穆斯堡尔光谱仪在揭示地幔氧逸度研究中的应用_王秋霞.pdf

第 48 卷 第 3期2 0 2 3 年 3 月Vol.48 No.3Mar.2 0 2 3地球科学 Earth Sciencehttp:/https:/doi.org/10.3799/dqkx.2022.354穆斯堡尔光谱仪在揭示地幔氧逸度研究中的应用王秋霞1，平先权1，郑建平1，2*，戴宏坤21.中国地质大学地球科学学院，湖北武汉 4300742.中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室，湖北武汉 430074摘要：利用地幔橄榄岩包体中平衡矿物对的氧逸度计可以有效限定岩石圈地幔的氧化还原状态.本文使用中国地质大学（武汉）新购置的 WSS-10型常温穆斯堡尔光谱仪对华北地块西北部狼山地区橄榄岩包体的四相矿物开展了铁价态的直接测定.结果显示，斜方辉石 Fe3+/Fe为 0.050.11，单斜辉石的为 0.160.25，尖晶石的为 0.160.22，橄榄石为 0.利用橄榄石斜方辉石尖晶石氧逸度计，获得狼山地区岩石圈地幔氧逸度为 FMQ0.82至 FMQ0.39（均值为 FMQ0.65）.该值略高于依据电子探针测试数据计算获得的氧逸度值（FMQ1.49至FMQ0.8，均值为FMQ1.25），造成这一差异的原因可能是后者忽略了尖晶石晶格中Fe3+过剩和阳离子空位导致的非化学计量比.与全球克拉通岩石圈地幔氧逸度值（均值为FMQ0.35）相比，华北地块西北缘狼山地区岩石圈地幔整体表现为较还原状态，推测与深部地幔低 O2熔体上升交代有关.关键词：岩石圈地幔；氧逸度；橄榄岩包体；穆斯堡尔光谱仪；Fe3+/Fe；岩石学.中图分类号：P584 文章编号：1000-2383(2023)03-1217-15 收稿日期：2022-06-02Mineral Ferric Iron Contents of Peridotite Xenoliths by Mssbauer Spectroscopy:Oxygen Fugacity ApplicationsWang Qiuxia1，Ping Xianquan1，Zheng Jianping1，2*，Dai Hongkun21.School of Earth Sciences，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China2.State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources，China University of Geosciences，Wuhan 430074，ChinaAbstract:The redox state of the lithospheric mantle can be estimated by well equilibrated mineral pairs of mantle peridotite xenoliths.Here we explore the mantle redox state of the northwest North China Craton by measuring the mineral Fe3+/Fe of the Langshan spinel lherzolite xenoliths using the newly established lab of WSS-10 Mssbauer spectroscopy at China University of Geosciences(Wuhan).The results show that the Fe3+/Fe ratios are 0.05 0.11 for orthopyroxene,0.16 0.25 for clinopyroxene,0.160.22 for spinel,and no Fe3+was confirmed in olivine.The corresponding mantle oxygen fugacity using the olivine-orthopyroxene-spinel oxy-barometry is FMQ 0.82 to FMQ 0.39(averaged at FMQ 0.65),slightly higher than the estimates using electron microprobe data(FMQ 1.49 to FMQ 0.8,averaged at FMQ 1.25).This discrepancy may be explained by the non-stoichiometry Fe3+excess and cation vacancies in the spinel lattice,which is generally ignored in the stoichinometric calculation using electron microprobe data.Compared with global cratonic mantle(averaged at FMQ0.35),the lithospheric mantle underneath the northwest North China Craton,represent by Langshan mantle xenoliths,is relatively reduced,基金项目：国家自然科学基金项目（Nos.41930215,41873038）.作者简介：王秋霞（1996-），女，博士研究生，主要从事地幔岩石学研究.ORCID：0000000285793251.Email：*通讯作者：郑建平,Email:引用格式：王秋霞，平先权，郑建平，戴宏坤，2023.穆斯堡尔光谱仪在揭示地幔氧逸度研究中的应用.地球科学，48（3）：1217-1231.Citation：Wang Qiuxia，Ping Xianquan，Zheng Jianping，Dai Hongkun，2023.Mineral Ferric Iron Contents of Peridotite Xenoliths by Mssbauer Spectroscopy：Oxygen Fugacity Applications.Earth Science，48（3）：1217-1231.第 48 卷地球科学 http:/and likely results from metasomatism by low-O2 melts from deeper mantle domains.Key words:lithospheric mantle;oxygen fugacity;peridotite xenoliths;Mssbauer spectrometer;Fe3+/Fe;petrology.0 引言 氧逸度（O2）是控制地幔内部、地幔与地壳之间相互作用的关键热力学参数之一，特别是对变价元 素 的 赋 存 状 态 和 分 配 行 为 有 较 大 影 响（Frost and McCammon，2008）.以地幔中的碳为例，还原态的碳通常以单质（金刚石、石墨）或碳化物（如SiC）的形式存在，对地幔橄榄岩的固相线影响较小；氧化态碳则主要赋存于碳酸盐矿物中，可以显著降低地幔岩石的固相线，并改变其他元素在地幔熔融过程中的分配行为（Dasgupta et al.，2013；Stagno et al.，2013）.此外，通过控制矿物 Fe3+和 OH-的含量，它将对地幔岩石的电导率（Dai and Karato，2014）、介电常数及热电系数（Wanamaker and Duba，1992）等产生影响.地幔楔氧逸度对某些矿床的成矿过程也具有明显的控制作用，例如斑岩铜金矿床通常产在高氧逸度的俯冲带环境，这是由于铜、金的亲硫特性，而硫的存在形式与价态强烈受氧逸度控制，从而影响铜、金的富集（Sun et al.，2017）；而 锡 矿 床 则 往 往 与 还 原 性 岩 浆 有关，可能是 Sn 的溶解度受氧逸度影响导致（Linnen et al.，1995）.不 难 看 出，对 地 幔 氧 逸 度 的 研究，无论是在探讨地球内部组成、物理化学性质，还是在探索成矿过程中都能起到重要的作用.深源天然样品（如地幔捕虏体、玄武岩）的氧逸度 研 究 是 揭 示 地 幔 氧 化 还 原 状 态 的 重 要 途 径（Wood and Virgo，1989；Bryndzia and Wood，1990；Canil et al.，1990；Davis et al.，2017；李守奎等，2022）.对 于 玄 武 岩 样 品（如 MORB、IAB、OIB），Kress and Carmichael（1991）对 前 人 数 据（Sack et al.，1981）进行重新拟合，获得了可以应用在高压条件下计算氧逸度值的公式.针对地幔捕虏体常使用的氧逸度计有：（1）橄榄石斜方辉石尖晶石组合（Wood and Virgo，1989；Ballhaus et al.，1991）；（2）斜 方 辉 石 单 斜 辉 石 组 合（Luth and Canil，1993）；（3）橄榄石斜方辉石石榴子石组合（Stagno et al.，2013）；（4）钛铁矿钛铁尖晶石组合（Ghiorso and Evans，2008）.氧逸度计算是根据矿物间的化学平衡反应和反应物或生成物中的变价元素 铁 与 氧 逸 度 的 依 存 关 系 进 行 的（刘 丛 强 等，2001；陶仁彪等，2015），在计算时不可避免需用到含 铁 矿 物 中 的 Fe3+/Fe 比 值，因 而 厘 定 准 确 的Fe2+/Fe3+是获取可靠氧逸度的关键（Wood and Virgo，1989；Sobolev et al.，1999；Quintiliani，2006）.对于样品中 Fe3+/Fe 比值的测定，目前有几种测定方式，（1）穆斯堡尔谱法（Hao and Li，2013）；（2）湿化学分析法（Christie et al.，1986）；（3）同步辐射法（Cottrell et al.，2018）；（4）电子探针法（Zhang et al.，2018；李小犁等，2019）.穆斯堡尔谱法依据铁原子的穆斯堡尔效应可获取较准确的 Fe3+/Fe比值.但该法需将样品研磨成粉末，要求样品量不能太少且对样品有一定破坏性.此外，对单矿物样品还要求其元素组成无明显变化.湿化学法主要通过比色法确定样品中 FeO 的含量，再用总铁含量减去 Fe2+即可得 Fe3+含量.但若样品中含有其他变价元 素，会 影 响 所 测 得 FeO 含 量.近 年 来 基 于 XANES 分析技术，同步辐射法逐渐发展成熟并被大量使用，该方法能够对复杂样品在传统薄片上直接开展微区、无损分析并获取高精度元素价态信息，但目前仅对玄武岩玻璃有标样，且实验成本较高，对 含 水 样 品 测 试 还 不 被 认 可（Cottrell et al.，2018）.电子探针法测试方式简单，对样品要求不高，但电子探针法利用电价差值法或化学计量法间接计算的 Fe3+含量强烈依赖其他配位阳离子值，使得结果有较大的不确定性，因而产生较大的误差（Wood and Virgo，1989；Davis et al.，2017）.此外，近年来，通过优化电子探针 Flank Method 实验方法，可以直接获取玻璃、石榴子石、黑云母和角 闪 石 中 Fe3+含 量（Zhang et al.，2018；李 小 犁等，2019；Li et al.，2020），但 对 于 其 他 矿 物 的应用亟待开发（陈意等，2021）.综合来看要获取准 确 Fe3+/Fe 比 值，穆 斯 堡 尔 谱 测 试 仍 是 一 种相对可靠的方式，尤其是对低 Fe3+含量的样品.在岩石圈演化研究中，目前国内学者通常利用电子探针法间接获取含铁矿物的 Fe3+/Fe进