中国科学院海洋研究所孙卫东课题组张方毅博士等发表最新研究成果，首次将地幔的热状态、氧化还原状态和大气成分演化历史有机关联起来，论证地幔氧逸度长期保持稳定，为进一步深入认识地球多圈层系统的协同演化历史提供了全新视角。成果近期以“The constant oxidation state of Earth’s mantle since the Hadean”为题在Nature Communications在线发表。

地幔氧逸度控制地幔中挥发分的赋存形式和活动性，影响幔源岩浆活动中释放的挥发分组成，进而影响大气成分。因此，研究自冥古宙以来地幔氧化还原状态演化历史对认识深部碳循环、大气成分演化以及生命起源等重要科学问题有重要意义。

目前对地幔氧逸度的研究主要通过对幔源熔体的氧逸度研究来实现。然而，由于Fe³⁺在石榴子石中的稳定性会随着压力的升高而升高，在地幔成分保持不变的情况下，幔源岩浆的氧逸度会随着熔融深度的增加而降低。因此，不同深度起源熔体的氧逸度差异不仅受控于地幔固有氧逸度（Fe³⁺/ΣFe比值），而且还受控于岩浆的起源深度。

为了直观对比地质历史时期不同起源深度的熔体反映的地幔氧逸度特征，中国科学院海洋研究所与Sapienza University of Rome的研究者进行合作研究，提出了一个全新的参数：“潜能氧逸度”。这一参数参考了经典的“潜能温度”的定义，其代表了地幔在成分保持不变的情况下，假设其不发生熔融减压上升至1GPa时的氧逸度。使用 “潜能氧逸度”这一参数可以直接对比不同深度起源岩浆地幔源区的氧化还原状态，因此可以用来约束地幔氧化还原状态的演化历史。

建立“潜能氧逸度”参数后，研究者们收集整理了全球自3.8Ga以来正常的环境地幔（指未受俯冲带和地幔柱影响的地幔橄榄岩）衍生玄武岩和地幔柱衍生的科马提岩和苦橄岩数据，通过这些数据来约束地幔的氧化还原状态和热状态的长期演化规律。计算结果表明，太古宙岩浆的氧逸度显著低于太古宙之后岩浆的氧逸度（图1b）。与此同时，岩浆的氧逸度与地幔潜能温度和熔融压力表现出了很好的负相关关系（图2）。这一现象指示太古宙时期高地幔潜能温度所造成的部分熔融深度大可能是导致太古宙岩浆氧逸度偏低的原因。在将所有幔源岩浆的氧逸度校正至“潜能氧逸度”之后发现，无论是环境地幔还是地幔柱源区（下地幔）的氧逸度自冥古宙以来均保持不变，而造成幔源岩浆氧逸度变化的原因则是地幔熔融深度和程度的变化（图3）。

中国科学院海洋研究所博士后张方毅为该论文第一作者，孙卫东研究员为通讯作者，共同作者包括意大利罗马大学Vincenzo Stagno副教授和中国科学院海洋研究所张丽鹏副研究员、陈晨博士、刘海洋副研究员和李聪颖副研究员。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-50778-z

图 1. 幔源岩浆的热状态和氧化还原状态长期演化历史

（a）地幔潜能温度随时间变化趋势；（b）幔源岩浆氧逸度随时间变化趋势；（c）地幔潜能氧逸度长期保持不变

图2. 幔源岩浆的氧逸度与地幔潜能温度和部分熔融压力之间的相关性

图3. 幔源岩浆的氧逸度受地幔热状态的控制

（a）太古宙高温的地幔诱发了深部地幔发生高程度的部分熔融，造成该时期的幔源岩浆具有较低的氧逸度；（b）太古宙之后，随着地幔潜能温度的降低，地幔熔融深度逐渐降低，形成了较为氧化的熔体

本文来源：中国科学院海洋研究所