C-O-H-F-Cl流体在大陆地根形成中的关键作用：来自克拉通地幔橄榄岩的挥发分证据

本研究通过分析Kaapvaal克拉通橄榄岩中挥发分（H2O、F、Cl）含量，揭示了俯冲带超临界C-O-H流体（富含SiO2、F、Cl且贫Ti）对太古宙克拉通岩石圈地幔中斜方辉石异常富集及金刚石成因的调控机制，为理解早期地球大陆根的形成与长期稳定性提供了新框架。

　　

地球大陆的古老核心——克拉通，其岩石圈地幔可延伸至160公里以下，并保持稳定超过25亿年。这种非凡的稳定性传统上归因于太古宙地幔熔融形成的难熔方辉橄榄岩（harzburgite）。然而，全球多个克拉通（如Kaapvaal、西伯利亚、Slave等）的地幔橄榄岩中普遍存在斜方辉石（orthopyroxene）和SiO₂异常富集现象，同时伴随Ti的显著亏损，这些特征无法用简单熔融过程解释。这一"斜方辉石富集之谜"长期困扰着地球科学家，其成因涉及大陆根形成机制、早期板块构造样式等根本性问题。

针对这一争议，剑桥大学S. A. Gibson团队在《Nature Communications》发表研究，创新性地通过Kaapvaal克拉通橄榄岩中挥发分（H₂O、F、Cl）的系统分析，揭示了C-O-H-F-Cl流体在塑造大陆根中的关键作用。研究人员采用二次离子质谱（SIMS）高精度测定挥发分含量，结合主微量元素地球化学分析和热力学模拟，首次建立了斜方辉石富集与俯冲流体交代的直接证据链。

关键技术方法

1. 1.

   显微矿物学分析：通过电子探针（EMPA）测定橄榄石、辉石等矿物的主量元素组成

2. 2.

   原位挥发分分析：采用SIMS技术测定Kaapvaal和坦桑尼亚克拉通23个橄榄岩样品中H₂O、F、Cl含量

3. 3.

   激光剥蚀ICP-MS：获取单矿物（石榴石、单斜辉石）的微量元素组成

4. 4.

   熔融模型：基于稀土元素（REE）反演计算原始熔融程度

5. 5.

   质量平衡计算：评估超临界流体对SiO₂和挥发分的贡献比例

研究结果

1. 斜方辉石富集与挥发分异常耦合

斜方辉石含量>25%的富榴方辉橄榄岩显示出显著升高的H₂O（均值83±38 μg/g）和F含量，其中金刚石样品BD2125的挥发分异常尤为突出（H₂O 119 μg/g，F 70 μg/g）。橄榄石中F含量与斜方辉石富集度呈正相关（r=0.72），暗示流体渗透导致橄榄石（Mg₂SiO₄）与SiO₂反应生成斜方辉石（Mg₂Si₂O₆）的交代过程。

2. 微量元素指纹指示俯冲流体来源

富榴方辉橄榄岩呈现典型的"俯冲信号"：高Pb、低Ti、Nb-Ta亏损及正弦型REE配分模式。质量平衡计算表明，约30%的碳化沉积物（carbonated pelite）来源超临界流体（含30 wt.% H₂O和10 wt.% CO₂）可解释其SiO₂和挥发分异常。

3. 金刚石成因与流体交代的直接关联

含金刚石样品BD2125中发现的富Cl金云母（0.17 μg/g）和高F橄榄石（135 μg/g），与金刚石包裹体中含水矿物的成分特征一致，证实了硅质C-O-H-F-Cl流体在金刚石形成中的媒介作用。

结论与意义

本研究建立了太古宙克拉通地幔演化的新范式：

1. 1.

   形成机制：斜方辉石富集是俯冲板片（蛇纹岩+碳化沉积物）释放的超临界流体与难熔方辉橄榄岩反应的产物，反应通式为：Mg₂SiO₄ + SiO₂ → Mg₂Si₂O₆

2. 2.

   构造意义：证实太古宙（>2.5 Ga）已存在现代样式的板块俯冲作用，流体的组成特征（高H₂O/F比）反映当时大洋岩石圈的水化程度高于现代

3. 3.

   资源启示：揭示了金刚石矿床与俯冲流体的成因联系，为克拉通型金刚石勘探提供了新的地球化学指标（如低Ce/Pb、高H₂O/Ce）

4. 4.

   稳定性谜题：超临界流体交代可能通过改变地幔粘度影响克拉通长期稳定性，这为解释华北克拉通破坏等事件提供了新视角

该研究突破了传统"熔体-岩石反应"理论的局限，将挥发分地球化学与大陆根形成研究相结合，为理解地球早期构造-挥发分循环提供了关键证据链。未来需要更多高温高压实验来约束C-O-H-F-Cl流体在深部地幔中的分配行为，进一步完善这一模型。