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中國(guó)科學(xué)院海洋研究所孫衛(wèi)東課題組張方毅博士等發(fā)表最新研究論文,首次將地幔的熱狀態(tài)、氧化還原狀態(tài)和大氣成分演化歷史有機(jī)關(guān)聯(lián)起來(lái),論證地幔氧逸度長(zhǎng)期保持穩(wěn)定,為進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)地球多圈層系統(tǒng)的協(xié)同演化歷史提供了全新視角。成果于8月10日在Nature Communications在線發(fā)表。

地幔氧逸度控制地幔中揮發(fā)分的賦存形式和活動(dòng)性,影響幔源巖漿活動(dòng)中釋放的揮發(fā)分組成,進(jìn)而影響大氣成分。因此,研究自冥古宙以來(lái)地幔氧化還原狀態(tài)演化歷史對(duì)認(rèn)識(shí)深部碳循環(huán)、大氣成分演化以及生命起源等重要科學(xué)問(wèn)題有重要意義。

目前對(duì)地幔氧逸度的研究主要通過(guò)對(duì)幔源熔體的氧逸度研究來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而,由于Fe3+在石榴子石中的穩(wěn)定性會(huì)隨著壓力的升高而升高,在地幔成分保持不變的情況下,幔源巖漿的氧逸度會(huì)隨著熔融深度的增加而降低。因此,不同深度起源熔體的氧逸度差異不僅受控于地幔固有氧逸度(Fe3+/ Fe比值),而且還受控于巖漿的起源深度。

為了直觀對(duì)比地質(zhì)歷史時(shí)期不同起源深度的熔體反映的地幔氧逸度特征,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所與Sapienza University of Rome的研究者進(jìn)行合作研究,提出了一個(gè)全新的參數(shù):“潛能氧逸度”。這一參數(shù)參考了經(jīng)典的“潛能溫度”的定義,其代表了地幔在成分保持不變的情況下,假設(shè)其不發(fā)生熔融減壓上升至1GPa時(shí)的氧逸度。使用 “潛能氧逸度”這一參數(shù)可以直接對(duì)比不同深度起源巖漿地幔源區(qū)的氧化還原狀態(tài),因此可以用來(lái)約束地幔氧化還原狀態(tài)的演化歷史。

建立“潛能氧逸度”參數(shù)后,研究者們收集整理了全球自3.8Ga以來(lái)正常的環(huán)境地幔(指未受俯沖帶和地幔柱影響的地幔橄欖巖)衍生玄武巖和地幔柱衍生的科馬提巖和苦橄巖數(shù)據(jù),通過(guò)這些數(shù)據(jù)來(lái)約束地幔的氧化還原狀態(tài)和熱狀態(tài)的長(zhǎng)期演化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明,太古宙巖漿的氧逸度顯著低于太古宙之后巖漿的氧逸度(圖1b)。與此同時(shí),巖漿的氧逸度與地幔潛能溫度和熔融壓力表現(xiàn)出了很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2)。這一現(xiàn)象指示太古宙時(shí)期高地幔潛能溫度所造成的部分熔融深度大可能是導(dǎo)致太古宙巖漿氧逸度偏低的原因。在將所有幔源巖漿的氧逸度校正至“潛能氧逸度”之后發(fā)現(xiàn),無(wú)論是環(huán)境地幔還是地幔柱源區(qū)(下地幔)的氧逸度自冥古宙以來(lái)均保持不變,而造成幔源巖漿氧逸度變化的原因則是地幔熔融深度和程度的變化(圖3)。

研究成果以“The constant oxidation state of Earth’s mantle since the Hadean”為題發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所博士后張方毅為第一作者,孫衛(wèi)東研究員為通訊作者,共同作者包括意大利羅馬大學(xué)Vincenzo Stagno副教授和中國(guó)科學(xué)院海洋研究所張麗鵬副研究員、陳晨博士、劉海洋副研究員和李聰穎副研究員。

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-50778-z

圖 1. 幔源巖漿的熱狀態(tài)和氧化還原狀態(tài)長(zhǎng)期演化歷史

(a)地幔潛能溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì);(b)幔源巖漿氧逸度隨時(shí)間變化趨勢(shì);(c)地幔潛能氧逸度長(zhǎng)期保持不變


圖2. 幔源巖漿的氧逸度與地幔潛能溫度和部分熔融壓力之間的相關(guān)性

圖3. 幔源巖漿的氧逸度受地幔熱狀態(tài)的控制

(a)太古宙高溫的地幔誘發(fā)了深部地幔發(fā)生高程度的部分熔融,造成該時(shí)期的幔源巖漿具有較低的氧逸度;(b)太古宙之后,隨著地幔潛能溫度的降低,地幔熔融深度逐漸降低,形成了較為氧化的熔體

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