地化所在地幔橄榄石中铁的氧化态及其热力学模型研究中取得新进展

地球化学研究所 2023-11-01

  橄榄石是一种镁铁硅酸盐矿物,不仅是基性、超基性岩的主要造岩矿物,也是地幔岩、陨石的主要组成矿物,是地幔中最主要的指向性矿物相。对橄榄石的地球化学研究不仅对于认识地幔不连续面成因,整个地幔物质的组成、演化、对流,俯冲板片深源地震等地球深部动力学问题具有重要意义,也对宇宙中其他类地行星类似地幔物质的起源有着重要的指示作用。橄榄石中铁的氧化作用对其物理化学特征具有重要影响,从而控制地球深部过程。然而学界仍无法准确限定地幔条件下铁的氧化态及其随地质条件的变化情况。

  中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室张飞武研究员领导的计算矿物物理团队与美国宝石学院Michael Jollands博士合作,建立了复杂地质条件下橄榄石中铁的氧化态及其赋存状态的热力学计算模型,开展了关于橄榄石中铁的氧化态Fe3+/ΣFe、氧化途径、赋存状态等与地球深部环境:活性硅(αSiO2)、温度(T)、压力(P)、氧逸度(fO2),含水量(H2O)等的定量关系研究。

  研究结果表明榄石中铁的氧化态与深部环境具有复杂的制约关系,很难使用常规的阿伦尼乌斯(Arrhenius)公式和有限条件下的实验结果来简单推演。研究发现不含水橄榄石中铁的氧化态Fe3+/ΣFe偏低,并随着深度表现出不规律变化,100km处最大值0.003,含水(500ppmw)橄榄石中,Fe3+/ΣFe增加至0.03。虽然上地幔条件下三价铁的浓度较低,但伴随着Fe3+的Mg/Si空位缺陷浓度及其相关的扩散,流变特性却是铁氧化态的函数。预计这些特性在上地幔的深度范围内会发生多个数量级的变化。该研究进一步揭示了橄榄石在地球深部环境中具有更加复杂的结构与过程。

  了解矿物中缺陷元素微观尺度的赋存状态和分离机理是认识关键金属矿床元素循环和矿床形成的地质-物理-化学过程的关键。该研究所建立的热力学计算模型通过精确模拟矿物体系的成分,压力,温度,氧逸度等重要地质参数,实现了大体系低缺陷浓度的关键金属元素矿物体系的理论模拟,有助于在原子尺度下计算关键金属元素在矿物体系中的分配,分馏,扩散,聚集,耦合和分离等内生动力的细节,为解决关键金属元素“稀”,“伴”,“细”导致的难示踪,难辨识,难探测的基础科学问题,特别是为解决找矿过程向深部发展难度激增问题提供理论支撑,并进一步为高效清洁利用矿产资源提供智力支持。

  研究成果发表在地学国际权威期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth上。

不同深度下A)ΣFe3+Mg/ΣFe3+Si+MgB) Log[V〞Mg] 和C) LogΣFe3+/Fetot随着氧逸度log fO2 和温度的变化关系。

预测的(a)A)ΣFe3+Mg/ΣFe3+Si+Mg,(b)镁空位浓度,(c)硅空位与深度关系。

 

  论文信息:Joshua M. R. Muir,Michael Jollands,Feiwu Zhang,2023. The oxidation states of iron in dry and wet olivine: A thermodynamic model. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, e2023JB026840.

  论文链接:https://doi.org/10.1029/2023JB026840

  (矿床室 郑旭/供稿)