【中国科学报】新研究揭示氧化的弧下软流圈地幔

  

  3月23日,国际学术期刊《科学进展》(Science Advances)刊发了中国科学院广州地球化学研究所一项最新成果。该研究通过对全球十万多件弧火山岩样品数据进行系统汇总和梳理,揭示了氧化的弧下软流圈地幔。

  氧,作为生命生存的关键物质,是维持地球宜居环境的必要条件。大洋板块的俯冲携带了大量硫、铁、碳等氧化还原敏感的变价元素进入地球内部,驱动着地球表面与地球深部之间的氧循环,控制了地球历史时期大气中的氧气含量,对于宜居地球的形成和维持至关重要。

  目前研究普遍认为弧火山岩比洋中脊玄武岩更为氧化,然而其氧化的成因是“幔源”(俯冲板片对地幔楔的物质贡献)还是“壳源”(地壳演化过程的影响)存在极大争议,也是国际前沿的学术问题。而目前研究中的难点是,几乎没有能代表原生弧岩浆组成的火山岩,难以从根本上限定弧火山岩氧化的成因。

  原生弧岩浆的氧化还原状态决定了岩浆中变价元素S的含量,从而控制了岩浆中亲硫元素Cu的系统变化。基于此,中国科学院广州地球化学研究所博士研究生赵思宇、副研究员杨阳、研究员赵太平等人,对全球十万多件弧火山岩样品数据进行了系统汇总和梳理,发现不同俯冲带弧火山岩中的Cu/Zr比在岩浆演化初期均保持恒定,首次提出MgO>6%的弧火山岩的Cu/Zr比保存了其原生岩浆的信息,记录了地幔部分熔融过程中地幔硫含量和氧化还原状态的系统变化。

  该研究重新限定了弧下地幔的硫含量,创新性地运用弧火山岩的Cu/Zr比识别出全球弧岩浆中变价元素硫和亲硫元素的地球化学行为,明确了弧下地幔比洋中脊地幔更氧化,证实了弧岩浆氧化的成因来自于“幔源”。

  弧岩浆中的Cu不仅记录了原生弧岩浆氧化还原状态的信息,也是斑岩铜矿成矿的关键。斑岩铜矿占据了全球75% Cu的勘探总量,主要产出于俯冲带。超大型斑岩铜矿主要分布在地壳厚度较厚的弧,前人提出厚弧火山岩中低Cu含量是岩浆在深部地壳中硫化物大量堆晶的结果,以此提出早期大量硫化物堆晶是厚弧富集大型斑岩铜矿的关键。

  然而,该研究揭示了厚弧的原生岩浆具有较低Cu含量,是地壳厚度控制下地幔低程度部分熔融的结果,并不需要早期大量硫化物堆晶过程来降低岩浆中的Cu含量,这对斑岩铜矿中Cu的超常富集机制提出了挑战。

  该研究为近十年来关于弧岩浆氧化成因的争论提供了新的限定,为地表与地球深部的氧循环过程提供了重要的证据,也为揭示斑岩铜矿的成因研究提供了理论支持。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.abk0718