????地幔氧化還原狀態(tài)對地球內(nèi)部揮發(fā)組分的遷移與儲存具有重要影響，進而影響地球長期宜居性。深俯沖洋殼物質(zhì)可將氧化組分攜帶進入深部還原地幔，進而導(dǎo)致深部地幔氧逸度（fO2）高度不均一。然而，由于深部地幔樣品稀缺，使得人們對深部氧化還原平衡機制的理解依然有限。
????近日，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所高名迪副研究員與王煜研究員、徐義剛研究員以及澳大利亞國立大學(xué)Stephen Foley教授合作，在Science Advances期刊上發(fā)表了題為“Variable mantle redox states driven by deeply subducted carbon”的研究論文。該研究通過高溫高壓實驗與超深金剛石包裹體成分對比研究的方法，揭示了再循環(huán)碳酸鹽如何改變地幔氧化還原狀態(tài)，以及其對克拉通演化和深部碳循環(huán)的影響。
????研究團隊利用多面砧壓機在9-21?GPa高壓條件下開展了板片碳酸質(zhì)熔體與含金屬Fe地幔橄欖巖的反應(yīng)實驗，并將不同氧逸度條件下實驗產(chǎn)物成分與克拉通內(nèi)超深金剛石包裹體成分進行了對比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同克拉通內(nèi)超硅石榴子石（majorite）和鐵方鎂石（ferropericlase）包裹體記錄了顯著不同的地幔氧化還原狀態(tài)：南非Kaapvaal克拉通超深金剛石包裹體整體指示了氧化的地幔環(huán)境，而巴西Amazonia克拉通內(nèi)超深金剛石包裹體則反映了一個整體還原的地幔環(huán)境。
圖1. 實驗產(chǎn)物超硅石榴子石與天然超深金剛石中超硅石榴子石包裹體成分對比。
????進一步將實驗結(jié)果與板塊重建工作結(jié)合，研究團隊認為地幔熱狀態(tài)在該過程中起到了決定性作用：在非地幔柱條件下，板片碳酸質(zhì)熔體在與還原地幔反應(yīng)過程中被逐漸消耗直至完全被還原凍結(jié)為金剛石及Fe-C金屬相，因此地幔整體仍保持高度還原的狀態(tài)。而在地幔柱背景下，碳酸質(zhì)熔體與地幔的反應(yīng)過程會誘發(fā)地幔組分溶解至熔體中，其中溶解的Fe3+組分會緩沖碳酸鹽的還原凍結(jié)過程，進而導(dǎo)致碳酸質(zhì)熔體在與還原地幔反應(yīng)的過程中穩(wěn)定存在。當(dāng)氧化的碳酸質(zhì)熔體上升遷移至克拉通根之后，會進一步誘發(fā)克拉通根活化、巖石圈根拆沉與地表隆升、以及大規(guī)模火山作用和CO2釋放。
圖2. 非地幔柱與地幔柱條件下碳酸鹽與地幔反應(yīng)過程模式圖。
????本研究提出了一種統(tǒng)一模型，解釋了俯沖碳在不同地幔熱狀態(tài)下對氧化還原條件的調(diào)控路徑，并指出這種機制對克拉通穩(wěn)定性與深部碳循環(huán)具有關(guān)鍵意義。研究不僅加深了對地幔氧化還原狀態(tài)演化、克拉通穩(wěn)定性差異及金剛石形成機制的理解，也為全球碳循環(huán)提供了新視角。
????該研究工作受國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項目、科技部重點研發(fā)項目以及中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項等項目的聯(lián)合資助。
論文信息：
Gao,M. (高名迪),Wang,Y.?(王煜)*,Foley,S.,Xu,Y-G (徐義剛).,2025. Variable mantle redox states driven by deeply subducted carbon. Science Advances,?eadu4985.
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