海洋所研究揭示地幔氧化還原狀態(tài)演化歷史

中國科學(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，論證地幔氧逸度長期保持穩(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，研究自冥古宙以來地幔氧化還原狀態(tài)演化歷史對認(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)問題有重要意義。

目前對地幔氧逸度的研究主要通過對幔源熔體的氧逸度研究來實(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+/ΣFe比值），而且還受控于巖漿的起源深度。

為了直觀對比地質(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)，通過這些數(shù)據(jù)來約束地幔的氧化還原狀態(tài)和熱狀態(tài)的長期演化規(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)表于國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications，中國科學(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)長期演化歷史

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

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