橄榄石镁橄榄石含量作为残余橄榄岩熔融程度指标的研究及其地球动力学意义

本文通过实验数据校准，建立了橄榄石镁橄榄石含量（Fo=Mg/(Mg+Fe)）与地幔熔融程度（F）的线性关系：F=14.3(±0.4)×(Fo-Foo)。该关系不受温度（T）、压力（P）和H2O含量的显著影响，为蛇纹石化等蚀变橄榄岩的熔融程度估算提供了稳健方案，填补了传统全岩或单矿物（如尖晶石Cr、单斜辉石）方法在高压力/含水条件下的应用空白。

　　

Highlight

为什么F-Fo关系呈线性？

通过建立地幔熔融正向模型，我们发现FeO和MgO的分配行为决定了熔融程度（F）与橄榄石镁橄榄石含量（Fo）的线性关系。在封闭体系的平衡熔融中，质量守恒方程显示：

FeO_o = FeO_mF + FeO_R(1-F)

MgO_o = MgO_mF + MgO_R(1-F)

其中熔体（m）与残余固相（R）的Fe-Mg分配系数（K_D）稳定性是线性关系的核心。即使考虑温度（T）、压力（P）和挥发分的影响，Fo对F的响应仍保持稳健性。

氧逸度对F-Fo关系的影响评估

当考虑铁离子价态（Fe²⁺/Fe³⁺）时，氧逸度（fO₂）对残余橄榄岩Fo的影响远小于岩浆结晶环境。这是因为Fe³⁺在橄榄石中几乎完全不兼容（D_Fe3+≈0），而地幔熔融主要产生二价铁。实验数据证实，即使fO₂变化达5个数量级，Fo估算的F值偏差仍<5%。

不同F估算方法的实验数据对比

与传统方法（如尖晶石Cr#、全岩主量元素或单斜辉石微量元素）相比，Fo法在高压（>3 GPa）和含水条件下展现出独特优势。以Ghiorso et al. (2002)的熔融模型为基准，Fo法估算的F值与实验值平均偏差仅±0.03，显著优于其他方法（±0.08–0.15）。

蛇纹石化橄榄岩的应用实例

以美国Feather River蛇绿岩为例，强烈蛇纹石化导致全岩MgO损失达20%，但残余橄榄石Fo仍准确反映原始熔融程度（F=18%±2）。这验证了Fo法在蚀变样品中的可靠性——就像通过化石DNA重建古生物特征，即使岩石"表皮"已风化，橄榄石仍保存着地幔熔融的"基因记忆"。

结论与展望

橄榄石Fo作为"地幔熔融温度计"，其线性关系突破了传统方法对温压条件的依赖。未来结合原位微区分析，可进一步揭示古老克拉通（如太古代地幔包体）的超高熔融程度（F>25%）背后的动力学机制。