地幔过渡带中铁歧化反应的新证据：来自中国东部新生代玄武岩中橄榄岩碎片的启示

为解决深部地幔中铁氧化还原状态的关键科学问题，研究人员通过分析中国东部新生代玄武岩中的橄榄岩碎片，首次发现含Na+的镁铁榴石（Na-rich majoritic garnet）和含Fe0-尖晶石包裹体的橄榄岩，证实了地幔过渡带（MTZ）中铁歧化反应（3Fe2+→2Fe3++Fe0）的存在。该研究为理解停滞太平洋板块在东亚大地幔楔（BMW）中的循环机制提供了直接岩石学证据，对揭示深部地幔的氧化还原环境演化具有重要意义。

　　

地球深部地幔的氧化还原状态一直是地球科学领域的核心谜题。传统观点认为，250公里以下的地幔可能因硅酸盐中铁的歧化反应（3Fe²⁺→2Fe³⁺+Fe⁰）而富含铁镍金属相，但长期以来缺乏直接的天然岩石证据。尽管超深钻石中曾发现铁合金包裹体，但地幔硅酸盐矿物中Fe³⁺与Fe⁰的共存现象始终未被观测到。这一空白严重制约了人类对深部地幔物质循环和氧化还原过程的理解。

针对这一挑战，中国地质大学（武汉）的Fabin Pan、Xiang Wu和Junfeng Zhang团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。通过对中国浙江新生代玄武岩中的橄榄岩捕虏体进行分析，首次发现了源自地幔过渡带（410-550公里）的含Na⁺镁铁榴石（Na-rich majoritic garnet）和含Fe⁰-尖晶石包裹体的橄榄岩。这些样品如同来自深部地幔的"时间胶囊"，记录了停滞太平洋板块在东亚大地幔楔中的循环历史。

研究团队运用了多项关键技术：1）电子探针微区分析（EPMA）结合25μm大束斑技术重建分解榴石成分；2）聚焦离子束（FIB）制备透射电镜样品揭示纳米级包裹体；3）电子能量损失谱（EELS）定量测定Fe³⁺/ΣFe比值；4）LA-ICP-MS分析榴石核部痕量元素；5）全岩Sr-Nd-Zn同位素示踪物质来源。

Na-rich majoritic garnet derived from the MTZ
通过重构分解榴石核部成分，发现其具有高Si+Ti（3.13-3.15 p.f.u.）和低Mg+Fe+Ca（2.83-2.96 p.f.u.）特征，Na-Maj（钠质镁铁榴石）含量指示形成压力为13.3-18.9 GPa（对应深度410-550公里）。

Sr-Nd-Zn同位素显示其与碳化MORB（洋中脊玄武岩）相似，证实其源自停滞太平洋板块与地幔过渡带的反应产物。

Olivine originated from the MTZ
橄榄岩中发现的第三种橄榄石（Ol3）含有纳米级Fe-Ni合金和尖晶石包裹体，HRTEM显示其为瓦兹利石/林伍德石（wadsleyite/ringwoodite）退变产物。

EELS分析显示Ol3及其包裹体具有异常高的Fe³⁺/ΣFe比值（0.35-0.40），与高压含水实验数据吻合。

Iron disproportionation in deep mantle silicates
分解榴石中Fe含量显著低于其他榴石（0.20-0.23 p.f.u.），而Fe-Ni合金广泛分布，证实铁歧化反应导致Fe⁰出溶。与超深钻石中富Fe包裹体不同，本研究首次在天然样品中同时发现Fe³⁺硅酸盐与Fe⁰金属相的共存，为地幔过渡带普遍存在金属相提供了直接证据。

Implications for recycling from the stagnant Pacific slab
研究提出创新性模型：停滞板块释放的碳化熔体在MTZ发生氧化还原冻结，上涌流携带含金属相的榴石和橄榄岩进入上覆地幔。

Fe-Ni合金的Ni含量变化（Fe/Ni=0.44-280）揭示MTZ氧逸度接近IW缓冲剂，挑战了"俯冲导致深部地幔氧化"的传统认知。

这项研究的意义在于：1）首次提供天然样品证据证实地幔过渡带铁歧化反应；2）揭示停滞板块物质可通过小尺度上涌（return flow）进入大地幔楔；3）提出深部地幔氧化还原状态可能受控于内部平衡而非外部输入。该发现为理解地球深部碳-氢-硫循环提供了新的理论框架，对行星内部氧化还原演化研究具有里程碑意义。