地球浅部上地幔硅酸盐熔融过程中硫的储存能力与分配行为及MORB源区熔融时S/Dy演化研究

本研究针对地幔硫存储机制争议，通过高压实验结合NanoSIMS分析，首次系统测定硅酸盐矿物-熔体硫分配系数（DSmin/melt），揭示硫在主要地幔矿物中的真实容量（≤2.44 ppm），修正了前人高估的分配系数（低至10-4），证明硅酸盐矿物对MORB硫循环影响可忽略，为理解地幔硫通量提供了关键约束。

　　

硫作为生命起源和矿产资源的关键元素，其在地球内部的分布与循环机制长期存在认知空白。传统理论认为地幔硫仅存在于硫化物/硫酸盐矿物中，但近年研究发现主要硅酸盐矿物可能含硫达数十ppm，且不同研究报道的硫分配系数（D_S^min/melt）差异达三个数量级（10^-1-10^-4）。这种争议直接影响对地幔硫储量估算和岩浆硫释放通量的预测，进而关系到地球早期生命演化、成矿作用乃至现代火山活动评估。

为解决这一难题，美国莱斯大学的研究团队在《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表研究，通过1.0-3.0 GPa高压熔融实验，结合NanoSIMS纳米级硫分析技术，系统测定了硫化物/硫酸盐饱和条件下五种地幔矿物（单斜辉石cpx、石榴石gt、斜方辉石opx、易变辉石pgt、斜长石pl）的硫含量及D_S^min/melt。研究采用含水/无水玄武质初始物质，在1200-1350°C、FMQ-1.5氧逸度条件下，通过电子探针（EPMA）测定熔体硫含量，NanoSIMS深度剖面分析避免硫纳米包裹体干扰。

【主要技术方法】
研究团队设计两类实验体系：（1）硫化物添加组使用MS1（BCR-1与地幔岩混合）和HAB初始物质，添加0.04-6.08 wt%硫；（2）硫酸盐添加组复用Chowdhury和Dasgupta（2019）实验产物。通过活塞圆筒装置模拟上地幔温压条件，采用NanoSIMS 50L进行硫面分布分析和深度剖析，结合PySulfSat模型计算硫化物饱和度（SCSS），建立矿物-熔体硫分配模型。

【研究结果】

1. 硫储存能力
   NanoSIMS揭示样品中普遍存在硫纳米包裹体热点。排除热点干扰后，硫化物饱和条件下硅酸盐矿物的最大硫容量为：cpx≤2.44 ppm、gt≤1.13 ppm、pl 0.80 ppm、pgt 0.48 ppm、opx 0.55 ppm，且与温度呈负相关，不受硫价态或压力影响。

2. 分配系数
   硫化物体系中D_S^cpx/melt≤0.04190，D_S^gt/melt≤0.01081，其他矿物系数低至0.00034；硫酸盐体系因S⁶⁺熔体溶解度升高，D_S^cpx/melt进一步降至0.00105。这些值比前人报道低1-3个数量级。

3. MORB硫循环模型
   将新分配系数应用于亏损MORB源地幔（DMM）绝热减压熔融模型，发现即使考虑硅酸盐矿物储硫，其对洋中脊玄武岩（MORB）S/Dy比值的影响可忽略，支持硫主要受控于硫化物溶解的传统观点。

【结论与意义】
该研究通过高精度实验证实：
（1）地幔主要硅酸盐矿物的实际硫容量不足3 ppm，仅占地幔总硫量的<10%，推翻"硅酸盐矿物是重要硫储库"的假说；
（2）建立可靠的D_S^min/melt数据集，为岩浆硫迁移模型提供关键参数；
（3）阐明硫在MORB形成过程中近乎完全不相容的行为，支持利用熔岩硫含量反演地幔源区特征的可行性。这项研究解决了地幔硫循环的核心争议，为行星挥发分演化、矿床形成和深部碳-硫耦合研究奠定理论基础。