铼和硫在俯冲脱水和熔融过程中的迁移和循环

Rhenium (Re) concentration and Re-Os isotopic system are important tools to understand the formation of solar system, core-mantle differentiation and track interaction between the crust and mantle reservoirs. The major geochemical reservoirs (MORB, DMM and CC) all have Yb/Re values higher than that of the PM, leaving a missing Re reservoir problem. To address Re missing puzzle, it is crucial to understand how much Re entering deep mantle and releasing into arc mantle. High radioactive Os isotopic characteristics of arc basalt and mantle peridotite samples suggested that Re could from subducted materials (oceanic slab and sediments) into arc mantle. Re is mainly endowed with sulfide (e.g., pyrite, pyrrhotine and chalcopyrite) in subducted sediments or oceanic slab. However, only few investigations focused on the behavior of Re during sediments melting process at the deeper conditions. In the present study, we seek to fill these gaps in our understanding of Re behavior by experimental quantifying D(MSS/fluid) and D(MSS/SM) for Re at slab conditions and examining how this varies with the change of T, P, oxygen fugacity and composition.

铼(Re)和铼锇同位素体系是研究地球形成、核幔分异和示踪壳幔交换的重要工具。原始地幔Re含量和Yb/Re比值不能被亏损地幔、陆壳和洋壳平衡是困扰地质学家多年的问题，这意味着存在未知Re的储库。俯冲带是地球物质能量交换的重要场所，研究Re在俯冲作用中的迁移和循环是探究此问题的关键。俯冲过程中，Re更多进入深部地幔，还是通过脱水和熔融作用释放到岛弧地幔楔并不清楚。俯冲板片上Re主要赋存在硫化物中，因此有必要研究硫化物与俯冲流体和沉积物熔体之间的分配系数以及硫化物在流体和沉积物熔体中的溶解度。基于此，本项目拟开展活塞圆筒高温高压实验，研究在不同温压和氧逸度条件下，Re在硫化物和板片流体以及沉积物熔体之间的分配系数，获得上述运移介质中S的溶解度，揭示Re和S在俯冲过程中的迁移和循环，探究地球Re储库不平衡的原因，为揭示壳幔交换和岩浆演化提供理论基础。

亲硫性元素和亲铁性元素是研究核幔-壳幔分异，壳幔交换和大陆地壳形成演化的重要工具。同时这些元素的富集又可以形成重要的经济矿产，为现在工业发展提供必需的材料。因此我们有必要探究亲硫型和亲铁性元素在地球不同位置中的地球化学行为，如俯冲带和深部地幔。亲铁性和亲硫性元素都具有强烈的亲硫特性，即硫化物控制着这些元素的地球化学行为。在地球内部，部分熔融和熔体交代过程对元素迁移和分异起主要作用，因此研究亲硫型和亲铁性元素在硫化物与熔体之间的分配系数是研究关键。不同种类的熔体可以出现在地球不同位置，包括硅酸盐熔体和碳酸质熔体以及中间过渡的富碳的硅酸质熔体（金伯利熔体）。例如俯冲带中，板片熔融可以形成中酸性硅酸质熔体。在深部地幔，碳酸盐化岩石圈地幔部分熔融可以形成碳酸质熔体。不同成份的熔体与硫化物之间亲铁性和亲硫型元素的分配差异很大，因此有必要开展亲硫型和亲铁性元素在不同特性的熔体与硫化物之间的分配系数研究。本文就是主要关注板片熔体对俯冲带铼元素循环的影响和深部地幔碳酸质熔体对亲硫型元素和亲铁性元素的迁移作用。首先，铼在已知硅酸盐地球储库中是不平衡补偿的。地球原始地幔含有0.28 ppb的铼，应该被洋壳、陆壳和亏损地幔所平衡。而根据大洋地壳含有0.93 ppb，亏损地幔含有0.12 ppb以及大陆地壳含有0.2–2 ppb的铼，质量平衡计算发现在地球深部存在着一个未知富集铼的储库，这就长期以来争论不休的铼储库丢失之谜。俯冲作用是地壳物质与地幔交换的重要场所，所以有必要了解铼在俯冲过程中的迁移行为。俯冲过程中硫化物主要以磁黄铁矿的形式存在，也是铼的主要寄主矿物。所有我们利用高温高压实验开展了板片熔体与磁黄铁矿之间分配系数研究。压力和温度分别在1–3 GPa, 950–1080 °C，氧逸度控制在FMQ-1.3到FMQ+2范围内。所获得铼在硫化物与板片熔体之间的分配系数在200–25000之间变化，分配系数随氧逸度升高而降低，随压力升高而升高，随温度升高而降低。应用我们新获得的分配系数，我们认为铼主要随着俯冲板片俯冲进入深部地幔，在深部地幔形成一个富集铼的储库。