克拉通根(Cratonic roots)是位于克拉通岩石圈地幔底部的关键层位，长期受深部熔流体交代改造，是地球深部挥发份的关键储库。克拉通根的氧化还原状态控制了挥发份的储存和释放、金刚石的形成、地幔熔融和岩石圈地幔演化。然而，目前对克拉通根的氧逸度及其随时间演化规律的研究非常匮乏。

大陆裂谷发育的碱性岩是挥发份诱导大陆地幔根发生熔融形成的。地幔氧逸度显著控制地幔中C-O-H等挥发份的赋存状态，进而影响熔融岩浆组分。还原条件下，挥发份C-O-H以CH₄+H₂O为主，地幔熔融主要通过水诱导发生，形成硅饱和的岩浆，如钾镁煌斑岩。而在氧化条件下，挥发份C-O-H以CO₂+H₂O为主，地幔熔融产生硅不饱和富碳酸盐岩浆，如超镁铁煌斑岩和碳酸岩。因此，大陆裂谷背景下的碱性岩是研究大陆地幔根氧化还原状态的天然窗口。

北大西洋克拉通是最古老的克拉通之一，主要经历了三阶段大陆伸展作用，分别发生在距今1400 Ma、590-555 Ma 和142 Ma，且在不同阶段分别形成了不同类型的碱性岩，依次为：钾镁煌斑岩、贫硅的超镁铁煌斑岩(包括方解霞黄煌岩和火成碳酸岩等)和霞石岩。其中在拉布拉多Aillik Bay地区，以上三个阶段形成的碱性岩均有发育，是研究克拉通根氧化还原状态随时间演化的最理想对象（图1）。

图1 北大西洋克拉通拉布拉多碱性岩

根据前人研究，在金属饱和还原地幔中(fO₂ ≤ IW)，Cu主要以Cu⁰赋存在Fe-Ni合金中，同时可以Cu¹⁺赋存在硫化物中。在无金属地幔中(IW < fO₂ ≤ FMQ)，Cu主要以Cu¹⁺赋存在硫化物中。而在氧化的地幔中(fO₂ ≥ ∆FMQ+0.5)，Cu主要以Cu²⁺赋存在硫酸盐中。与硫化物中Cu¹⁺相比，金属Cu⁰和硫酸盐Cu²⁺更富集重的⁶⁵Cu（图2），因此铜同位素（⁶⁵Cu和⁶³Cu）被认为是示踪地幔氧化还原最有潜力的工具之一。

图2 各个矿物相Cu同位素分馏

基于上述思路，中国地质大学（武汉）壳幔交换动力学研究团队陈春飞教授、刘勇胜教授和澳大利亚麦考瑞大学Stephen Foley教授、Svyatoslav S. Shcheka博士对北大西洋克拉通Aillik Bay地区不同阶段形成的碱性岩开展铜同位素研究，以期揭示克拉通根氧化还原状态及演化规律。研究发现1400 Ma钾镁煌斑岩具有比全硅酸盐地球更轻的铜同位素（图1），指示钾镁煌斑岩是起源于金属饱和地幔：金属饱和地幔部分熔融过程中硫化物优先分解，富⁶⁵Cu金属相残余在地幔源区，从而产生具有低δ⁶⁵Cu的钾镁煌斑岩浆。据此推断古元古代克拉通地幔根是金属饱和的，氧逸度约为IW（图3-4），挥发份以CH₄+H₂O为主。而<0.59 Ga的贫硅超镁铁煌斑岩和霞石岩具有与全硅酸盐地球类似的铜同位素组成，指示了其起源于无金属地幔(IW < fO₂ ≤ FMQ)：Cu主要以Cu¹⁺赋存在硫化物，含Ni硫化物与熔体之间的Cu同位素分馏因子为1，Cu同位素在含硫化物地幔熔融过程中分馏不显著。根据贫硅超镁铁煌斑岩主量元素计算克拉通根氧逸度，结果为∆FMQ-2.5至∆FMQ-2.2，挥发份以CO₂+H₂O为主。这意味着北大西洋克拉通根在新元古代经历了氧化事件，且氧逸度至少升高2.5 log单位（图3-4）。另外，该研究统计了Slave, Kaapvaal和Siberia等克拉通金伯利岩（<1150 Ma）中橄榄岩包体的氧逸度，来源于克拉通根橄榄岩具有明显比金属饱和地幔更高的氧逸度，指示了克拉通根氧化事件很可能是一个全球性事件（图4）。

图3 克拉通地幔氧化还原状态演化

图4 克拉通根氧逸度演化

综上，该项工作揭示了克拉通根的氧化还原状态及其随时间的演化规律，查明在新元古代发生了一次大氧化事件，对认识金刚石的形成机制和地幔挥发份演化具有重要的意义。成果“Copper isotopes track the Neoproterozoic oxidation of cratonic mantle roots”发表在《Nature Communications》杂志上。

论文链接：Chen, Chunfei*, Foley, Stephen F., Shcheka, Svyatoslav S., Liu, Yongsheng*, 2024. Copper isotopes track the Neoproterozoic oxidation of cratonic mantle roots. Nature Communications 15 (1) 4311. https://www.nature.com/articles/s41467-024-48304-2