廣州地化所在單斜輝石和熔體微量元素分配方面取得進展
行星硅酸鹽地幔氧逸度fO2是一個極其重要的物理化學(xué)參數(shù),它可以影響硅酸鹽幔物質(zhì)的眾多性質(zhì),比如流變、電導(dǎo)、金屬元素和揮發(fā)性元素的賦存狀態(tài)、遷移和含量等。不同于其他類地行星和月球,地球地幔的fO2相對較高。近20年來,大量的研究表明地球大洋地幔的fO2在FMQ左右(FMQ=fayalite-magnetite-quartz buffer),大量的研究也表明島弧地幔的fO2在FMQ 到FMQ+3之間。這些研究結(jié)論主要是建立在地幔礦物氧逸度計或者玄武巖玻璃中Fe3+/Fe2+比值的基礎(chǔ)之上。而近10年,美國休斯頓Rice大學(xué)Cin-Ty Lee 領(lǐng)導(dǎo)的科研小組發(fā)現(xiàn)島弧玄武巖和MORB中的V/Sc和Fe/Zn比值以及Cu含量非常相近。利用常壓下獲得的地幔礦物和熔體的V、Sc、Fe、Zn分配系數(shù),Cin-Ty Lee科研小組經(jīng)過地幔熔融模擬計算發(fā)現(xiàn)相同V/Sc或者Fe/Zn比值可能反映島弧地幔和大洋地幔有著相似的地幔fO2,在FMQ左右。因此,這就導(dǎo)致了近10年不同構(gòu)造環(huán)境條件下地幔fO2之爭。但很多人意識到,Cin-Ty Lee 科研小組使用的分配系數(shù)是常壓下獲得的分配系數(shù),到底溫度和壓力會不會產(chǎn)生玄武巖中V/Sc或者Fe/Zn的分異并不清楚。換言之,玄武巖中V/Sc或者Fe/Zn比值除了受fO2影響外,會不會也受溫度和壓力的影響?
為了能夠理清上述問題,廣州地化所李元在設(shè)定的fO2條件下同時測量了V和Sc在地幔單斜輝石和玄武質(zhì)熔體之間的分配系數(shù)——單斜輝石是地幔最重要的V-Sc載體。結(jié)果發(fā)現(xiàn),V和Sc的分配系數(shù)都會隨壓力和溫度的升高而降低,而且V和Sc的分配系數(shù)是相互協(xié)變的(圖1)。結(jié)合文獻數(shù)據(jù),進一步發(fā)現(xiàn),V和Sc分配系數(shù)的比值是一個常數(shù),不隨溫度、壓力、熔體成分、熔體水含量的變化而變化(圖2)。因此,這些結(jié)果證明,溫度、壓力、熔體成分、熔體水含量并不會導(dǎo)致地幔熔融過程中V和Sc的分異,即玄武巖中的V/Sc比值不受地幔熔融溫度、壓力、熔體成分、熔體水含量的影響。因此,地幔熔融過程中,V和Sc的相對行為就如同Zr和Hf的相對行為一樣,在地幔玄武巖中不會產(chǎn)生分異。這一工作進一步證實了島弧玄武巖和MORB中相似的V/Sc比值可能的確反映了其地幔源區(qū)具有相似的fO2。但將來的工作必須要考慮島弧地幔和大洋地??赡芫哂械牟煌V物組合特征,因為不同的礦物組合可以直接控制其所產(chǎn)生玄武巖中V/Sc或者Fe/Zn比值的不同。
以上成果受中組部資助,發(fā)表在5月份的American Mineralogist上。
圖1. V和Sc在單斜輝石和熔體之間的分配系數(shù)隨溫度和壓力的升高而降低,且V和Sc的分配系數(shù)相互協(xié)變。
圖2. V和Sc在單斜輝石和熔體之間分配系數(shù)的比值不受溫度-壓力-熔體成分及水含量的控制,即地幔部分熔融過程中,V和Sc不會發(fā)生分異,這和Zr和Hf的情況類似。
同位素地球化學(xué)國家重點實驗室 & 科技處供稿

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