辛雨 薛勝超 王信水 王慶飛 王路陽(yáng) 王曉曼 張瑞麟 趙晉花

氧逸度(fO2)是描述體系氧化還原狀態(tài)的強(qiáng)度變量,在地幔條件下,氧逸度通常表示氧的化學(xué)潛能,即氧的氧化能力。在地球演化和地幔元素地球化學(xué)行為的研究中,地幔氧逸度是極其重要的內(nèi)容。當(dāng)氧逸度發(fā)生變化時(shí),變價(jià)元素的氧化還原狀態(tài)會(huì)隨之改變,地幔礦物組合以及礦物穩(wěn)定性也會(huì)受到影響( 陶仁彪等, 2015;王錦團(tuán), 2019)。此外,氧逸度在理解幔源巖漿的形成和演化過(guò)程、揮發(fā)分的組成和性質(zhì)以及巖漿-熱液金屬礦床的成礦機(jī)制中扮演著重要角色(王錦團(tuán)等, 2020)。俯沖帶的殼幔相互作用是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程,為研究不同圈層之間的氧逸度提供了天然實(shí)驗(yàn)室。板塊俯沖是地殼物質(zhì)進(jìn)入地幔并發(fā)生殼幔相互作用的主要地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制,俯沖進(jìn)入地球內(nèi)部的地殼物質(zhì)又可以通過(guò)多種機(jī)制、不同程度地返回地殼甚至地表(Stern, 2002; Kelley and Cottrell, 2009; Marschall and Schumacher, 2012; 鄭永飛等, 2016; 余江和郝艷濤, 2021; 趙子福等, 2021; 肖文交等, 2022)。

根據(jù)俯沖板片的性質(zhì)不同,可以將俯沖帶分為兩大類:大洋俯沖帶(洋-洋俯沖、洋-陸俯沖)和大陸俯沖帶(陸-陸俯沖、大陸巖石圈俯沖到大陸邊緣弧地體)(鄭永飛等, 2016)。本文僅限于討論具有普適意義的大洋俯沖帶的弧巖漿氧化還原狀態(tài)。俯沖的大洋板片由大洋地殼和大洋巖石圈地幔組成,其中大洋地殼包括上覆的沉積物和下覆的基性洋殼。俯沖過(guò)程中由于溫度、壓力的升高,洋殼沉積物和基性洋殼會(huì)發(fā)生變質(zhì)作用并伴隨脫流體的過(guò)程(Tatsumi and Kogiso, 1997; Beboutetal., 1999; Ryan and Chauvel, 2014; Zhangetal., 2021; 李繼磊等, 2022)。大洋巖石圈地幔則主要為蛇紋石化橄欖巖或蛇紋巖,是俯沖板片中水的重要儲(chǔ)庫(kù),俯沖過(guò)程中蛇紋巖將脫水產(chǎn)生流體(Wunder and Schreyer, 1997; Evansetal., 2013; Guillot and Hattori, 2013; Schmidt and Poli, 2014)。這些流體富含碳-氫-氮-硫、鹵素、稀有氣體等揮發(fā)性元素(Hattori and Guillot, 2003; Scambellurietal., 2015; 李萬(wàn)財(cái)和倪懷瑋, 2020; 鄭永飛等, 2022),可在俯沖板片與地幔楔之間發(fā)生遷移,引發(fā)地幔楔部分熔融進(jìn)而產(chǎn)生島弧巖漿(Agueetal., 2022)。由于島弧巖漿的形成過(guò)程復(fù)雜,其氧逸度與源區(qū)性質(zhì)、部分熔融程度和巖漿演化過(guò)程等密切相關(guān),前人從不同的角度研究弧巖漿的氧化還原狀態(tài)產(chǎn)生了較為復(fù)雜的認(rèn)識(shí),目前大量研究認(rèn)為弧巖漿作用總體顯示為相對(duì)氧化的特征(Christieetal., 1986; Wood, 1990; Kelley and Cottrell, 2009, 2012; Tollan and Hermann, 2019; 王錦團(tuán), 2019; Cottrelletal., 2021),但也有學(xué)者在古特提斯演化研究中提出部分弧巖漿為還原性質(zhì)(Celleng?r and Atayman, 2009; Richards and Celleng?r, 2017)。雖然弧巖漿氧逸度高度變化,但目前普遍認(rèn)為整體比洋中脊玄武巖更加氧化(Ballhausetal., 1990; Ballhaus, 1993; Evansetal., 2012; Kelley and Cottrell, 2009, 2012)。

近年來(lái)眾多學(xué)者從天然樣品觀測(cè)、高溫高壓實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算模擬、尤其從高精度礦物原位分析和大數(shù)據(jù)信息挖掘的角度對(duì)弧下地幔和弧巖漿的氧逸度開(kāi)展了較為細(xì)致的研究,并獲得了一系列重要成果(Kelley and Cottrell, 2009; Leeetal., 2010; Debret and Sverjensky, 2017; Tangetal., 2018; Tollan and Hermann, 2019; Zhaoetal., 2022b; Agueetal., 2022)。本文從空間上由地幔到地殼尺度綜述了目前有關(guān)匯聚環(huán)境巖漿氧化態(tài)來(lái)源的研究進(jìn)展,對(duì)俯沖脫水流體的氧化還原性質(zhì)、地幔尺度內(nèi)復(fù)雜水巖反應(yīng)、地殼尺度內(nèi)弧巖漿分離結(jié)晶和去氣作用進(jìn)行了較為系統(tǒng)地梳理和總結(jié),并進(jìn)一步就俯沖弧巖漿的氧化態(tài)來(lái)源研究存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展的方向做出了展望。

1 弧下地幔和弧巖漿氧逸度研究現(xiàn)狀

大洋中脊和俯沖帶相關(guān)的火山弧是全球巖漿作用的兩個(gè)主要貢獻(xiàn)區(qū),前人的大量工作指出弧巖漿比洋中脊玄武巖(MORB)顯示更為氧化的狀態(tài)(表1; Christieetal., 1986; Wood, 1990; Eggins, 1993; Kelley and Cottrell, 2009, 2012; Cottrelletal., 2021),并通過(guò)不同構(gòu)造背景下巖漿氧逸度和地幔氧逸度研究(尖晶石成分、Fe-Ti氧化物穩(wěn)定性、V/Yb比值、Eu異常的程度、Cr-Ga元素系統(tǒng)、S元素的賦存狀態(tài)等證據(jù)),認(rèn)為弧下地幔(地幔楔)是相對(duì)高氧逸度的(Mazzullo and Bence, 1976; Gill, 1981; Wood and Virgo, 1989; Canil, 1990; Bryndzia and Wood, 1990; Brandon and Draper, 1996; Turneretal., 1997; Parkinson and Pearce, 1998; Parkinson and Arculus, 1999; Pearceetal., 2000; Parkinsonetal., 2003; Dareetal., 2009; Roweetal., 2009; Cottrell and Kelley, 2011; Brounceetal., 2014; Le Voyeretal., 2015; Birneretal., 2017, 2018; O’Neilletal., 2018; Bénardetal., 2018)。然而,弧下地幔相對(duì)氧化的觀點(diǎn)受到了來(lái)自玄武巖V/Sc比值(Leeetal.,2005;Mallmann and O’Neill,2009)、 Zn/Fe比值(Leeetal., 2010)和Fe同位素(Dauphasetal., 2009)等巖漿基礎(chǔ)成分研究的挑戰(zhàn),提出弧下地幔并非相對(duì)高氧化的狀態(tài)。因此,弧下地幔和弧巖漿的氧化還原狀態(tài)依然是地球科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)具有爭(zhēng)議的科學(xué)問(wèn)題。

表1 全球匯聚構(gòu)造環(huán)境巖漿氧化還原狀態(tài)研究進(jìn)展匯總表Table 1 Summary of progress on the redox state of magmas in convergent tectonic settings

1.1 地幔和相關(guān)巖漿產(chǎn)物氧逸度估算方法

地幔巖石和幔源巖漿產(chǎn)物氧化還原狀態(tài)的評(píng)估主要利用:(1)處于化學(xué)平衡且沒(méi)有重結(jié)晶或出溶的共生礦物成分。Ballhausetal.(1991)使用高溫高壓設(shè)備在不同氧逸度條件下合成橄欖石-斜方輝石-尖晶石礦物組合,分析尖晶石中Fe3+/∑Fe比值與氧逸度的關(guān)系,通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出氧逸度、溫壓和礦物成分之間的經(jīng)驗(yàn)公式。相似地,Mattioli and Wood (1986, 1988)及Wood (1990)結(jié)合熱力學(xué)數(shù)據(jù)和活度模型,建立橄欖石-斜方輝石-尖晶石礦物組合與氧逸度之間的熱力學(xué)公式;(2)熔體中變價(jià)元素比值(Fe3+/Fe2+)。Kress and Carmichael (1991)利用溫壓、Fe3+/∑Fe比值與氧逸度的關(guān)系建立計(jì)算公式,提出直接測(cè)定或間接估算淬火玻璃的Fe3+/∑Fe比值即可估算巖漿的氧逸度;(3)不同價(jià)態(tài)元素在礦物/熔體之間的分配差異。淬火玻璃的S6+/∑S(Oppenheimeretal., 2011)或硫含量(Feng and Li, 2019)被用于估算樣品氧逸度,但由于脫氣作用會(huì)影響硫的價(jià)態(tài)與含量,致使該方法不能被準(zhǔn)確反映巖漿氧逸度,因此,近年來(lái)礦物(如磷灰石)中S6+/∑S比值和硫含量被更多地用來(lái)估算巖漿氧逸度(Koneckeetal., 2017, 2019; 王錦團(tuán)等, 2020)。

圖1 不同緩沖對(duì)氧逸度與溫度之間的關(guān)系(據(jù)王錦團(tuán), 2019修改)在同一緩沖對(duì)體系下,氧逸度隨溫度的升高而增加;同一溫度下,氧逸度從高到低的排序依次為HM>NNO>FMQ>CoCoO>IWFig.1 An exhibition of T-fO2 relation for different redox buffers (modified after Wang, 2019)For a certain redox buffer, the fO2 increases with increasing temperature; at a given temperature, the order of fO2 from highest to lowest is HM>NNO>FMQ>CoCoO>IW

1.2 橄欖石-斜方輝石-尖晶石氧逸度計(jì)

在俯沖帶和大洋中脊氧逸度研究中,大量學(xué)者利用橄欖石-斜方輝石-尖晶石(Ol-Opx-Spl)氧逸度計(jì)方法分析了不同構(gòu)造背景下玄武巖的氧化態(tài)。Evansetal.(2012)利用Ballhausetal.(1991)的橄欖石-斜方輝石-尖晶石氧逸度計(jì),計(jì)算得到全球弧玄武巖氧逸度范圍為FMQ+2～FMQ+4,MORB氧逸度范圍FMQ～FMQ+1。此外,前人統(tǒng)計(jì)使用該計(jì)算方法得到的氧逸度結(jié)果發(fā)現(xiàn),大部分玄武質(zhì)巖漿氧逸度范圍為FMQ-2～FMQ+3(Ballhausetal., 1990, 1991; Ballhaus, 1993),其中MORB氧逸度范圍大約為FMQ-2～FMQ,島弧玄武巖氧逸度范圍為FMQ+1～FMQ+3,洋島玄武巖氧逸度范圍大約為FMQ～FMQ+2(柏中杰等, 2019)。上述結(jié)果認(rèn)為弧玄武巖氧逸度總體高于MORB,并且弧玄武巖顯示為高氧化態(tài)。然而,多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)Ballhaus氧逸度計(jì)的計(jì)算結(jié)果相較于另一種廣泛應(yīng)用的Wood (1990)橄欖石-斜方輝石-尖晶石氧逸度計(jì)方法,顯示系統(tǒng)性更低的fO2(Wood, 1991; Luhr and Arranda-Gómez, 1997; Herd, 2008; Davisetal., 2017)或更高的fO2(Xueetal., 2021)?；诖瞬町?Xueetal.(2021)利用Barnesetal.(2013)橄欖石-硫化物氧逸度計(jì)驗(yàn)證了兩類橄欖石-斜方輝石-尖晶石氧逸度計(jì)在超鎂鐵堆晶巖中的適用性,同樣獲得了Wood (1990)方法的結(jié)果更為可靠的結(jié)論。上述認(rèn)識(shí)表明利用橄欖石-斜方輝石-尖晶石氧逸度計(jì)方法得出弧玄武巖高氧化態(tài)結(jié)果存疑。

1.3 元素比值和Cu元素

前人基于弧玄武巖和MORB的V/Sc比值、Zn/∑Fe比值和Cu元素的地球化學(xué)行為研究成果,提出地幔楔具有與大洋地幔相近的氧逸度特征(Mallmann and O’Neill, 2009; Leeetal., 2012)。對(duì)于MgO>8%的島弧火山巖和MORB,二者相同的Cu含量是否反應(yīng)二者地幔源氧逸度相同(Leeetal., 2012)。Zhaoetal.(2022b)認(rèn)為高M(jìn)gO的弧火山巖樣品僅占的全球弧火山巖樣品的3%,不能代表全球原始弧巖漿的成分,并且硫化物耗盡后的地幔熔融過(guò)程導(dǎo)致弧巖漿中Cu的降低,硫化物不飽和的分離結(jié)晶過(guò)程導(dǎo)致弧巖漿中Cu的升高,因此難以準(zhǔn)確限定原始弧巖漿中Cu的含量。此外Leeetal.(2005)基于前人報(bào)道的釩和鈧的分配系數(shù)進(jìn)行地幔部分熔融模擬,發(fā)現(xiàn)部分熔融的熔體中V/Sc比值與地幔源區(qū)的氧逸度密切相關(guān)。為查明弧巖漿和MORB相近的V/Sc和V/Ti比值是否反應(yīng)二者地幔源區(qū)氧逸度相近,王錦團(tuán)(2019)開(kāi)展了地幔部分熔融模擬實(shí)驗(yàn),在1GPa條件下分析MORB和弧巖漿V/Ti-Ti和V/Sc-Ti圖解的氧逸度等值線,發(fā)現(xiàn)MORB的氧逸度整體在FMQ附近,弧巖漿的氧逸度則整體高于FMQ,且在V/Ti-Ti和V/Sc-Ti兩個(gè)體系中均得到上述結(jié)果。隨后根據(jù)原始玄武巖V-Ti體系估算地幔楔和大洋地幔的氧逸度,發(fā)現(xiàn)MORB及其源區(qū)的氧逸度介于FMQ-1.5～FMQ+0.5,而地幔楔的氧逸度整體比大洋地幔高出0.9 Log單元。因此當(dāng)部分熔融程度一定時(shí),盡管弧玄武巖和MORB具有相似的V/Sc和V/Ti比值,但是地幔楔氧逸度要高于大洋地幔(王錦團(tuán), 2019; 王錦團(tuán)等, 2020)。

1.4 Fe3+/∑Fe比值

巖漿中Fe3+/∑Fe比值是熔體成分、溫度、壓力和氧逸度的函數(shù)(Sacketal., 1981; Kilincetal., 1983; Kress and Carmichael, 1991)。Gaetani (2016)利用尖晶石部分熔融過(guò)程中Fe3+/∑Fe行為模型發(fā)現(xiàn)ΔFMQ受控于TP和Fe3+/∑Fe,因此,通過(guò)測(cè)定火山巖玻璃或淬火玻璃的Fe3+/∑Fe比值能夠估算熔體的氧逸度。近年來(lái),大量學(xué)者利用濕化學(xué)法、穆斯堡爾譜或X射線近邊吸收光譜(XANES)等方法分析了不同構(gòu)造背景中玄武巖的熔體包裹體Fe3+/∑Fe,柏中杰等(2019)根據(jù)公式將Fe3+/∑Fe比值轉(zhuǎn)換成氧逸度范圍,發(fā)現(xiàn)MORB的Fe3+/∑Fe比值<0.18,其對(duì)應(yīng)的氧逸度為范圍為FMQ-2～FMQ(Bézos and Humler, 2005; Cottrell and Kelley, 2011; Berryetal., 2018);馬里亞納島弧玄武巖Fe3+/∑Fe比值在0.2～0.3之間,氧逸度范圍為FMQ～FMQ+2(Kelley and Cottrell, 2009, 2012; Brounceetal., 2014);夏威夷洋島玄武巖的Fe3+/∑Fe比值<0.22,氧逸度范圍為FMQ～FMQ+1(Moussallametal., 2016; Brounceetal., 2017)。此外,Waters and Lange (2016)系統(tǒng)分析了前人收集的島弧與洋中脊數(shù)據(jù)與采集的樣品,利用模型方程將NNO值轉(zhuǎn)換為Fe3+/∑Fe比值,發(fā)現(xiàn)平均MORB的Fe3+/∑Fe范圍為0.14±0.04,而島弧玄武巖的Fe3+/∑Fe比值為0.17～0.34,同樣揭示出弧巖漿明顯比大洋中脊的噴發(fā)巖漿更為氧化。上述結(jié)果表明島弧巖漿氧逸度整體高于大洋中脊玄武巖,盡管特定地質(zhì)背景條件下存在異常(Richards and Celleng?r, 2017)。

雖然橄欖巖捕虜體和原始玄武巖的研究都表明地幔楔比大洋地幔更加氧化(王錦團(tuán)等, 2020),然而弧巖漿對(duì)地幔楔氧逸度的繼承性(即熔融產(chǎn)物是否代表地幔源巖的氧化還原特征)仍存在爭(zhēng)議。Sorbadereetal.(2018)在地幔橄欖巖部分熔融過(guò)程的研究中發(fā)現(xiàn),Fe2O3在橄欖巖-熔體中的總分配系數(shù)受部分熔融程度影響較小,因此熔體Fe3+/∑Fe比值在不同程度的部分熔融條件下總體保持不變,這從原理上解釋了全球MORB玻璃的Fe3+/∑Fe比值與部分熔融程度之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性。最近,Davis and Cottrell (2018)通過(guò)XANES測(cè)定了MORB玻璃Fe3+/∑Fe比值并計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的氧逸度,同時(shí)利用Wood (1990)橄欖石-斜方輝石-尖晶石礦物平衡氧逸度計(jì)獲得了MORB中大洋橄欖巖地幔包體的氧逸度,發(fā)現(xiàn)相對(duì)于FMQ前者平均高出后者～0.8個(gè)Log單元。

顯然,玄武質(zhì)巖漿氧逸度能否直接代表其源區(qū)的氧化還原狀態(tài)仍存疑問(wèn),由于俯沖帶復(fù)雜的熱結(jié)構(gòu)以及源區(qū)富水的狀態(tài),因此造成弧巖漿高氧逸度的成因需要考慮更多的影響因素,目前學(xué)術(shù)界存在三種觀點(diǎn)(圖2):(1)板片俯沖過(guò)程中釋放具有高氧化電位的流體對(duì)地幔楔持續(xù)氧化的結(jié)果,流體可能來(lái)源于蝕變的洋殼、沉積物和/或巖石圈地幔蛇紋巖脫水;(2)地幔部分熔融形成的含水熔體與周圍地幔反應(yīng)過(guò)程中,還原組分的損失促使氧化性弧巖漿的形成;(3)上升熔體在深部巖漿房演化過(guò)程中,富Fe2+礦物相(石榴子石、角閃石等)的分離結(jié)晶和/或去氣作用致使殘余熔體氧逸度升高。下文將對(duì)這三種觀點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)綜述。

圖2 大洋板片俯沖過(guò)程與島弧巖漿形成示意圖(據(jù)Richards, 2011; Li et al., 2020修改)①俯沖板片釋放的流體交代上覆地幔楔;②地幔部分熔融形成的含水熔體與周圍地幔反應(yīng);③上升熔體在深部巖漿房演化過(guò)程中礦物相的分離結(jié)晶和/或去氣作用Fig.2 Schematic model of oceanic plate subduction process and arc magma formation (modified after Richards, 2011; Li et al., 2020)① fluids released from slab metasomatizing the overlying mantle wedge; ② reaction between the hydrous melt formed by partial melting of the mantle and the surrounding mantle; ③ fractional crystallization and/or degassing during the evolution of melts in deep magma chambers

2 源區(qū)——流體氧化地幔楔

俯沖過(guò)程中流體遷移是水進(jìn)入地球內(nèi)部的主要方式,這一過(guò)程顯著影響了地幔的物理化學(xué)性質(zhì),富含氧化物質(zhì)的流體或熔體交代上覆地幔楔,使得地幔楔熔融產(chǎn)生強(qiáng)烈的弧巖漿作用(Kelley and Cottrell, 2009; 鄭永飛等, 2016),其中俯沖流體所具有的氧化性質(zhì)被認(rèn)為與H2O或硫酸鹽相關(guān)(Kelley and Cottrell, 2009; Bénardetal., 2018)。Kelley and Cottrell (2009)通過(guò)弧玄武質(zhì)玻璃中H2O含量研究發(fā)現(xiàn),玄武巖熔融過(guò)程中Fe3+/∑Fe比值與熔體水含量呈顯著正相關(guān),Ba/La比值是代表板片脫水的有效指標(biāo),Ba/La比值隨Fe3+/∑Fe比值的增加而增加,表明熔體的氧化與俯沖板片中水的加入密切相關(guān)。另外Gerritsetal.(2019)對(duì)希臘錫弗諾斯島(Sifnos)的榴輝巖中石榴石鐵同位素和氧逸度進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)石榴子石核部生長(zhǎng)于相對(duì)氧化的條件,而邊部則形成于還原的條件,并且從氧化到還原的變化對(duì)應(yīng)于板片脫水過(guò)程,即在俯沖帶進(jìn)變質(zhì)脫水期間,板內(nèi)的殘余變質(zhì)礦物組合變得更加還原,該過(guò)程伴隨著氧化物質(zhì)(如硫酸鹽)的釋放,造成俯沖帶中的弧下地幔氧化。相似地,Bénardetal.(2018)通過(guò)分析堪察加半島(Kamchatka)和俾斯麥(Bismarck)西部島弧的巖石圈地幔中方輝橄欖巖捕擄體,進(jìn)一步證實(shí)板片的硫酸鹽是加入到地幔楔中的潛在氧化劑,其隨流體進(jìn)入到地幔楔過(guò)程中始終保持氧化能力,改變弧巖漿源區(qū)并影響俯沖帶的氧化還原狀態(tài)。除了俯沖流體中氧化“載體”的爭(zhēng)議,這些氧化性流體的來(lái)源也存在不同認(rèn)識(shí),部分學(xué)者認(rèn)為來(lái)源于蝕變基性洋殼或蛇紋巖地幔,近年來(lái)亦有學(xué)者提出板片上覆沉積物造成了上升流體的氧化(表1; Waters and Lange, 2016; 鄭永飛等, 2016; Stolper and Bucholz, 2019; 李萬(wàn)財(cái)和倪懷瑋, 2020; Iacovinoetal., 2020; Agueetal., 2022; Chenetal., 2022; Duanetal., 2022)。

2.1 沉積物與氧化性流體

俯沖板片上覆沉積物中主要的含水礦物包括角閃石、硬柱石和多硅白云母等,它們分解所釋放的大量富水流體是俯沖帶中水的重要來(lái)源(Bach and Früh-Green, 2010; 鄭永飛等, 2016; 李萬(wàn)財(cái)和倪懷瑋, 2020)。前人的研究分析發(fā)現(xiàn),受不同構(gòu)造環(huán)境的影響,沉積物的成分和厚度在全球范圍內(nèi)存在巨大差異,如在Franciscan雜巖體中變質(zhì)沉積物含大量紅色硅質(zhì)巖(Wakabayashi, 2015),而希臘俯沖雜巖體中卻普遍含有高氧化性富鐵變質(zhì)鋁土礦和富Fe、Mn石英巖等。由于部分沉積物中富含氧化物質(zhì),因此近些年來(lái)有學(xué)者提出下覆地?；蜓髿め尫诺牧黧w在穿過(guò)上覆沉積物時(shí),其氧化還原狀態(tài)可能被改變,這為流體的氧化性來(lái)源提供了一種新的思路(Agueetal., 2022; 李繼磊等, 2022)。

Agueetal.(2022)研究了希臘愛(ài)琴海地區(qū)第三紀(jì)弧前俯沖雜巖中的變質(zhì)沉積巖,使用氧氣壓計(jì)估計(jì)fO2(如赤鐵礦-磁鐵礦),并結(jié)合反應(yīng)輸送模型分析沉積巖的氧化能力,提出變質(zhì)火成巖脫水產(chǎn)生的流體向上運(yùn)移,與具有氧化能力的上覆變質(zhì)沉積巖反應(yīng),導(dǎo)致流體中H2、CH4、H2S等還原性成分丟失,氧化性增強(qiáng),在該過(guò)程中變質(zhì)沉積巖不需要產(chǎn)生大量流體。該認(rèn)識(shí)的前提是流體穿過(guò)的沉積物層普遍具有氧化能力,然而格魯吉亞、帕米爾北部和我國(guó)西藏東北部發(fā)育晚石炭世黑色頁(yè)巖,這些深海還原性沉積物表明古特提斯洋盆普遍缺氧(Celleng?r and Atayman, 2009)。Richards and Celleng?r (2017)認(rèn)為缺氧是由于晚石炭世至三疊紀(jì)古特提斯洋盆靠近赤道且為封閉大洋,因此生物發(fā)育造成大洋底部堆積黑色還原性沉積物,最終導(dǎo)致弧巖漿顯示相對(duì)還原的特征。因此,俯沖沉積物對(duì)流體氧化還原程度的影響取決于對(duì)大洋沉積環(huán)境的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)。

2.2 基性洋殼與氧化性流體

俯沖板片的基性洋殼一般分層良好,從上至下依次為枕狀玄武巖、席狀巖墻以及輝長(zhǎng)巖蝕變層,前人認(rèn)為這是典型蛇綠巖的重要組成部分(Nicolas, 1989; Holland and Turekian, 2003; 李繼磊等, 2022; 敖松堅(jiān)等, 2022)。不同層位的洋殼具有不同的蝕變程度,上部熔巖與深層熔巖的蝕變溫度和水巖比明顯不同(Alt and Honnorez, 1984; Altetal., 1993; Holland and Turekian, 2003),在深層熔巖以及下伏席狀巖墻中,蝕變溫度升高且水巖比總體下降,火山玻璃、橄欖石和鈣長(zhǎng)石通常被綠片巖相礦物組合所取代(Altetal., 1993),更深層的洋殼顯示出更強(qiáng)的熱液蝕變改造(Holland and Turekian, 2003)。另外,洋中脊區(qū)域存在不同程度的高溫(>200℃)熱液蝕變作用,主要為玄武巖、凝灰?guī)r、粗玄巖經(jīng)蝕變形成綠泥石、綠簾石、陽(yáng)起石、滑石等礦物(常國(guó)顯, 1983)。在俯沖過(guò)程中,洋殼中的這些含水礦物(如綠泥石、硬柱石、綠簾石、硬綠泥石等)分解所釋放的流體向上遷移到地幔楔,進(jìn)而影響地幔楔的熔融過(guò)程(鄭永飛等, 2016; 李萬(wàn)財(cái)和倪懷瑋, 2020)。前人認(rèn)為蝕變洋殼所釋放的流體具有氧化性,會(huì)影響弧巖漿源區(qū)的氧化狀態(tài)。Stolper and Bucholz (2019)根據(jù)樣品的V/Sc和Fe3+/∑Fe數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)顯生宙弧火山巖比前寒武紀(jì)弧火山巖氧化程度高,作者認(rèn)為該時(shí)期由于大氣O2和海洋硫酸鹽含量的升高氧化了海底的洋殼,俯沖過(guò)程中板片內(nèi)的氧化物質(zhì)轉(zhuǎn)移到地幔楔,從而影響了弧巖漿的氧化性。

2.3 蛇紋巖地幔與氧化性流體

海水沿裂隙進(jìn)入到大洋巖石圈,會(huì)使得大洋巖石圈中超基性巖(橄欖巖)發(fā)生蛇紋石化(O’Hanley, 1996; Deschampsetal., 2013)。隨著俯沖作用的進(jìn)行,蛇紋巖到達(dá)弧下深度,葉蛇紋石完全分解釋放大量流體,同時(shí)形成橄欖石、斜方輝石、滑石的礦物組合(Ulmer and Trommsdorff, 1995)。Spandleretal.(2014)通過(guò)葉蛇紋石弧下脫水實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),脫水將產(chǎn)生富集Li、B、LILE和U的流體,并且在一定深度條件下,脫水會(huì)引發(fā)上覆沉積物的部分熔融,使得流體中U/Th、Sr/Nd、Sb/Ce比值降低,隨著流體繼續(xù)上升至地幔楔,將直接參與島弧巖漿的形成過(guò)程(Brenanetal., 1995; Tilletal., 2012)。前人研究發(fā)現(xiàn)葉蛇紋石脫水所釋放的流體與島弧巖漿具有相似的高F/Cl和I/Cl比值,因此提出俯沖帶蛇紋巖的變質(zhì)脫水過(guò)程與島弧巖漿之間存在重要的聯(lián)系(Johnetal., 2011; 吳凱等, 2020)。

Duanetal.(2022)使用Perple-X的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)以及Deep-Earth-Water模型,在Si-Al-Fe-Mg-Ca-C-O-H-S體系下,對(duì)大洋蛇紋巖在俯沖帶中衍生的C-H-O-S流體進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)在蛇紋巖的脫水過(guò)程中,產(chǎn)生流體的氧逸度不斷增加,高氧逸度的流體上升至地幔楔影響弧巖漿的氧化還原狀態(tài)。相似地,Chenetal.(2022)通過(guò)分析西太平洋琉球、馬里亞納和馬努斯俯沖帶島弧玄武質(zhì)火山巖中Cu同位素與俯沖流體指標(biāo)(如Ba/Th、Ba/La和B/Nb)的相關(guān)關(guān)系,指示上述地區(qū)弧巖漿地幔源區(qū)經(jīng)歷了顯著的俯沖板片流體交代作用。作者進(jìn)一步利用第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)蛇紋巖脫水釋放的富硫酸鹽流體具有重Cu同位素,交代地幔楔造成島弧巖漿偏重的Cu同位素組成,并且端元混合模擬顯示約1%～7%的富硫酸鹽的蛇紋巖流體交代弧下地幔楔,造成冷俯沖帶島弧巖漿具有高氧逸度。Iacovinoetal.(2020)利用實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)和熱動(dòng)力學(xué)模擬直接測(cè)量板片流體的氧化狀態(tài),實(shí)驗(yàn)表明在淺俯沖條件下天然蛇紋巖脫水產(chǎn)生氧化性流體,其中Na、K、Ca和Mg含量隨之升高,熱力學(xué)模型指出流體中的H+還原為H2的過(guò)程能夠氧化地幔礦物中的鐵,從而影響地幔楔熔融時(shí)氧化還原狀態(tài)。另外,Debret and Sverjensky (2017)通過(guò)理論計(jì)算化學(xué)成分變換預(yù)測(cè)蛇紋石脫水所產(chǎn)生流體的氧化還原狀態(tài),結(jié)果表明葉蛇紋石分解產(chǎn)生的流體具有高氧逸度,接近赤鐵礦-磁鐵礦緩沖對(duì),并且含有大量硫酸鹽,這些流體從板片向地幔楔的遷移可以為原始弧巖漿提供氧化介質(zhì)。

部分學(xué)者認(rèn)為蛇紋巖的退變質(zhì)過(guò)程也會(huì)改變流體氧化還原狀態(tài)。Evansetal.(2017)通過(guò)比較Zermatt Saas蛇綠巖和New Caledonia超鎂鐵巖,在一定的壓力和溫度下運(yùn)用Fe-Ni-O-H-S和Fe-Ni-O-S體系的熱力學(xué)計(jì)算限制氧活性和流體成分,發(fā)現(xiàn)超鎂鐵質(zhì)巖石的蛇紋巖退變質(zhì)過(guò)程可能產(chǎn)生含氫流體或氧化流體,從而改變弧下地幔的氧化還原狀態(tài)。近期,Evans and Frost (2021)利用熱力學(xué)模型研究提出如果進(jìn)入俯沖帶的蛇紋巖被氧化,則俯沖帶中蛇紋石化橄欖巖退變質(zhì)過(guò)程中釋放的流體可能引起上覆巖石氧化,然而許多用于支持蛇紋巖具有弧下氧化作用的地質(zhì)證據(jù)仍有爭(zhēng)議。

綜上所述,前人通過(guò)對(duì)流體成分、巖石樣品以及捕擄體等分析研究發(fā)現(xiàn),氧化性的流體可能是來(lái)自于蝕變洋殼、沉積物或者蛇紋巖地幔,這些流體能夠顯著影響弧巖漿的氧化還原狀態(tài)。

3 部分熔融過(guò)程

長(zhǎng)久以來(lái),前人對(duì)于地幔 “部分熔融過(guò)程與弧巖漿氧化還原狀態(tài)”這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究相對(duì)較為薄弱,近幾年隨著弧巖漿氧化還原狀態(tài)研究深度和廣度的提升,以及分析測(cè)試技術(shù)的快速發(fā)展,陸續(xù)有學(xué)者從部分熔融的角度取得新的認(rèn)識(shí)(表1; Gaetani, 2016; Tollan and Hermann, 2019)。地幔部分熔融受眾多因素的控制:(1)源區(qū)成分和熱力學(xué)狀態(tài);(2)熔融類型和機(jī)制,如分離熔融、批式(平衡)熔融和連續(xù)熔融;(3)溫壓條件以及揮發(fā)組分含量(Asimowetal., 2001; Herzberg and O’Hara, 2002; Asimow and Langmuir, 2003; Herzberg and Asimow, 2015),這些因素不僅控制著地幔部分熔融的程度和產(chǎn)物,而且在不同構(gòu)造背景(洋中脊、地幔柱和俯沖帶)下呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)(Rey, 2015)。

現(xiàn)有研究一致認(rèn)為,俯沖板片之上的地幔楔以及俯沖板片產(chǎn)生的流體和/或熔體參與了熔融過(guò)程(Gill, 1981; Wyllie, 1982; Moranetal., 1992; Tatsumi, 2005)。隨著俯沖過(guò)程的進(jìn)行,弧前水化地幔楔向深部運(yùn)移,地幔中含水礦物(如角閃石、綠泥石、金云母等)伴隨溫度和壓力的升高而發(fā)生分解,儲(chǔ)存其中的水被釋放出來(lái),使得地幔發(fā)生水飽和部分熔融。在俯沖過(guò)程中,含水礦物釋放的流體或熔體對(duì)于島弧巖漿的形成起到了關(guān)鍵作用——在相同壓力下,水的加入可以很大程度降低巖漿源區(qū)的固相線溫度。并且前人通過(guò)pMELTS模型預(yù)測(cè)了水飽和固相線,發(fā)現(xiàn)在恒定溫度的條件下,水的加入將使得熔融發(fā)生在較高的壓力狀態(tài)下(Ghiorsoetal., 2002; Yaoetal., 2018)。

在水巖反應(yīng)過(guò)程中,即地幔部分熔融形成的含水熔體與周圍地幔反應(yīng),其中還原組分(例如H2)的損失將促使氧化性弧巖漿的形成。Tollan and Hermann (2019)通過(guò)對(duì)產(chǎn)自俾斯麥島弧西部(West Bismarck Island Arc)的地幔方輝橄欖巖捕擄體進(jìn)行研究,使用每個(gè)樣品的斜方輝石晶體制作高精度傅里葉紅外光譜圖,分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)斜方輝石中的平均水含量與氧逸度具有正相關(guān)關(guān)系,并提出了含水熔體氧化模型(圖3):板片脫水,交代上覆地幔楔,受交代的地幔楔發(fā)生熔融,含水熔體中的水分解產(chǎn)生H2和O2,由于地幔與熔體之間存在巨大的fH2差以及氫的快速擴(kuò)散,使得H2進(jìn)入周圍的斜方輝石,與Fe3+反應(yīng)形成Fe2+,殘留下的O2則使熔體越來(lái)越氧化。伴隨著fO2降低,斜方輝石中水含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),這一過(guò)程將使斜方輝石中的水含量與O2呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和其他弧地幔橄欖巖樣品中觀察到的結(jié)果一致。隨著氧化的熔體在地幔楔上升遷移,鄰近熔體通道的地幔變得更加氧化。此時(shí),水直接與斜方輝石發(fā)生反應(yīng),導(dǎo)致斜方輝石水含量增加的同時(shí),fO2也隨之上升(Fe3+含量升高)。但這并沒(méi)有很大程度上改變?nèi)垠w的fO2,而是作為熔體-橄欖巖體系中fO2的傳感器,產(chǎn)生了斜方輝石中水含量和氧逸度的正相關(guān)現(xiàn)象。隨著熔體繼續(xù)發(fā)生分異,產(chǎn)生成分上的多樣性,繼而熔體噴發(fā),形成島弧巖漿作用。據(jù)此認(rèn)為弧巖漿的高氧逸度的成因是含水熔體與周圍地幔反應(yīng)的結(jié)果(Tollan and Hermann, 2019)。

圖3 地幔源區(qū)含水熔體與周圍地幔橄欖巖復(fù)雜水巖反應(yīng)示意圖(據(jù)Tollan and Hermann, 2019修改)含水熔體的H2O分解產(chǎn)生H2和O2,其中H2進(jìn)入周圍的斜方輝石,剩余O2使熔體越來(lái)越氧化Fig.3 Schematic model of water-rock reaction between hydrous melt and surrounding mantle peridotite (modified after Tollan and Hermann, 2019)The dissociation of H2O in hydrous melt produces H2 and O2, where H2 enters the surrounding orthopyroxene and the residual O2 causes the melt to become increasingly oxidized

另外,前人將壓力、溫度、氧逸度與部分熔融過(guò)程結(jié)合進(jìn)行分析,如Gaetani (2016)根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算橄欖石的Fe3+/∑Fe比值,并利用橄欖石、斜方輝石、單斜輝石和尖晶石之間Fe3+/Fe2+的分配計(jì)算Fe在其他固相中的氧化態(tài),發(fā)現(xiàn)等壓批式熔融過(guò)程中,熔體中Fe3+/∑Fe和ΔFMQ隨部分熔融程度的升高而下降;絕熱減壓批式熔融過(guò)程中,熔體中Fe3+/∑Fe和ΔFMQ隨部分熔融程度的升高而上升。該研究認(rèn)識(shí)表明在不同構(gòu)造環(huán)境下,不同熔融模式下熔融程度對(duì)熔體氧逸度的控制作用存在差異,如絕熱減壓熔融模式的地幔柱,其高程度熔融形成的苦橄巖的氧逸度應(yīng)該高于相對(duì)低程度熔融的玄武巖,然而這與峨眉山大火成巖省中觀察到的不同Mg#值苦橄巖的氧逸度變化并不一致(Cao and Wang, 2022)。

4 巖漿演化過(guò)程——分離結(jié)晶和脫氣作用

4.1 分離結(jié)晶作用

除上述兩個(gè)過(guò)程外,分離結(jié)晶和脫氣作用同樣被認(rèn)為是影響弧巖漿氧化還原狀態(tài)的重要過(guò)程(表1; Leeetal., 2010; Tangetal., 2018)。前人研究普遍認(rèn)為從地幔楔上升到下地殼的熔體在深部巖漿房演化過(guò)程中,礦物相(如橄欖石、單斜輝石、角閃石、石榴子石、金云母、磁鐵礦等)的分離結(jié)晶將影響殘余熔體的氧化還原狀態(tài)。富鐵、Fe3+的礦物(金云母、磁鐵礦等)分離結(jié)晶將導(dǎo)致熔體中Fe3+含量降低,Fe3+/Fe2+比值隨之降低,從而使得殘余熔體氧逸度降低;而貧鐵、富Fe2+的礦物(橄欖石、單斜輝石、角閃石以及石榴子石等)分離結(jié)晶將使熔體中Fe3+/∑Fe比值升高,從而導(dǎo)致殘余熔體氧逸度升高(圖4; 賴紹聰, 1994; Cottrell and Kelley, 2011; Kelley and Cottrell, 2012; Tangetal., 2018; Zhangetal., 2022)。

分離結(jié)晶過(guò)程會(huì)受到母巖漿成分和物理化學(xué)環(huán)境的影響,在大洋中脊、俯沖帶和洋島等不同構(gòu)造背景下形成的堆晶巖具有不同的巖石組合與地球化學(xué)特征(Berndtetal., 2005; Feigetal., 2010):洋中脊堆晶巖主要由橄長(zhǎng)巖、橄欖輝長(zhǎng)巖和鈦鐵輝長(zhǎng)巖組成;弧前堆晶巖主要巖性為單輝橄欖巖、輝石巖,缺失橄長(zhǎng)巖;弧后盆地堆晶巖巖性主要為橄長(zhǎng)巖、橄欖輝長(zhǎng)巖、鈦鐵輝長(zhǎng)巖和角閃輝長(zhǎng)巖;洋島堆晶巖主要由純橄巖、單輝橄欖巖、輝石巖、橄欖輝長(zhǎng)巖、鈦鐵輝長(zhǎng)巖組成。其中洋中脊、弧前和弧后擴(kuò)張中心下部洋殼發(fā)育的堆晶巖形成于低壓體系的巖漿分異,巖石圈蓋層作用不顯著,它們的差異主要為巖漿水含量、源區(qū)虧損程度以及流體活動(dòng)性元素富集程度。而洋島堆晶巖形成于洋中脊擴(kuò)張軸外部、厚度較大的大洋巖石圈之上,巖石圈蓋層作用較為明顯(張維騏等, 2022)。

近期研究發(fā)現(xiàn)上升熔體在深部巖漿房演化過(guò)程中,弧巖漿的氧化性可能是在分離結(jié)晶中獲得的(Leeetal., 2010; Tangetal., 2018)。Kelley and Cottrell (2012)通過(guò)μ-XANS分析馬里亞納群島島弧中Agtigan火山玻璃包裹體的Fe3+/∑Fe數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)貧鐵斜長(zhǎng)石與富Fe2+的橄欖石、單斜輝石的共結(jié)晶使熔體中Fe3+/∑Fe略有增加,富鐵的磁鐵礦結(jié)晶使熔體中Fe3+/∑Fe比值降低。最近,Zhangetal.(2022)對(duì)科希斯坦(Kohistan)島弧角閃巖、石榴角閃巖、石榴輝石巖等變質(zhì)火成巖進(jìn)行全巖主量元素和穆斯堡爾光譜儀分析,發(fā)現(xiàn)Kohistan弧巖漿的Fe3+/∑Fe比值隨Mg#的降低而增加,提出在深部地殼高溫條件下,角閃石的分離結(jié)晶導(dǎo)致熔體中Fe3+/∑Fe比值增加,從而提高弧巖漿的氧逸度。另外,Cottrell and Kelley (2011)對(duì)來(lái)自全球范圍內(nèi)的大洋中脊枕狀玄武巖玻璃進(jìn)行μXANES分析,發(fā)現(xiàn)隨著分離結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行和巖漿MgO含量的降低,MORB玻璃中Fe3+/∑Fe比值隨之增加,但這種影響是較小的,即使在14%的橄欖石分離結(jié)晶后,Fe3+/∑Fe比值也只增加了0.025,因此橄欖石和輝石的分離結(jié)晶并非巖漿演化過(guò)程中氧逸度變化的重要控制因素。

此外,輝石巖中石榴子石有極度低的三價(jià)鐵含量(Fe3+/∑Fe<0.01),榴輝巖中石榴子石三價(jià)鐵含量也很低(Fe3+/∑Fe<0.08; Canil and O’Neill, 1996; Lietal., 2005; Aulbachetal., 2017)。高壓條件下,石榴子石的分離結(jié)晶可以在降低殘余熔體中Fe含量的同時(shí),增加熔體Fe3+/∑Fe比值,使得熔體氧逸度升高,也會(huì)伴隨其他變價(jià)元素發(fā)生氧化,例如S元素(Tangetal., 2018, 2020)。但目前也有學(xué)者對(duì)石榴子石分離結(jié)晶導(dǎo)致弧巖漿氧化的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑,Holycross and Cottrell (2023)將高壓實(shí)驗(yàn)制備的石榴子石樣品與全球收集的石榴子石進(jìn)行X射線吸收光譜分析,Fe3+與Fe2+的含量分析結(jié)果表明含石榴子石的分離結(jié)晶將從原生弧玄武巖中消耗20%的Fe總含量,但對(duì)熔體的Fe3+/∑Fe比值和fO2的影響可忽略不計(jì),認(rèn)為石榴子石分離結(jié)晶可能并非弧玄武巖發(fā)生氧化或大陸地殼貧Fe的原因。

Crabtree and Lange (2012)利用Fe-Ti氧化物模型分析鈦鐵礦和鈦磁鐵礦礦物對(duì),發(fā)現(xiàn)噴發(fā)前后的Fe3+/∑Fe比值有相似的范圍,表明在封閉體系下大量的基質(zhì)結(jié)晶對(duì)Fe3+/∑Fe比值影響較小。此外,Grockeetal.(2016)利用安第斯山脈中央火山帶的14個(gè)樣品研究分離結(jié)晶對(duì)巖漿氧逸度的影響,通過(guò)全巖Fe3+/∑Fe比值、石英熔體包裹體中的Fe3+/∑Fe比值、鐵鈦氧化物氧逸度計(jì)估算氧逸度,發(fā)現(xiàn)該組樣品中沒(méi)有顯示分離結(jié)晶或地殼混染導(dǎo)致系統(tǒng)氧化的證據(jù),因此認(rèn)為弧巖漿的氧逸度可能繼承自地幔。

4.2 巖漿去氣作用

巖漿房的脫氣作用(SO2、H2S、H2、H2O、CO2等揮發(fā)性組分)與殘余熔體的氧化還原狀態(tài)密切相關(guān)(Fudali, 1965; Anderson and Wright, 1972; Holloway, 2004; Brounceetal., 2017; Cottrelletal., 2021)。Brounceetal.(2017)使用μ-XANES光譜測(cè)量夏威夷冒納凱阿火山(Mauna Kea)海底火山玻璃中Fe3+/∑Fe和S6+/∑S比值,發(fā)現(xiàn)無(wú)論SiO2含量高低,樣品中Fe3+/∑Fe和S6+/∑S比值都隨H2O和S含量的降低而降低,這個(gè)結(jié)果與Erebus Kilauea、Agrigan火山中橄欖石熔體包裹體的Fe3+/∑Fe比值一致(Kelley and Cottrell, 2012; Moussallametal., 2016; Helzetal., 2017),且H2O和S含量最高的樣品也有最高比例的Fe3+和S6+,證明H2O、S、CO2組合氣體的脫氣與Fe3+還原成Fe2+、S6+還原成S2-有關(guān)。

Crabtree and Lange (2012)利用濕化學(xué)法測(cè)量火山噴發(fā)后的FeO值(±0.22%),并且根據(jù)鈦鐵礦和鈦磁鐵礦對(duì)的平均值計(jì)算噴發(fā)前的FeO值(±0.28%),發(fā)現(xiàn)噴發(fā)前后的FeO含量接近1:1,表明在噴發(fā)前后FeO含量沒(méi)有系統(tǒng)性變化,且ΔNNO值在噴發(fā)前(-0.9～+0.7)和噴發(fā)后(-0.4～+0.8)的也變化不大,因此認(rèn)為H2O脫氣對(duì)安山巖和英安巖巖漿氧化態(tài)的影響較小。同樣Waters and Lange (2016)通過(guò)Fe-Ti氧化物測(cè)量噴發(fā)前巖漿Fe2+濃度,并且與黑曜巖樣品中噴發(fā)后的Fe2+濃度進(jìn)行比較,也認(rèn)為H2O脫氣對(duì)Fe3+/Fe2+比值沒(méi)有影響。然而,Fe-Ti氧化物能否準(zhǔn)確記錄巖漿氧化還原狀態(tài)還存在爭(zhēng)議,Houetal.(2021)認(rèn)為在玄武巖和安山質(zhì)巖漿體系中,晶出的Fe-Ti氧化物在殘余熔體中會(huì)發(fā)生再平衡或者在巖漿期后過(guò)程受到改造,即該氧逸度計(jì)容易被重置(Zhaoetal., 2022a);另外,Fe-Ti氧化物通常屬于晚期晶出礦物(Agar and Lloyd, 1997),巖漿演化的大部分過(guò)程不會(huì)被它們記錄到,因此利用Fe-Ti氧化物估算巖漿體系氧逸度需厘清這些礦物的形成階段并排除成分改造影響。

部分學(xué)者認(rèn)為巖漿氧逸度隨脫氣作用發(fā)生變化的原因主要是受S的價(jià)態(tài)的影響。Moussallametal.(2016)對(duì)Kīlauea火山噴發(fā)有關(guān)的一系列熔體包裹體和基質(zhì)玻璃進(jìn)行XANES分析,發(fā)現(xiàn)含揮發(fā)分含量較高的樣品更具氧化態(tài),表明揮發(fā)分的脫氣與熔體的氧化還原狀態(tài)有關(guān);并且作者發(fā)現(xiàn)S脫氣對(duì)熔體中Fe的還原狀態(tài)起重要作用,H2O和CO2的脫氣對(duì)熔體的氧化狀態(tài)的影響可忽略不計(jì)。隨后Brounceetal.(2017)在一個(gè)大氣壓和1200℃條件下計(jì)算不同火山樣品的氧逸度,發(fā)現(xiàn)脫氣程度最低的樣品氧逸度降低到FMQ+1.0,而脫氣程度最高的樣品氧逸度降低到FMQ-0.4,這與其他夏威夷火山巖推斷和測(cè)量的氧逸度值一致,因此推斷在以S為主要揮發(fā)分物質(zhì)(熔體中硫化物和硫酸鹽共存,且存在多種氧化態(tài),例如S2、H2S、SO2等)的玄武巖熔體中,巖漿氧逸度隨脫氣作用的變化受S價(jià)態(tài)的影響,當(dāng)熔體中的硫化物轉(zhuǎn)變成氣相的SO2,熔體氧逸度隨之開(kāi)始下降(Fudali, 1965; Anderson and Wright, 1972; Brounceetal., 2017)。

綜上所述,富Fe2+的礦物如角閃石和石榴子石的分離結(jié)晶可能會(huì)導(dǎo)致弧巖漿的氧逸度升高,并且脫氣作用也會(huì)影響弧巖漿的氧逸度,尤其是硫價(jià)態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致巖漿氧逸度在脫氣過(guò)程中發(fā)生變化。但仍有部分來(lái)自弧火山巖數(shù)據(jù)的證據(jù)認(rèn)為分離結(jié)晶和脫氣過(guò)程對(duì)弧巖漿的氧化態(tài)影響甚微,因此在研究中還需要綜合考慮多方面因素。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

綜上所述,地幔楔氧逸度整體上高于大洋中脊,但在特定地質(zhì)背景條件下存在異常。弧巖漿高氧逸度的成因主要受控于如下過(guò)程:(1)板片俯沖過(guò)程中釋放氧化態(tài)流體對(duì)地幔楔持續(xù)氧化的結(jié)果,流體可能來(lái)源于蝕變的洋殼、沉積物以及蛇紋巖地幔等;(2)地幔部分熔融過(guò)程中,含水熔體與周圍地幔反應(yīng),損失還原組分促使弧巖漿氧化;(3)巖漿演化過(guò)程中,富含F(xiàn)e2+的石榴子石、角閃石等礦物相分離結(jié)晶或脫氣作用導(dǎo)致殘余熔體氧逸度升高。

盡管近年來(lái)弧巖漿氧化態(tài)的研究取得了重要研究進(jìn)展,但仍有許多重要科學(xué)問(wèn)題存在爭(zhēng)議,如俯沖帶不同圈層(蝕變洋殼、沉積物以及蛇紋巖地幔)釋放的流體對(duì)弧巖漿氧化性的貢獻(xiàn)程度、俯沖流體的氧化性和還原性與大洋環(huán)境(封閉大洋、開(kāi)放大洋)的內(nèi)在關(guān)系、分離結(jié)晶和脫氣作用對(duì)造山帶不同階段(俯沖階段、后俯沖階段)中巖漿氧化還原狀態(tài)具有顯著影響等。這些問(wèn)題的深入探索,將極大促進(jìn)對(duì)俯沖帶的研究認(rèn)識(shí),推動(dòng)對(duì)俯沖帶地球化學(xué)循環(huán)和殼幔系統(tǒng)地球化學(xué)演化的深入理解。