西伯利亚榴辉岩型金刚石包裹体记录的太古宙对流地幔氧化还原状态：氧逸度、温度与压力约束

《SCIENCE ADVANCES》：Oxygen fugacity, temperature, and pressure of Siberian eclogitic diamonds: Implications for the Archaean convecting mantle redox state

　　

金伯利岩携带的榴辉岩捕虏体最终来源于古老俯冲洋壳。部分样品仍记录其火成原岩的化学与氧化还原条件，从而可窥见同时期对流地幔源区的特征。然而，由于榴辉岩在地幔岩石圈中历经数十亿年的交代作用改造，准确的源区重建受到限制。本研究对西伯利亚克拉通19颗榴辉岩型金刚石中接触与非接触的石榴石和单斜辉石包裹体进行了研究，这些包裹体因被金刚石封存而免受捕获后改造的影响。包裹体成分指示平均取样深度为180至280 km，温度为1030°至1540°C（±60°C），且大多数样品的氧化还原条件足以使金刚石从富水（碳酸盐）流体中结晶。重建的全岩成分指向由太古宙对流地幔源区形成的玄武质洋壳，该源区比现今地幔更贫氧，为古老洋壳源岩中存在氧化还原不均一性提供了有力证据。

【研究背景】地球表面约在24亿年前（2.4 Ga）开始氧化，此后俯冲作用可能一直是氧化物质进入深部地幔的主要载体，进而影响局部地幔氧化还原状态（即氧逸度，fO₂），并在长时间尺度上控制C、O、H、S、N、B、Cl等挥发性元素的循环。金伯利岩携带的榴辉岩捕虏体由太古宙俯冲洋壳经变质作用形成，经历了多阶段成因过程，包括对流地幔部分熔融形成火成原岩、海水蚀变、俯冲过程中的变质与部分熔融、进入克拉通岩石圈地幔后与交代介质的相互作用，以及被金伯利岩捕获等阶段。然而，榴辉岩在岩石圈地幔中长期遭受交代作用改造，使得其原岩氧化还原条件的准确重建面临挑战。以往基于石榴石Fe³⁺的氧温压计所获得的fO₂主要反映变质或晚期交代条件，而钒（V）因在部分熔融和交代过程中元素丰度较难被改造，可保留火成原岩的信息。此前尚无研究在同一金刚石包裹体上同时对比Fe³⁺/∑Fe基fO₂与V基fO₂，以重建俯冲洋壳从捕获到长期存留于大陆岩石圈地幔的化学与氧化还原演化。为此，研究人员开展了此项研究。

【研究方法】研究人员选取西伯利亚克拉通Yakutian省Udachnaya、Komsomolskaya、Nurbinskaya、Internatsionalnaya和Mir等原生金伯利岩体及Ebelyakh砂矿中的19颗榴辉岩型金刚石（含可见石榴石和单斜辉石包裹体），采用电子探针微分析（EPMA）测定主量和微量元素组成，利用同步辐射穆斯堡尔源（SMS）谱学定量石榴石和单斜辉石的Fe³⁺/∑Fe比值，结合拉曼光谱鉴定包裹体矿物并估算被困单斜辉石成分，通过Fe-Mg交换温度计与区域传导地温梯度联合确定平衡压力-温度（P-T），并应用榴辉岩氧温压计和V基氧逸度模型分别重建变质/交代阶段与原岩阶段的fO₂。

【研究结果】（1）E型矿物包裹体的化学组成及其Fe³⁺/∑Fe：石榴石包裹体为镁铝榴石（30-65 mol%）、铁铝榴石（23-40 mol%）和钙铝榴石（6-35 mol%）的固溶体，落入A、B、C类型分类区间，与西伯利亚克拉通其他E型金刚石及榴辉岩捕虏体中的石榴石成分重叠；石榴石V含量平均177 ppm，单斜辉石为绿辉石质，V含量平均360 ppm。石榴石包裹体Fe³⁺/∑Fe为0.02-0.10，单斜辉石为0.10-0.20。（2）金刚石lgm15寄主榴辉岩中石榴石和单斜辉石的化学组成：寄主岩石榴石较包裹体具有更高的镁铝榴石含量和较低的铁铝榴石、钙铝榴石含量，单斜辉石Na₂O降低、MgO升高；寄主岩与包裹体的稀土元素（REE）配分模式近于平行，为包裹体的原生（protogenetic）成因提供了地球化学证据；寄主岩单斜辉石较包裹体更富集不相容元素，指示交代叠加。（3）全岩重建与太古宙原岩约束：重建的全岩Fe³⁺/∑Fe为0.06-0.13，样品dia3达0.13±0.02，为现代洋中脊玄武岩（MORB）上限；全岩Fe³⁺/∑Fe与V浓度之间缺乏显著相关性，表明氧化还原相互作用影响铁价态但不改变V丰度。（4）包裹体记录的金刚石形成深度、温度与氧化还原条件：金刚石记录T为1030°-1540°C、P为5.8-9.2 GPa；lgm15包裹体与寄主岩的ΔlogfO₂（FMQ）分别为?3.5和?4.0，在误差范围内一致，表明地幔榴辉岩源区的氧化还原条件虽经交代作用仍得以保存；多数金刚石记录的fO₂接近C-O-H流体中H₂O饱和条件，指示从混合流体中氧化还原中性形成金刚石；接触包裹体对记录的D(Fe³⁺/∑Fe)_cpx-grt最低为1.43（lgm6）和1.70（dia2），与合成榴辉岩在碳/碳酸盐和CCO缓冲条件下的实验值一致。（5）太古宙对流地幔fO₂与深部碳提取：基于V的fO₂估算为?2（lgm15）至?1.5（dia2）log单位（FMQ），与Udachnaya和Zimbabwe捕虏体原岩重建结果一致，支持太古宙环境地幔较现代地幔（≈FMQ）更还原；lgm15包裹体与寄主岩记录相同的fO₂（?2 log单位，FMQ），证实V可作为对流地幔源区可靠的氧化还原示踪剂；样品dia2的V基fO₂（约?1.5）与Fe³⁺基fO₂（?1.2）高度一致，是岩浆氧化还原状态从对流地幔源区到岩石圈地幔就位得以保存的独特证据；低fO₂条件结合还原性C-O-H流体平衡的热力学预测，支持碳以含CH₄组分溶解于原始太古宙地幔熔体中存储，而太古宙对流地幔中零星氧化条件的证据则指示早期地球内部存在氧化还原不均一性。

【讨论与结论】研究人员总结认为，金刚石包裹体因被化学隔离数十亿年而保存了其源区信息，而榴辉岩捕虏体作为开放系统则记录了岩石圈地幔长期演化。lgm15金刚石与其寄主榴辉岩的直接对比表明，尽管寄主岩遭受了交代作用导致全岩MgO含量升高，V丰度仅略微降低，V基fO₂（?2 log单位，FMQ）在包裹体与寄主岩中保持一致，证实V作为对流地幔源区氧化还原示踪剂的可靠性；而Fe³⁺基fO₂（?3.5 log单位，FMQ）记录的是俯冲洋壳后续变质演化。样品dia2中V基与原岩fO₂和Fe³⁺基包裹体fO₂的一致性表明榴辉岩矿物组合具有长期有效的缓冲能力。研究结论指出，太古宙对流地幔源区比现今地幔更贫氧，为古老洋壳源岩中氧化还原不均一性提供了有力证据，并对地球内部CO₂向地表的提取及长期碳存储具有重要启示。该研究发表于《SCIENCE ADVANCES》。