物理化学性质是控制地幔行为的决定性因素，如高温低压环境下，地幔可发生熔融，形成我们在地表常见的玄武岩。除了温度、压力外，氧逸度可能也是控制地幔行为的一个关键因素。因为Fe³⁺/Fe²⁺ 平衡受压力控制，所以地幔的氧逸度大体上随着深度的增加而降低。但是我们知道地幔不是一个封闭的体系，除了向地表输出玄武岩外，板块俯冲也会将地表物质带回地幔。这些地表物质由于和大气的作用，往往具有更高的氧逸度。所以地表物质再循环可以局部升高地幔氧逸度。其中沉积碳酸盐岩是一类比较特殊的氧化性地表物质，因为在返回地幔过程中它会发生一些化学转变，使其比其他地表物质更具氧化性。第一是因为部分碳酸盐在俯冲过程中会发生脱碳反应，形成CO₂。一方面实验研究表明CO₂的加入可显著升高氧逸度，另一方面C-O-H流体是地幔中广泛分布且流动性很大的物质，而CO₂的加入会极大的提高C-O-H流体的氧逸度。第二俯冲过程中碳酸盐可还原形成石墨、金刚石或者碳化物，此过程中会释放高氧逸度组分到上覆地幔。因此受沉积碳酸盐影响的地幔可能会记录到这种氧逸度升高现象。

除了高温高压实验和地球物理观测，我们对地幔的认识主要来自于玄武岩携带上来的地幔包体。我们课题组通过对内蒙古达里湖地区新生代玄武岩携带的地幔包体的持续研究，发现这一地区地幔受到明显的沉积碳酸盐岩再循环的影响。这些玄武岩中携带有大量的地幔包体，主要有碳酸岩质包体和橄榄岩包体(图1)。碳酸岩质包体主要由碳酸钙组成，其中含有地幔矿物（单斜辉石、斜方辉石）及金刚石、石墨。这些碳酸岩质包体保留有沉积碳酸盐岩的主微量元素及Sr同位素组成，表明这些碳酸岩质包体是沉积碳酸盐岩地幔再循环而成(Liu et al., 2015)。所以此地区地幔受到了地表碳酸盐的影响。

达里湖玄武岩同时携带有大量橄榄岩包体，这让我们可以用来研究地表碳酸盐对地幔的影响。这些橄榄岩和普通的上地幔橄榄岩很不相同，主要表现在其中的橄榄石矿物含有大量的出溶体。这些出溶体是赤铁矿和镁铁矿（图1），它们都拥有极高的Fe3+/ΣFe比值（>95%）。而且橄榄石的Mg#也急剧升高到了98（图1）。这一现象表明橄榄石中的Fe2+被氧化成了Fe3+，而Fe3+不容于橄榄石晶格，遂出溶形成赤铁矿和镁铁矿，而橄榄石Mg#随之升高。因此它们记录了此地区地幔被再循环沉积碳酸盐氧化的历史。

图1，橄榄岩包体及其中出溶体

   那么氧化地幔再熔融产生的熔体成分会有何变化呢？我们用PMELTS模拟了地幔橄榄岩及辉石岩在不同氧逸度条件下的熔融行为，发现熔体的TFeO含量随着氧逸度的升高而增加，因此地幔在较高氧逸度条件下熔融会产生富铁熔体（FeO^tot >13 wt.%）（图4）。地幔起源熔体FeO^tot含量通常在11 wt.%左右，但也有些原始熔体异常富铁。一些大型氧化物及硫化物矿床和富铁熔体密切相关，因此富铁熔体成因探讨不仅在地幔不均一性的科学问题上有着独特的地位，也有着非常重要的实用经济价值。然而目前为止富铁熔体的成因仍没有定论，且偏向于从源区化学成分上探寻成因。而我们的研究表明氧化地幔熔融可能是富铁熔体的另一种形成机制，拓宽了我们对富铁熔体成因的认识。

    图2，地幔橄榄岩（PM, DM）及辉石岩（DMP254，DMP145）在不同氧逸度条件下熔融而成熔体成分变化。

文章信息： He, D., Liu, Y.*, Chen, C., Foley, S.F., Ducea, M.N., 2020. Oxidization of the mantle caused by sediment recycling may contribute to the formation of iron-rich mantle melts. Science Bulletin 65 (7): 519-521. https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.01.003