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徐峥等-GCA：在俯冲带硫循环研究中取得新认识

撰稿：发布时间：2021-06-09

硫是自然界中的重要挥发分之一，其在岩浆的演化、金属矿床的形成、火山喷发以及环境变化中起到重要的作用。与俯冲带相关的弧岩浆岩地幔源区中含有200 – 500 ppm硫，高于亏损地幔。这反映了板片在弧下深度脱水/熔融时会将大量的硫通过板片释放的熔/流体再循环入地幔中。而熔/流体中硫的溶解度则决定了其运移硫的能力，也制约着再循环入地幔的硫的量。因此俯冲带温度压力下熔/流体中硫溶解度的测定对俯冲带硫循环起着限定作用。然而前人对硅酸盐熔体中硫溶解度的实验研究大部分是在低压(<1 GPa)下进行的，很少有在俯冲带温压下硫溶解度的实验，这限制了对俯冲带硫循环的认识。

　　中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室徐峥助理研究员和李元研究员为了确定俯冲大洋板片部分熔融时产生的熔体运移硫的能力设计了一系列实验。他们采用反映大洋板片中沉积物和蚀变MORB熔融产物的流纹质熔体和安山质熔体作为初始熔体，硫酸钙为硫源，在0.5 – 5 GPa、900 – 1200 °C的温压条件下进行了一系列实验，测得在硫酸钙饱和时，硅酸盐熔体中硫的溶解度(SCAS)为170 – 3500 ppm硫。SCAS随熔体中CaO、水含量以及温度的增加而增大，而压力对SCAS的影响可以忽略不计。他们收集了文献发表的SCAS数据，并以此为基础来评估前人的SCAS经验模型。结果表明，Zajacz和Tsay (2019)提出的SCAS经验模型最为精确(图1)。

图1 不同经验模型计算得出的SCAS与实测值对比。实线代表计算值与实测值相等，虚线代表计算值为实测值的0.8倍和1.2倍

　　利用Zajacz和Tsay (2019)的SCAS经验模型，他们估计俯冲带板片在弧下深度熔融时熔体中至多能携带300 – 1200 ppm S⁶⁺。但由于岛弧岩浆岩源区中板片熔体组分的比例有限，单纯熔体交代地幔无法为弧下地幔提供足够的硫以达到后者的高硫含量(图2a)。尽管如此，熔体中的S⁶⁺仍能通过将地幔中的Fe²⁺氧化为Fe³⁺，使地幔的氧逸度升高至FMQ+0.5至FMQ+2 (图2b)。

　　地幔熔融时，假设地幔中的硫均以S^2-形式存在，那么产生的熔体中S^2-会将Fe³⁺还原为Fe²⁺，导致熔体氧逸度相对源区偏低。基于这个原理，他们还计算了地幔熔融时熔体的氧逸度，发现在熔融程度很小(<2%)时，由于进入熔体的S^2-较少，熔体与源区氧逸度相差无几；而当熔融程度较大时，进入熔体的S^2-较多，导致熔体的氧逸度相对源区可明显偏低(图3)。

　　最后，他们计算了弧岩浆演化时硫含量和氧逸度值的变化。认为弧岩浆演化时，硫会随着硫化物的分离结晶和去气作用而从岩浆中分离。母岩浆的氧逸度越低，从岩浆中分离的硫的量就越多(图4)。如果演化的弧岩浆是大陆地壳的主要来源，那么只有在母岩浆的氧逸度比较低(不高于FMQ+0.5至FMQ+1)时，演化后的弧岩浆中的硫含量才可能与大陆地壳值相吻合。

图2 板片熔融产生的熔体交代地幔时(a)地幔硫含量和(b)地幔氧逸度的变化

图3 部分熔融时熔体氧逸度的变化

图4 岩浆演化(岩浆MgO降低)时岩浆、硫化物、硫酸盐和流体中的硫占初始硫比例的变化

　　项目成果近期发表在《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。该项目受到了国家重点研发计划重点专项(2018YFA0702702)和国家自然科学基金(42021002)的资助。

　　论文信息：Xu, Z., Li, Y., 2021. The sulfur concentration at anhydrite saturation in silicate melts: Implications for sulfur cycle and oxidation state in subduction zones. Geochimica et Cosmochimica Acta 306, 98-123.

　　论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2021.05.027.

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