近日，地球科學(xué)重要期刊《Geophysical Research Letters》在線刊出題為《鐵-碳-氫三元體系的高溫高壓研究及其對(duì)深部碳?xì)溲h(huán)的指示意義》的研究成果。該研究探究了深部碳?xì)鋼]發(fā)分的循環(huán)和超深金剛石在鐵熔體中的形成機(jī)理。論文第一作者是中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)珠寶學(xué)院的賴瀟靜副教授，通訊作者為賴瀟靜副教授和夏威夷大學(xué)馬諾阿分校地球物理和行星科學(xué)研究所的陳斌教授。合作者包括中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院的朱峰教授以及中科院地質(zhì)與地球物理研究所的高靜博士后等。

  板塊的俯沖可攜帶大量含碳和氫的物質(zhì)如碳酸鹽、碳?xì)浠衔?、含水礦物等進(jìn)入地球深部，參與地球內(nèi)部物質(zhì)的循環(huán)過(guò)程。前人實(shí)驗(yàn)研究表明作為地幔主要成分的硅酸鹽中的二價(jià)鐵在高溫高壓下存在歧化反應(yīng) (2Fe2+=Fe0+Fe3+)，F(xiàn)e3+保留在硅酸鹽礦物中，導(dǎo)致地幔250 km (~8 GPa) 以下可能存在著零價(jià)的金屬Fe；此外，俯沖帶中蛇紋石化也可能產(chǎn)生還原性的金屬Fe相。金屬Fe的存在使得深部地幔氧逸度較地表和淺層地幔更為還原。當(dāng)較氧化的俯沖帶進(jìn)入深部地幔時(shí)，由于兩者氧逸度的差異，俯沖帶與地幔物質(zhì)之間可能發(fā)生氧化還原反應(yīng)。含C和H物質(zhì)一般同時(shí)富集于俯沖帶的沉積層與洋殼層中，因此它們與金屬Fe的交互作用可能同步進(jìn)行并互相影響，形成Fe-C-H三元體系。本文利用激光加溫金剛石壓腔與同步輻射X射線衍射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了Fe-C-H體系的相轉(zhuǎn)變關(guān)系和熔融行為。

  研究結(jié)果顯示，在Fe與過(guò)量的碳?xì)浠衔顲nH2n+2在高溫高壓下反應(yīng)時(shí)，在高壓且較低溫度的條件時(shí)形成鐵碳合金和分子氫 (Fe+ C-H àFe3C/Fe7C3+H2)；在更高溫度下，則生成FeHx和金剛石 (Fe3C +H2àFeHx+ C)。相應(yīng)地，在Fe-C-H體系中Fe過(guò)量的條件下，C和H可以同時(shí)以填隙(interstitial)的形式共存于Fe的晶格中，形成一種全新的hcp型的Fe-C-H化合物。

  實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了高溫高壓下Fe-C與Fe-C-H體系的熔融行為，發(fā)現(xiàn)Fe-C-H體系的共晶熔點(diǎn)(Eutectic melting point)低于Fe-C體系，說(shuō)明H的加入降低了Fe-C體系的熔點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比地幔溫度發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-C-H體系的共晶熔點(diǎn)低于或者非常接近地幔溫度，而Fe-C的共晶熔點(diǎn)則處于前人地幔溫度模型的溫度范圍中間，并接近或高于最新的地幔模型溫度(圖1)。因此，如果在俯沖帶和地幔間的氧化還原反應(yīng)中形成的鐵合金為Fe-C化合物，其可能會(huì)氧化還原“凍結(jié)”在地幔中；如果因H的加入形成Fe-C-H合金，則可能發(fā)生熔融。因此，C和H的共同深部循環(huán)可能在地幔中中形成Fe-C-H熔體，并同時(shí)加強(qiáng)C和H兩種揮發(fā)分在地幔中的流動(dòng)性。

  圖1 Fe-C和Fe-C-H體系高壓下的共晶熔融溫度以及其與地幔溫度的比較。

  如果金剛石是在巖石圈里形成我們稱其為巖石圈金剛石，絕大多數(shù)開采的金剛石都是巖石圈金剛石，還有少量的金剛石來(lái)自于巖石圈以下，我們稱其為超深金剛石，許多寶石級(jí)大顆粒的庫(kù)里南型鉆石(Cullinan-like diamonds)都屬于超深金剛石。超深金剛石的形成與俯沖帶及深部碳循環(huán)緊密相關(guān)。由于H在金剛石包裹體研究中常是一種“隱形”的元素(H很難被探測(cè)，且在退回常溫常壓后會(huì)從Fe中分離出來(lái))，因此其在金剛石形成中的作用可能在之前的研究中被極大地忽視了。通常，在Fe-C二元體系中，C含量要超過(guò)Fe7C3中的C含量才能析出金剛石，然而許多金剛石中的Fe合金包裹體C含量遠(yuǎn)小于析出金剛石所需的含量。我們的研究顯示高溫下H可以“擠”出鐵碳合金中的C形成金剛石，幫助金剛石在更低C含量的Fe熔體中形成；同時(shí)，H的加入使得Fe熔體的熔點(diǎn)降低，從而在地幔中，特別是在板塊俯沖到670 km發(fā)生停滯時(shí)，產(chǎn)生更多熔體環(huán)境幫助金剛石生長(zhǎng)。這兩方面的作用還會(huì)在 C, H通過(guò)俯沖作用不斷補(bǔ)充的過(guò)程中得到加強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)超深金剛石的析出及生長(zhǎng)(圖2)。

  圖2 地幔中Fe-C-H體系存在形式的示意圖。

  該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(42002041)，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(162301202618)，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金(EAR-1555388, EAR-1565708, EAR-1829273)與美國(guó)國(guó)家航空和航天局項(xiàng)目(80NSSC22K0138)的支持。

論文信息：

Title: Melting of the Fe‐C‐H System and Earth’s Deep Carbon‐Hydrogen Cycle

Authors: Xiaojing Lai*, Feng Zhu, Jing Gao, Eran Greenberg, Vitali B. Prakapenka, Yue Meng, Bin Chen*

Sources: GRL, 2022, 49(13), e2022GL098919.

First Published: June 25, 2022

論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2022GL098919

媒體鏈接：https://kjc.cug.edu.cn/info/1191/8351.htm