前言

本文是前沿总结第2期，目前规划周更，预计周末更新。前沿总结主要是总结发表在NS及其子刊上的地学相关文章，以了解地学最前沿，培养地学研究思维。这里的研究介绍主要是泛读总结，不一定特别专业，主要是从宏观角度了解地学领域的研究进展。如果对某一研究特别感兴趣，请自行翻阅相关文章。

壳幔边界条件下水倾向于留在俯冲板片中

Retention of water in subducted slabs under core–mantle boundary conditions|nature geoscience

研究背景

在地球科学中，水在地球内部的循环和存储一直是一个重要的研究领域。俯冲板块（即原海洋岩石圈）在下沉过程中会将水携带到地球深部。随着板块的深入，这些水合矿物在不同深度和压力条件下会发生脱水和相变，从而影响地球深部的物理和化学性质。下面简要概括水进入俯冲带后的行为：

• 浅层脱水：在约300公里以下的深度，俯冲板块的地壳层几乎完全脱水，将水释放到上覆地幔中。
• 深层水迁移：水合矿物，如SiO2和AlOOH，能够将水从上地幔运输到下地幔，甚至可能达到地幔-核边界。
  水对地震波速异常和地幔不均一的影响：
• 先前的假设：之前的研究假设俯冲板块在地幔-核边界脱水，释放的水和其他挥发物质会导致局部熔融，从而引起地震波速异常和地球化学成分的不均匀性。
• 水的作用：这些释放的水可能是导致地震波速变化和区域性地震异常的重要因素，并可能解释地幔底层和核心顶部的化学不均匀性。
  本文的重要研究意义：
  通过对含水玄武岩在地幔-核边界条件下的熔融实验，本文探讨了在极端高温高压条件下水的保留机制，挑战了先前的板块脱水假设，提供了新的视角来理解地球深部水循环及其对地震异常和地球化学不均匀性的影响。研究发现，SiO2和SiO2–AlOOH固溶体在这些条件下可以保留大量的水，从而改变了我们对地球内部水迁移和存储的认识。

结论

1. SiO2和SiO2–AlOOH固溶体中水的高溶解度：
   • 在地幔-核边界的高温高压条件下，SiO2相和SiO2–AlOOH固溶体能够分别容纳0.5-3.6 wt%和约3.5 wt%的水。
   • 这些矿物相中的水含量比之前预期的要高，表明它们可以在极端条件下有效地存储水分。
2. 水在固体中的高分配系数：
   • 实验表明，在地幔-核边界区域的高温条件下，水在SiO2和SiO2–AlOOH固溶体中的分配系数很高。
   • 这意味着水更倾向于保留在固体矿物相中，而不是进入部分熔体中。
3. 高温下的水保留：
   • 即使在非常高的温度（高达4100K）下，大部分H2O仍会保留在固体残余物中，而不会进入熔体。
   • 因此，即使地幔-核边界的温度足够高以导致俯冲板块中的地壳材料部分熔融，大部分水仍然会留在固体相中。
4. 对地震异常的影响：
   • 由于水在高温高压条件下主要保留在固体矿物中，而不是进入熔体中，俯冲板块在地幔-核边界区域的脱水不会显著影响地震波速，也不会引起明显的地震异常。
   • 这挑战了之前板块脱水导致地震异常的假设。
5. 对地幔和核心化学不均匀性的影响：
   • 由于大部分水保留在固体残余物中，俯冲板块脱水对地幔低层和顶部核心的化学成分影响有限。
   • 这意味着先前提出的板块脱水导致地幔底层和顶部核心化学不均匀性的假设可能不成立。

岩浆侵入作用揭示洋中脊逆断层

Mid-ocean ridge unfaulting revealed by magmatic intrusions|nature

研究背景

中洋脊（Mid-ocean ridges, MORs）是地球上板块扩展的重要区域，通过岩石圈板块的分离形成海底山脉，占据地球表面的三分之二。然而，研究表明，在中洋脊轴上的构造延展可以通过横跨脊翼的构造缩短部分被逆转。这一过程通过位于大西洋中脊和卡尔斯伯格脊轴外约15公里处的反冲断层地震序列得到了证实。

关键概念

1. 正断层：通常是伸展应力作用下形成的断层，断层的一侧相对于另一侧下移。
2. 反冲断层：在压缩应力作用下形成的断层，断层的一侧相对于另一侧上移。
3. 中洋脊（MORs）：地球板块在海洋中分离并形成新的海洋地壳的区域。
4. 轴外（Off-axis）：指的是远离中洋脊轴的区域。
5. 脆性破坏（Brittle failure）：岩石在应力作用下突然破裂的行为。
   在中洋脊区域，岩浆填充的裂缝沿着脊轴表现为地震活动的迁移，这些裂缝的侵入可以提供足够的压应力触发反冲断层地震。通过海底地形分析，研究人员发现，MORs的正断层逆向重新激活是一个广泛发生的过程，可以在它们形成后不久将海底山脉的振幅减少多达50%。

文章的结论

1. 反冲断层地震的发现：研究发现，位于大西洋中脊和卡尔斯伯格脊轴外约15公里处的反冲断层地震，是浅层压缩的结果。这些地震由岩浆填充的裂缝侵入引发，导致脊翼的脆性破坏。

2. 正断层的逆向再激活：通过分析海底地形，研究人员发现，MORs的正断层逆向再激活是一个常见过程，可以显著减少海底山脉的振幅。这一过程对于全球海底的形态有重要影响。

3. 模型验证：通过机械模型的模拟，研究人员证明了这种浅层压缩是脊翼向外弯曲的自然结果，并且岩浆侵入所引起的小幅压应力可以触发反冲断层地震。

4. 地形分析的结果：通过海底地形的分析，研究发现，反冲断层地震可以将海底山脉的高度减少多达50%，这种“逆断层”机制对全球海底形态具有一阶影响。

5. 地震序列的具体实例：文章详细介绍了2022年9月在北大西洋中脊发生的一系列地震，最初的地震序列表现为脊轴正常断层地震，随后在脊轴外发生了一系列反冲断层地震，证明了这种反冲机制的存在。

重要意义

这篇文章的研究揭示了中洋脊区域存在的逆断层机制，对理解海底地形的形成和演化具有重要意义。通过揭示岩浆侵入如何引发脊翼的压缩变形，这一研究为解释扩展环境中的反冲断层地震提供了物理机制。此外，这一发现对全球海洋地壳的构造过程提供了新的认识，丰富了地质学对板块构造和海底地形演化的理解。

太古宙氧化湿润的岩浆可以从过厚的基性地壳中产生

Melting at the base of a terrestrial magma ocean controlled by oxygen fugacity|nature geoscience

研究背景

地球上最早大陆的形成机制仍然存在争议。保存于太古宙花岗质岩石中的锆石记录了相对氧化和湿润的岩浆源的证据。已有研究提出了与俯冲相关的机制来解释这些特征，暗示地球在约40亿到36亿年前（太古宙早期）就已经开始俯冲作用。然而，本文通过前向岩相学建模和蒙特卡洛随机模型展示了，即使在非俯冲场景下，通过部分熔融过厚的镁铁质地壳，也可以产生类似于全球太古宙花岗岩的相对氧化和湿润的岩浆。这意味着氧化和湿润的岩浆特征并不一定是通过俯冲作用形成的大陆地壳的诊断特征，也不表明太古宙早期已经开始了俯冲作用。

关键概念

1. 氧逸度（Oxygen Fugacity, fO2）：是描述矿物和岩浆系统中氧化还原条件的一个参数，反映了系统中氧的可利用性。
2. 部分熔融（Partial Melting）：在一定的温度和压力条件下，岩石中部分矿物熔化形成岩浆的过程。
3. 太古宙（Archaean）：地质年代中的一个代，大约开始于40亿年前，结束于25亿年前。
4. 花岗岩类（Granitoids）：包括花岗岩在内的一系列岩石，通常由长石、石英和云母等矿物组成。

文章的结论

1. 非俯冲机制下的氧化和湿润岩浆生成：研究表明，通过部分熔融过厚的镁铁质地壳，可以在非俯冲场景下生成相对氧化和湿润的岩浆，这类似于全球太古宙花岗岩中的岩浆特征。

2. 氧逸度和水含量的影响因素：氧逸度和水含量主要取决于太古宙玄武岩源岩的变水和氧化程度。研究发现，源岩中的Fe3+/Fe总比值对于生成类似于太古宙花岗岩的氧化和湿润熔体至关重要。

3. 熔体生成的压力和温度条件：计算结果表明，在适当的压力和温度条件下，即使在较低的太古宙热梯度下，也可以生成相对氧化和湿润的岩浆。

4. 太古宙大陆地壳形成的启示：研究结果表明，早期大陆地壳的形成可能主要是由于太古宙过厚镁铁质地壳的部分熔融，而不是俯冲作用。这一发现挑战了基于氧化和湿润岩浆特征的早期俯冲作用假设。

5. 模拟结果验证：通过蒙特卡洛随机模拟，研究进一步验证了变水和氧化的太古宙镁铁质地壳部分熔融可以生成与太古宙花岗岩一致的氧逸度和水含量特征。

重要意义

这篇文章的研究成果具有重要意义，重新定义了早期大陆地壳形成的地质背景。通过展示在非俯冲场景下生成氧化和湿润岩浆的可能性，研究为理解地球早期大陆形成过程提供了新的视角。这对于地球早期地质演化的研究具有深远影响，也对现代地质学研究中关于大陆地壳形成的理论提供了新的证据。

氧逸度控制岩浆洋基部熔融作用

Melting at the base of a terrestrial magma ocean controlled by oxygen fugacity|nature geoscience

研究背景

早期地球经历的积聚性撞击产生的热量被认为导致了硅酸盐地幔的广泛熔融，形成了覆盖表面的深层岩浆海。随着地球的逐渐氧化，地幔中的氧逸度（fO2）不断增加，但这种变化对原始地幔物质熔点（固相线）的影响尚未明确。本文通过实验确定了在高氧逸度条件下，压力为16-26 GPa时，地幔橄榄岩的固相线，评估了氧逸度对岩浆海底部条件的影响。

关键概念

1. 氧逸度（Oxygen Fugacity, fO2）：描述矿物和岩浆系统中氧化还原条件的参数，反映系统中氧的可利用性。
2. 固相线（Solidus）：岩石开始熔融的最低温度，即岩石从完全固态开始熔化的温度。
3. 原始地幔物质（Primitive Mantle Material）：代表地球早期未经过分异的地幔成分。
4. 岩浆海（Magma Ocean）：由于早期地球积聚性撞击产生的热量导致的广泛熔融，形成的覆盖地球表面的岩浆层。

文章的结论

1. 氧逸度对地幔熔融的强烈影响：研究发现，在16-26 GPa压力范围内，在氧化条件下进行的实验的固相线比在还原条件下进行的实验低至少230-450°C。这表明，假设岩浆海的温度恒定，随着地幔氧逸度每增加一个对数单位，岩浆海的底部将加深约60公里。

2. 固相线的变化与地幔氧逸度的关系：在氧逸度为IW -2.0的条件下，地幔橄榄岩的固相线在16 GPa时为1680°C，在21 GPa时为1900°C，在26 GPa时为2050°C。相比之下，在还原条件（IW -1.2）下，固相线分别为2135°C（16 GPa）、2230°C（21 GPa）和2280°C（26 GPa）。这种固相线的显著降低是由于氧逸度增加了3.2个对数单位。

3. 地幔熔融模型的重新评估：由于氧逸度对地幔熔融的显著影响，早期地球热演化和核形成的地球化学模型需要重新评估。这意味着，解释地幔中亲铁元素耗竭的核心形成模型需要考虑氧逸度变化对熔融温度的巨大影响。

4. 对太古宙氧化岩浆的解释：本文的结果还可能解释为什么在核形成完成后地幔仍然存在高氧逸度的太古宙岩浆样品。这表明，早期地球的氧化环境可能比之前认为的更加复杂和多变。

重要意义

这篇文章的重要意义在于重新定义了氧逸度对地幔熔融条件的影响，提供了新的实验数据来支持这一观点。研究结果表明，氧逸度的变化对地幔熔融的温度有着显著影响，这对于理解早期地球的热演化和核心形成过程具有重要意义。此外，这一发现还可能解释了太古宙时期高氧逸度岩浆的形成机制，为早期地球的地质演化研究提供了新的视角。这对现代地质学研究中关于地幔熔融和岩浆生成的理论提供了新的证据，具有深远影响。