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陈栩琦,May 12, 2022
弧下地幔氧逸度氧逸度研究
岩浆系统氧逸度（fO2）被用于解释地球内外演化、地幔氧化还原状态、俯冲过程中的物质交换等重要过程。前人利用μ-XANES对橄榄石中的熔体包裹体的Fe3+/ΣFe的测量结果表明弧岩浆源区具有比MORB源区更高的氧逸度（Kelley and Cottrell, 2009）。然而也有人研究发现弧岩浆岩中Zn/Fe在早期岩浆演化过程中，和MORB中Zn/Fe保持一致，认为原始弧岩浆具有和MORB源区相似的氧逸度，弧岩浆较高的氧逸度是后期岩浆演化分异的结果（Lee et al., 2010）。因此关于弧岩浆源区是否是氧化的一致存在争议。
Cu作为氧化还原敏感元素，原始岩浆中的Cu含量也被用来指示源区的fO2（Lee et al., 2012）。但是铜作为中等不相容元素，地幔熔融也会显著影响原始岩浆中的Cu含量。因此，最近的研究提出利用Cu/Zr来指示地幔中Cu的行为（Zhao et al., 2022）。Cu和Zr在硅酸盐矿物（橄榄石，单斜辉石，斜方辉石）和熔体之间以及尖晶石和熔体之间的分配系数相似。因此，在没有硫化物相的情况下，Cu/Zr比值保持恒定，但一旦有硫化物参与，则在熔化和分化过程中发生规律性变化。 对MORB和弧岩浆岩的Cu/Zr研究发现，在MgO > 8%的MORB样品中，Cu/Zr保持不变；在弧岩浆中MgO >6 %的样品中，Cu/Zr也保持不变，这些Cu/Zr的特征代表了原始岩浆的特点。另外还发现原始岩浆中的Cu/Zr和部分熔融程度密切相关，弧岩浆和MORB的原始岩浆具有相似的Cu/Zr变化趋势（Fig.1）。这似乎意味着两种环境下地幔熔融过程中的氧逸度相似，但是原始岩浆中的Cu/Zr不仅对氧逸度敏感，而且也受到地幔S含量的影响。
Fig.1 MORB和弧火山岩原始岩浆中Zr含量与Cu/Zr变化。
弧下地幔的S含量的最低估计在300-450 ppm，高于MORB地幔的200 ppm。在不同氧逸度和S含量的条件下，对原始岩浆中Cu/Zr变化进行模拟，发现MORB和弧火山岩的原始弧岩浆中相似的Cu/Zr，可能是弧岩浆源区在高氧逸度下，低比例熔融的结果（Fig.2）。这也说明了弧岩浆源区具有高于MORB源区的氧逸度（Zhao et al., 2022）。
弧岩浆源区较高的氧逸度，可能是蛇纹岩脱水产生的SO42-加入到地幔楔中导致的氧化（Benard et al., 2018）；也可能是地幔楔中含水熔体与橄榄岩反应，水分解导致的氧化（Tollan and Hermann, 2019）。但是关于蛇纹岩脱水流体的氧化还原性质，一致存在争议，在高温蛇纹石化形成的蛇纹岩铁镍矿和单质铜，这些蛇纹石脱水过程中释放的就是还原性流体；而在低温蛇纹石化过程中形成的蛇纹石含有磁铁矿和富硫相，这些蛇纹石脱水可以释放出氧化性流体。这也说明了弧下地幔氧逸度的复杂性，对于弧下地幔的氧化还原状态以及原因还需要进一步研究。
Fig.2 估算不同硫含量的弧下地幔氧逸度变化。
参考文献：
K. Kelley, E. Cottrell. 2009. Water and the oxidation state of subduction zone magmas. Science 325, 605–607.
C.-T. A. Lee, P. Luffi, V. Le Roux, R. Dasgupta, F. Albaréde, W. P. Leeman. 2010. The redox state of arc mantle using Zn/Fe systematics. Nature 468, 681–685.
C. T. Lee, P. Luffi, E. J. Chin, R. Bouchet, R. Dasgupta, D. M. Morton, V. Le Roux, Q. Z. Yin, D. Jin. 2012. Copper systematics in arc magmas and implications for crust-mantle differentiation. Science 336, 64–68.
S. Y. Zhao, A. Y. Yang, C. H. Langmuir, T. P. Zhao. 2022. Oxidized primary arc magmas: Constraints from Cu/Zr systematics in global arc volcanics. Sci. Adv. 8, 0718.
A. Benard, K. Klimm, A. B. Woodland, R. J. Arculus, M. Wilke, R. E. Botcharnikov, N. Shimizu, O. Nebel, C. Rivard, D. A. Ionov. 2018. Oxidising agents in sub-arc mantle melts link slab devolatilisation and arc magmas. Nat. Commun. 9, 3500.
P. Tollan, J. Hermann. 2019. Arc magmas oxidised by water dissociation and hydrogen incorporation in orthopyroxene. Nat. Geosci. 12, 667–671.
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