科研进展

广州地化所:地幔部分熔融过程中Co和Mn的分配行为受控于构造背景和源区属性

  
钴(Co)是关系国民经济、国家安全和高科技发展的重要战略金属资源,其在全球的分布极不均匀。钴资源与玄武质岩浆的成矿作用密切相关,玄武质岩浆的成分与地幔部分熔融过程和其形成的构造背景密切相关,因此,岩浆矿床中钴的资源量和成矿潜力应受控于其在不同构造背景下地幔部分熔融过程中的分配行为。
中科院广州地球化学研究所矿物学与成矿学重点实验室岩浆作用与成矿团队与加拿大Carleton大学姚卓森博士合作,采用热力学模拟的手段,获得了不同构造背景(洋中脊、地幔柱和俯冲带地幔楔)和源区属性(橄榄岩地幔和辉石岩地幔)条件下、地幔部分熔融过程中Co和Mn的分配行为以及不同熔融产物中的Co和Mn含量(图1),模拟结果与相应构造背景下自然样品(如洋脊玄武岩)的Co、Mn含量可相互验证。取得的主要认识如下:(1)洋中脊和地幔柱背景下,橄榄岩地幔减压熔融产生的熔体中Co、Mn含量随熔融程度升高而递减,因为减压熔融中温度、压力下降以及熔体中MgO含量的降低都会导致Co、Mn在硅酸盐矿物(橄榄石、单斜辉石、斜方辉石等)中的分配系数升高;(2)俯冲带地幔楔中,较高温度时的等压加水熔融可促进更多的Co、Mn释放进入熔体;(3)不同构造背景下地幔部分熔融产生的原始岩浆中,其Co、Mn含量范围为:俯冲带(Co: ~24-55 ppm; Mn: ~500-1100 ppm)<洋中脊(Co: ~39-84 ppm; Mn: ~900-1600 ppm)<地幔柱(Co: ~45-140 ppm; Mn: ~1000-2000 ppm);(4)与橄榄岩地幔柱熔融相比,辉石岩地幔减压熔融产生的熔体贫Co(~25-60 ppm)、Mn(~290-1600 ppm)和Ni(~160-340 ppm),且熔体中Co、Mn含量随熔融程度增加而增加,与橄榄岩地幔熔融过程中的分配行为相反。

图1 Co和Mn在洋中脊、地幔柱和俯冲带地幔楔部分熔融过程中的分配行为
另一方面,与Co地球化学性质相近的过渡族金属元素,如Mn, Ni和Fe等,其在地幔部分熔融过程中的分配行为经常被用于研究地幔不均一性和识别辉石岩地幔。前人曾通过洋岛玄武岩中这些元素的含量及其比值(如Fe/Mn等)变化识别源区中的辉石岩地幔组分。但最近的实验岩石学结果证明橄榄岩地幔在高温高压下熔融产物中的过渡族元素的成分特征与前人认为的辉石岩地幔组分参与的结果是类似的(Matzen et al., 2013, 2017a, b)。因此,查明Co、Mn、Ni等过渡族元素在不同构造背景和条件下地幔部分熔融过程中的分配行为,是解答这些元素富集机制、辉石岩地幔组份参与程度的关键。
考虑到橄榄岩地幔的高温高压熔融在所有上涌地幔柱中均有发生,只有清晰厘定并剔除这一过程对过渡族元素分配行为的影响,才能准确识别地幔源区中是否存在辉石岩地幔。本项工作借助热力学模拟,查明了橄榄岩地幔在不同深度部分熔融所产生的原始岩浆的Fe/Mn比值(图2a)以及相应橄榄石斑晶中Ni和Mn的含量(图2b-c),发现单纯的橄榄岩地幔在高温高压下发生熔融所形成的熔体也具有高Fe/Mn,晶出的橄榄石斑晶也具有富Ni、贫Mn特征,与辉石岩地幔熔融产生的效果基本一致。因此,根据熔体的Ni、Mn含量随熔融深度的规律性变化,获得了橄榄岩地幔减压熔融的趋势线(图2)。如果玄武岩具较高的Fe/Mn比、或橄榄石斑晶呈更高的Ni89或更低的Mn89,并且其投点分布在模拟的趋势线之外时,说明这些玄武岩形成时,不仅有橄榄岩地幔的减压熔融,而且其源区存在辉石岩地幔组分的贡献。该项工作可有效剔除了橄榄岩地幔部分熔融的干扰,清晰识别出辉石岩地幔的贡献。

图2 a)洋岛玄武岩和洋底高原中熔体的Fe/Mn比值与对应熔体的熔融深度的关系; 岩石圈-软流圈边界深度与橄榄石斑晶中Ni89(b)和Mn89(c)含量之间的关系
该项模拟结果还表明,当辉石岩地幔产生的贫Ni岩浆与橄榄岩地幔产生的富Ni岩浆在上侵过程中发生混合时,熔体的MgO含量和橄榄石饱和晶出温度会迅速降低,导致Ni在橄榄石和混合熔体间的分配系数显著升高,加之初始橄榄石斑晶的Fo值降低,结晶路径缩短,最终导致橄榄石斑晶呈“富Ni”的特征,这可以合理的解释与辉石岩地幔相关的玄武岩中橄榄石斑晶富Ni的特征。根据全球洋岛玄武岩中橄榄石斑晶的成分特征可以估算辉石岩地幔产生的熔体在混合熔体中的比例(图3),所得结果低于前人的估算值(Sobolev et al., 2005, 2007)。

图3橄榄石斑晶的Fo vs. Ni含量(a)和Fo vs. Mn含量(b)与从混合熔体中结晶出的橄榄石组分的对比
    本研究首次采用综合的优化模型来模拟不同构造背景下、地幔部分熔融过程中Co和Mn的分配行为,同时提供了判断源区中是否存在辉石岩组分的橄榄岩地幔等压熔融参考线,并对辉石岩地幔熔体与富Ni橄榄石斑晶的成因联系提供了一种新解释。研究成果近期发表于岩石学主流期刊Journal of Petrology。该研究受到国家自然科学基金重大研究计划(91962217)等项目的联合资助。
论文信息:Chen C, Yao ZS, Wang CY. 2022.Partitioning behaviors of cobalt and manganese along diverse melting paths of peridotitic and MORB-like pyroxenitic mantle. Journal of Petrology 63(4): egac021.