广州地化所在单斜辉石和熔体微量元素分配方面取得进展

行星硅酸盐地幔氧逸度fO2是一个极其重要的物理化学参数，它可以影响硅酸盐幔物质的众多性质，比如流变、电导、金属元素和挥发性元素的赋存状态、迁移和含量等。不同于其他类地行星和月球，地球地幔的fO2相对较高。近20年来，大量的研究表明地球大洋地幔的fO2在FMQ左右（FMQ=fayalite-magnetite-quartz buffer），大量的研究也表明岛弧地幔的fO2在FMQ 到FMQ+3之间。这些研究结论主要是建立在地幔矿物氧逸度计或者玄武岩玻璃中Fe3+/Fe2+比值的基础之上。而近10年，美国休斯顿Rice大学Cin-Ty Lee 领导的科研小组发现岛弧玄武岩和MORB中的V/Sc和Fe/Zn比值以及Cu含量非常相近。利用常压下获得的地幔矿物和熔体的V、Sc、Fe、Zn分配系数，Cin-Ty Lee科研小组经过地幔熔融模拟计算发现相同V/Sc或者Fe/Zn比值可能反映岛弧地幔和大洋地幔有着相似的地幔fO2，在FMQ左右。因此，这就导致了近10年不同构造环境条件下地幔fO2之争。但很多人意识到，Cin-Ty Lee 科研小组使用的分配系数是常压下获得的分配系数，到底温度和压力会不会产生玄武岩中V/Sc或者Fe/Zn的分异并不清楚。换言之，玄武岩中V/Sc或者Fe/Zn比值除了受fO2影响外，会不会也受温度和压力的影响？

为了能够理清上述问题，中国科学院广州地球化学研究所李元在设定的fO2条件下同时测量了V和Sc在地幔单斜辉石和玄武质熔体之间的分配系数——单斜辉石是地幔最重要的V-Sc载体。结果发现，V和Sc的分配系数都会随压力和温度的升高而降低，而且V和Sc的分配系数是相互协变的（图1）。结合文献数据，进一步发现，V和Sc分配系数的比值是一个常数，不随温度、压力、熔体成分、熔体水含量的变化而变化（图2）。因此，这些结果证明，温度、压力、熔体成分、熔体水含量并不会导致地幔熔融过程中V和Sc的分异，即玄武岩中的V/Sc比值不受地幔熔融温度、压力、熔体成分、熔体水含量的影响。因此，地幔熔融过程中，V和Sc的相对行为就如同Zr和Hf的相对行为一样，在地幔玄武岩中不会产生分异。这一工作进一步证实了岛弧玄武岩和MORB中相似的V/Sc比值可能的确反映了其地幔源区具有相似的fO2。但将来的工作必须要考虑岛弧地幔和大洋地幔可能具有的不同矿物组合特征，因为不同的矿物组合可以直接控制其所产生玄武岩中V/Sc或者Fe/Zn比值的不同。

以上成果受中组部“青年千人”项目资助，发表在5月份的American Mineralogist上。

图1. V和Sc在单斜辉石和熔体之间的分配系数随温度和压力的升高而降低，且V和Sc的分配系数相互协变。

　　图2. V和Sc在单斜辉石和熔体之间分配系数的比值不受温度-压力-熔体成分及水含量的控制，即地幔部分熔融过程中，V和Sc不会发生分异，这和Zr和Hf的情况类似。