廣州地化所在俯沖帶硫循環(huán)研究中取得新認識
硫是自然界中的重要揮發(fā)分之一，其在巖漿的演化、金屬礦床的形成、火山噴發(fā)以及環(huán)境變化中起到重要的作用。與俯沖帶相關的弧巖漿巖地幔源區(qū)中含有200 – 500 ppm硫，高于虧損地幔。這反映了板片在弧下深度脫水/熔融時會將大量的硫通過板片釋放的熔/流體再循環(huán)入地幔中。而熔/流體中硫的溶解度則決定了其運移硫的能力，也制約著再循環(huán)入地幔的硫的量。因此俯沖帶溫度壓力下熔/流體中硫溶解度的測定對俯沖帶硫循環(huán)起著限定作用。然而前人對硅酸鹽熔體中硫溶解度的實驗研究大部分是在低壓(<1 GPa)下進行的，很少有在俯沖帶溫壓下硫溶解度的實驗，這限制了對俯沖帶硫循環(huán)的認識。
中國科學院廣州地球化學研究所徐崢助理研究員和李元研究員為了確定俯沖大洋板片部分熔融時產(chǎn)生的熔體運移硫的能力設計了一系列實驗。他們采用反映大洋板片中沉積物和蝕變MORB熔融產(chǎn)物的流紋質熔體和安山質熔體作為初始熔體，硫酸鈣為硫源，在0.5 – 5 GPa、900 – 1200 °C的溫壓條件下進行了一系列實驗，測得在硫酸鈣飽和時，硅酸鹽熔體中硫的溶解度(SCAS)為170 – 3500 ppm硫。SCAS隨熔體中CaO、水含量以及溫度的增加而增大，而壓力對SCAS的影響可以忽略不計。他們收集了文獻發(fā)表的SCAS數(shù)據(jù)，并以此為基礎來評估前人的SCAS經(jīng)驗模型。結果表明，Zajacz和Tsay (2019)提出的SCAS經(jīng)驗模型最為精確(圖1)。
圖1 不同經(jīng)驗模型計算得出的SCAS與實測值對比。實線代表計算值與實測值相等，虛線代表計算值為實測值的0.8倍和1.2倍
利用Zajacz和Tsay (2019)的SCAS經(jīng)驗模型，他們估計俯沖帶板片在弧下深度熔融時熔體中至多能攜帶300 – 1200 ppm S6+。但由于島弧巖漿巖源區(qū)中板片熔體組分的比例有限，單純熔體交代地幔無法為弧下地幔提供足夠的硫以達到后者的高硫含量(圖2a)。盡管如此，熔體中的S6+仍能通過將地幔中的Fe2+氧化為Fe3+，使地幔的氧逸度升高至FMQ+0.5至FMQ+2 (圖2b)。
地幔熔融時，假設地幔中的硫均以S2-形式存在，那么產(chǎn)生的熔體中S2-會將Fe3+還原為Fe2+，導致熔體氧逸度相對源區(qū)偏低?；谶@個原理，他們還計算了地幔熔融時熔體的氧逸度，發(fā)現(xiàn)在熔融程度很小(<2%)時，由于進入熔體的S2-較少，熔體與源區(qū)氧逸度相差無幾；而當熔融程度較大時，進入熔體的S2-較多，導致熔體的氧逸度相對源區(qū)可明顯偏低(圖3)。
最后，他們計算了弧巖漿演化時硫含量和氧逸度值的變化。認為弧巖漿演化時，硫會隨著硫化物的分離結晶和去氣作用而從巖漿中分離。母巖漿的氧逸度越低，從巖漿中分離的硫的量就越多(圖4)。如果演化的弧巖漿是大陸地殼的主要來源，那么只有在母巖漿的氧逸度比較低(不高于FMQ+0.5至FMQ+1)時，演化后的弧巖漿中的硫含量才可能與大陸地殼值相吻合。
圖2 板片熔融產(chǎn)生的熔體交代地幔時(a)地幔硫含量和(b)地幔氧逸度的變化
圖3 部分熔融時熔體氧逸度的變化
圖4 巖漿演化(巖漿MgO降低)時巖漿、硫化物、硫酸鹽和流體中的硫占初始硫比例的變化
項目成果近期發(fā)表在《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。該項目受到了國家重點研發(fā)計劃重點專項(2018YFA0702702)和國家自然科學基金(42021002)的資助。
論文信息：Xu, Z., Li, Y., 2021. The sulfur concentration at anhydrite saturation in silicate melts: Implications for sulfur cycle and oxidation state in subduction zones. Geochimica et Cosmochimica Acta 306, 98-123.
