子交换反应是造成橄榄石和玻璃中记录的氧逸度存在分歧的原因,橄榄石中记录的高氧逸度可能反映了MORB初始熔体的氧逸度。

图1 不同氧逸度计精度对比(a) KDOl/melt V/Sc氧逸度计 , (b) Mallmann and O'Neill. (2013), (c) Wang et al. (2019) and, (d) Canil (2002).

通过将MORB原始熔体的氧逸度校正至源区温压条件下,本研究发现MORB源区的氧逸度为FMQ + 0.78 ± 0.26,对应软流圈地幔中的Fe3+/∑Fe比值为6-8%(Stagno et al., 2013),这一结果与部分熔融模拟结果完全一致,表明软流圈地幔的氧逸度显著高于岩石圈地幔(Fe3+/∑Fe = 3-4%)。

图2 MORB和夏威夷玄武岩的氧逸度计算结果

在软流圈地幔绝热上升的过程中,地幔的氧逸度会随着压力的降低而升高,当氧逸度高于EMOG/D缓冲线时,地幔中还原态的金刚石就会被氧化为碳酸盐矿物,因此上涌软流圈地幔的初始熔融深度并不由地幔橄榄岩的固相线控制,而是受控于金刚石/石墨与碳酸盐矿物之间的转换深度,即所谓的“氧化还原熔融”(Stagno et al., 2013)。传统地幔氧逸度研究认为MORB源区中Fe3+/∑Fe比值为3–4%,这种还原性的地幔绝热上升至100–150 km才会将石墨氧化为碳酸盐矿物,进而形成碳酸盐熔体(图3)。然而地球物理研究结果显示地幔中的高电导率层深度,即碳酸盐熔体可能存在的深度位于200-250km之间。本文研究结果表明MORB源区中Fe3+/∑Fe比值为6–8%,对应的氧化还原熔融发生的深度为200–250 km,与地球物理观测结果达到了一致。

图3 MORB氧化还原熔融模式图

上述研究表明软流圈地幔的氧逸度可能显著高于岩石圈地幔,这对我们理解深部碳循环过程以及碳酸盐熔体的形成机制均有重要的指示意义。

研究成果以“The Redox State of the Asthenospheric Mantle and the Onset of Melting Beneath Mid‐Ocean Ridges”为题发表于国际学术期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth,中国科学院海洋研究所博士后张方毅为第一作者,西北大学赖绍聪教授为通讯作者,共同作者还包括西北大学陈立辉教授,张超教授,秦江锋副教授,朱韧之副教授,王小均副教授,朱毓博士后,意大利罗马大学Vincenzo Stagno副教授和中国科学院海洋研究所王纪昕博士后。该研究受国家自然科学基金(42172056, 42303054, 41772052和42006051)资助。同时,为了方便广大科研工作者的使用,相关的EXCEL计算表格已包含在支撑材料中。

原文链接:https://doi.org/10.1029/2023JB027033

相关文献:

1. Mallmann, G., & O'Neill, H. S. C. (2013). Calibration of an empirical thermometer and oxybarometer based on the partitioning of Sc, Y, and V between olivine and silicate melt. Journal of Petrology, 54(5), 933–949. https://doi.org/10.1093/petrology/egt001

2. Stagno, V., Ojwang, D. O., McCammon, C. A., & Frost, D. J. D. J. (2013). The oxidation state of the mantle and the extraction of carbon fromEarth's interior. Nature, 493(7430), 84–88. https://doi.org/10.1038/nature11679

3. O'Neill, H. S. C., Berry, A. J., & Mallmann, G. (2018). The oxidation state of iron in Mid‐Ocean Ridge Basaltic (MORB) glasses: Implications for their petrogenesis and oxygen fugacities. Earth and Planetary Science Letters, 504, 152–162. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.10.002

4. Wang, J., Xiong, X., Takahashi, E., Zhang, L., Li, L., & Liu, X. (2019). Oxidation state of arc mantle revealed by partitioning of V, Sc, and Ti between mantle minerals and basaltic melts. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 124(5), 4617–4638. https://doi.org/10.1029/2018JB016731

5. Zhang, H. L., Cottrell, E., Solheid, P. A., Kelley, K. A., & Hirschmann, M. M. (2018). Determination of Fe3+/ΣFe of XANES basaltic glass standards by Mössbauer spectroscopy and its application to the oxidation state of iron in MORB. Chemical Geology, 479, 166–175. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2018.01.006