新聞動態(tài)陳晨等-JPet：地幔部分熔融過程中Co和Mn的分配行為受控于構(gòu)造背景和源區(qū)屬性
鈷(Co)是關(guān)系國民經(jīng)濟、國家安全和高科技發(fā)展的重要戰(zhàn)略金屬資源，其在全球的分布極不均勻。鈷資源與玄武質(zhì)巖漿的成礦作用密切相關(guān)，玄武質(zhì)巖漿的成分與地幔部分熔融過程和其形成的構(gòu)造背景密切相關(guān)，因此，巖漿礦床中鈷的資源量和成礦潛力應(yīng)受控于其在不同構(gòu)造背景下地幔部分熔融過程中的分配行為。
中科院廣州地球化學(xué)研究所礦物學(xué)與成礦學(xué)重點實驗室?guī)r漿作用與成礦團隊與加拿大Carleton大學(xué)姚卓森博士合作，采用熱力學(xué)模擬的手段，獲得了不同構(gòu)造背景（洋中脊、地幔柱和俯沖帶地幔楔）和源區(qū)屬性（橄欖巖地幔和輝石巖地幔）條件下、地幔部分熔融過程中Co和Mn的分配行為以及不同熔融產(chǎn)物中的Co和Mn含量（圖1），模擬結(jié)果與相應(yīng)構(gòu)造背景下自然樣品（如洋脊玄武巖）的Co、Mn含量可相互驗證。取得的主要認(rèn)識如下：（1）洋中脊和地幔柱背景下，橄欖巖地幔減壓熔融產(chǎn)生的熔體中Co、Mn含量隨熔融程度升高而遞減，因為減壓熔融中溫度、壓力下降以及熔體中MgO含量的降低都會導(dǎo)致Co、Mn在硅酸鹽礦物（橄欖石、單斜輝石、斜方輝石等）中的分配系數(shù)升高；（2）俯沖帶地幔楔中，較高溫度時的等壓加水熔融可促進(jìn)更多的Co、Mn釋放進(jìn)入熔體；（3）不同構(gòu)造背景下地幔部分熔融產(chǎn)生的原始巖漿中，其Co、Mn含量范圍為：俯沖帶（Co: ~24-55 ppm; Mn: ~500-1100 ppm）<洋中脊（Co: ~39-84 ppm; Mn: ~900-1600 ppm）<地幔柱（Co: ~45-140 ppm; Mn: ~1000-2000 ppm）；（4）與橄欖巖地幔柱熔融相比，輝石巖地幔減壓熔融產(chǎn)生的熔體貧Co（~25-60 ppm）、Mn（~290-1600 ppm）和Ni（~160-340 ppm），且熔體中Co、Mn含量隨熔融程度增加而增加，與橄欖巖地幔熔融過程中的分配行為相反。
圖1 Co和Mn在洋中脊、地幔柱和俯沖帶地幔楔部分熔融過程中的分配行為
另一方面，與Co地球化學(xué)性質(zhì)相近的過渡族金屬元素，如Mn, Ni和Fe等，其在地幔部分熔融過程中的分配行為經(jīng)常被用于研究地幔不均一性和識別輝石巖地幔。前人曾通過洋島玄武巖中這些元素的含量及其比值（如Fe/Mn等）變化識別源區(qū)中的輝石巖地幔組分。但最近的實驗巖石學(xué)結(jié)果證明橄欖巖地幔在高溫高壓下熔融產(chǎn)物中的過渡族元素的成分特征與前人認(rèn)為的輝石巖地幔組分參與的結(jié)果是類似的（Matzen et al., 2013, 2017a, b）。因此，查明Co、Mn、Ni等過渡族元素在不同構(gòu)造背景和條件下地幔部分熔融過程中的分配行為，是解答這些元素富集機制、輝石巖地幔組份參與程度的關(guān)鍵。
考慮到橄欖巖地幔的高溫高壓熔融在所有上涌地幔柱中均有發(fā)生，只有清晰厘定并剔除這一過程對過渡族元素分配行為的影響，才能準(zhǔn)確識別地幔源區(qū)中是否存在輝石巖地幔。本項工作借助熱力學(xué)模擬，查明了橄欖巖地幔在不同深度部分熔融所產(chǎn)生的原始巖漿的Fe/Mn比值（圖2a）以及相應(yīng)橄欖石斑晶中Ni和Mn的含量（圖2b-c），發(fā)現(xiàn)單純的橄欖巖地幔在高溫高壓下發(fā)生熔融所形成的熔體也具有高Fe/Mn，晶出的橄欖石斑晶也具有富Ni、貧Mn特征，與輝石巖地幔熔融產(chǎn)生的效果基本一致。因此，根據(jù)熔體的Ni、Mn含量隨熔融深度的規(guī)律性變化，獲得了橄欖巖地幔減壓熔融的趨勢線（圖2）。如果玄武巖具較高的Fe/Mn比、或橄欖石斑晶呈更高的Ni89或更低的Mn89，并且其投點分布在模擬的趨勢線之外時，說明這些玄武巖形成時，不僅有橄欖巖地幔的減壓熔融，而且其源區(qū)存在輝石巖地幔組分的貢獻(xiàn)。該項工作可有效剔除了橄欖巖地幔部分熔融的干擾，清晰識別出輝石巖地幔的貢獻(xiàn)。
圖2 a)洋島玄武巖和洋底高原中熔體的Fe/Mn比值與對應(yīng)熔體的熔融深度的關(guān)系; 巖石圈-軟流圈邊界深度與橄欖石斑晶中Ni89(b)和Mn89(c)含量之間的關(guān)系
該項模擬結(jié)果還表明，當(dāng)輝石巖地幔產(chǎn)生的貧Ni巖漿與橄欖巖地幔產(chǎn)生的富Ni巖漿在上侵過程中發(fā)生混合時，熔體的MgO含量和橄欖石飽和晶出溫度會迅速降低，導(dǎo)致Ni在橄欖石和混合熔體間的分配系數(shù)顯著升高，加之初始橄欖石斑晶的Fo值降低，結(jié)晶路徑縮短，最終導(dǎo)致橄欖石斑晶呈“富Ni”的特征，這可以合理的解釋與輝石巖地幔相關(guān)的玄武巖中橄欖石斑晶富Ni的特征。根據(jù)全球洋島玄武巖中橄欖石斑晶的成分特征可以估算輝石巖地幔產(chǎn)生的熔體在混合熔體中的比例（圖3），所得結(jié)果低于前人的估算值（Sobolev et al., 2005, 2007）。
圖3橄欖石斑晶的Fo vs. Ni含量(a)和Fo vs. Mn含量(b)與從混合熔體中結(jié)晶出的橄欖石組分的對比
本研究首次采用綜合的優(yōu)化模型來模擬不同構(gòu)造背景下、地幔部分熔融過程中Co和Mn的分配行為，同時提供了判斷源區(qū)中是否存在輝石巖組分的橄欖巖地幔等壓熔融參考線，并對輝石巖地幔熔體與富Ni橄欖石斑晶的成因聯(lián)系提供了一種新解釋。研究成果近期發(fā)表于巖石學(xué)主流期刊Journal of Petrology。該研究受到國家自然科學(xué)基金重大研究計劃（91962217）等項目的聯(lián)合資助。
論文信息：Chen C, Yao ZS, Wang CY. 2022.Partitioning behaviors of cobalt and manganese along diverse melting paths of peridotitic and MORB-like pyroxenitic mantle. Journal of Petrology 63(4): egac021.
