地大新聞網(wǎng)訊 （記者 孫彥欽）近日，我校地質(zhì)過(guò)程與成礦預(yù)測(cè)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室章軍鋒教授、巫翔教授團(tuán)隊(duì)，在《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表最新研究成果。該高溫高壓研究課題組在中國(guó)東部新生代霞石巖中發(fā)現(xiàn)源自深度超過(guò)500 km的地幔橄欖巖碎片（圖1a），并被證實(shí)是目前全球起源最深的地幔橄欖巖，為地球深部物質(zhì)屬性研究提供了寶貴的天然巖石樣品。
圖1、(a)富Na超硅石榴子石橄欖巖殘片，橄欖石呈現(xiàn)完全不規(guī)則形態(tài)；(b)橄欖石核部含納米級(jí)鐵鎳合金，虛線(xiàn)黃框?yàn)榧{米樣品靶位；(c)透射電鏡結(jié)果顯示橄欖石核部含有大量納米級(jí)礦物包裹體；(d)和(e)尖晶石+橄欖石莫爾條紋結(jié)構(gòu)，推斷為瓦茲利石/林伍德石（橄欖石的高壓相）的退變殘余物。
地球內(nèi)部巖石的物理化學(xué)性質(zhì)和演化，是地表宜居環(huán)境變遷的關(guān)鍵控制因素。玄武質(zhì)火山巖及其攜帶的巖石捕虜體是研究地球深部巖石物理化學(xué)性質(zhì)主要的天然巖石載體。然而地球深部（>250公里）的巖石物理化學(xué)性質(zhì)主要依賴(lài)于地球物理觀(guān)測(cè)和高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究，缺乏天然樣品的直接觀(guān)測(cè)。比如，全球最大規(guī)?；鹕交顒?dòng)主要分布于環(huán)太平洋的島弧地區(qū)，其原始巖漿通常起源于幾十公里至一百公里左右；夏威夷、冰島等地區(qū)出露的洋島玄武巖可能具有更深的起源深度，局部可能達(dá)到200公里以上。零星分布于古老大陸克拉通地區(qū)的金伯利巖被認(rèn)為是起源深度最深的巖漿，可以達(dá)到250公里。雖然金伯利巖中攜帶的超深金剛石包裹體礦物可以提供一些地幔過(guò)地帶至下地幔的礦物學(xué)信息，但是這類(lèi)樣品通常顆粒尺寸不超過(guò)幾十微米，其記錄的深部信息有限。
本研究發(fā)現(xiàn)的石榴子石橄欖巖捕虜體存在于中國(guó)東部浙江地區(qū)的新生代霞石巖中，其礦物組成約含有橄欖石45%、斜方輝石25%、單斜輝石20%和石榴子石10%。石榴子石具有核—邊結(jié)構(gòu)，核部為“亞微米結(jié)構(gòu)的橄欖石+斜方輝石+尖晶石+富鈉基質(zhì)”組成的集合體，邊部為細(xì)粒結(jié)構(gòu)的斜方輝石+單斜輝石+尖晶石+富鈉斜長(zhǎng)石，兩者均為石榴子石退變產(chǎn)物。
電子探針?lè)治鼋Y(jié)果表明這些石榴子石富含二氧化硅、氧化鎂、氧化鈉和氧化鉀等，是富鈉超硅石榴子石的退變產(chǎn)物。根據(jù)主量元素進(jìn)行壓力計(jì)算，結(jié)果顯示其記錄的壓力達(dá)到13-19 GPa（約為400-550公里），來(lái)源于地幔過(guò)渡帶。同位素研究結(jié)果顯示富鈉石榴子石具有虧損的Nd同位素和相對(duì)富集的Sr和Zn同位素，這些同位素特征顯示地球表面低溫過(guò)程的影響，推斷這些石榴子石的初始物質(zhì)和滯留于地幔過(guò)渡帶的殘余俯沖洋殼物質(zhì)具有密切關(guān)系。
富鈉超硅石榴子石的核部廣泛出露亞微米級(jí)的Fe-Ni合金顆粒，在其邊部逐漸消失。研究人員在少量富鈉石榴子石中發(fā)現(xiàn)深灰色的橄欖石礦物包裹體，其核部也存在納米級(jí)的Fe-Ni合金顆粒和尖晶石、無(wú)定型二氧化硅共存（圖1b）。亞微米級(jí)—納米級(jí)Fe-Ni合金顆粒指示富鈉石榴子石形成于還原環(huán)境。橄欖石的電子能量損失譜（EELS）顯示，納米級(jí)的Fe-Ni合金顆粒分布區(qū)域的三價(jià)鐵比例（Fe3+/ΣFe）高達(dá)35-40%，暗示這些Fe-Ni合金顆粒和高比例三價(jià)鐵是橄欖石包裹體中的二價(jià)鐵發(fā)生歧化反應(yīng)（3Fe2+ = 2Fe3+ + Fe0）形成的。
根據(jù)其他學(xué)者已開(kāi)展的礦物和熔體歧化反應(yīng)高溫高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其反應(yīng)過(guò)程受控于壓力，其發(fā)生的深度條件至少需要達(dá)到250公里。另外，此類(lèi)橄欖石的核部還發(fā)現(xiàn)納米級(jí)尖晶石+橄欖石形成的莫爾條紋結(jié)構(gòu)（圖1d, e），被認(rèn)為是瓦茲利石/林伍德石（地幔過(guò)渡帶中的橄欖石高壓相）的退變殘余物。
通過(guò)研究，這些礦物學(xué)證據(jù)進(jìn)一步證實(shí)該石榴子石橄欖巖包體來(lái)源深度至少達(dá)到410公里。
大洋板塊俯沖是板塊構(gòu)造理論中最引人注目的一個(gè)環(huán)節(jié)，形成全球最為顯著的地震帶、火山活動(dòng)帶和礦產(chǎn)資源富集帶。通過(guò)板塊俯沖過(guò)程，地球表面的地殼物質(zhì)、水和二氧化碳等揮發(fā)分可以進(jìn)入地球深部，改造地球內(nèi)部的物質(zhì)屬性、溫壓結(jié)構(gòu)和氧化還原性質(zhì)等物理化學(xué)條件。地球物理觀(guān)測(cè)結(jié)果顯示，大部分俯沖板塊物質(zhì)滯留在地幔過(guò)渡帶（深度為410-660公里），經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化后俯沖至下地幔。深部起源的洋島玄武巖和大陸板內(nèi)玄武巖的Sr-Nd-Pb-Mg-Zn等同位素組成特征表明部分俯沖大洋板片物質(zhì)可能再循環(huán)返回地表。上涌的軟流圈地幔在殼—幔物質(zhì)循環(huán)過(guò)程中扮演重要的角色。
圖2、地幔過(guò)渡帶滯留的深俯沖殘余洋殼再循環(huán)示意圖。
本研究提供的礦物學(xué)證據(jù)證明該石榴子石橄欖巖碎片包含起源于地幔過(guò)渡帶的再循環(huán)洋殼物質(zhì)（圖2），是當(dāng)前已發(fā)現(xiàn)的全球最深的地幔巖石碎片，為研究地球深部過(guò)程提供了寶貴的天然巖石樣品。
該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42225202）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFF0804100）資助。（審稿 陳華文）
論文鏈接：Iron disproportionation in peridotite fragments from the mantle transition zone | Nature Communications
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