【导读】最近《科学进展》期刊发表的文章，通过实验模拟了模拟了地幔和地壳的条件，研究了硅酸盐熔体、硫化物液体和碳酸盐熔体三者共存的可能性以及它们之间的相互作用，提出碳酸盐熔体包裹硫化物的新机制。实验表明，碳酸盐熔体能包裹硫化物小球，形成复合体，如同“救生衣”降低密度差，隔离硫化物与硅酸盐岩浆，减缓其溶解，从而促进其长距离迁移。该研究挑战了以往的气泡模型，提出碳酸盐熔体作为硫化物运输载体的可能性，并强调了水、氯和二氧化碳在促进硫化物迁移中的作用，对关键金属资源勘探和开发具有重要意义。
地幔来源的岩浆在输送镍、铜和铂族元素等关键金属方面起着核心作用。这些金属对绿色能源转型、现代科技发展以及国家安全至关重要。当岩浆达到硫化物饱和状态时，会析出一种不混溶的硫化物液体，该液体富集了硅酸盐熔体中的金属，并在特定条件下形成岩浆硫化物矿床。然而，地幔来源的熔体中硫的溶解度与压力成反比，这意味着上升的岩浆会变得越来越缺乏硫化物，除非它们经历了地壳同化作用或极端的硅酸盐矿物分馏。近年来，一些研究提出了一种新的模型，强调金属硫化物从深部来源的机械掺合的重要性。如果大量的富金属硫化物液体或纳米熔体能够直接从地幔输送，那么地壳同化或极端分馏触发硫化物饱和的要求将不再必要。然而，由于硫化物液体密度较大，且与硅酸盐液体之间的界面张力较大，它们往往会滞留在晶体泥浆中，难以进行长距离的垂直运移。为解释这一现象，一种流行的模型认为，气泡会附着在硫化物小球上，从而降低其密度，并像热气球一样将硫化物向上输送。但该模型与深部高压环境下气泡难以存在的现实相矛盾。本研究关注包裹硫化物小球的挥发性富集晕圈（volatile-rich halos）的成因，并提出了一种新的解释。研究人员通过活塞圆筒实验（piston-cylinder experiments）模拟了地幔和地壳的条件，研究了硅酸盐熔体、硫化物液体和碳酸盐熔体三者共存的可能性以及它们之间的相互作用。实验中使用了不同的起始成分和冷却速率来模拟不同的岩浆条件。实验结果表明，碳酸盐熔体会包裹硫化物小球，形成复合小球（compound globules），这种复合小球比单独的硫化物液体更易于运移。碳酸盐熔体与硫化物液体的界面张力较低，使得碳酸盐熔体能够润湿硫化物并包裹在其表面。这种包裹作用就像“救生衣”（life jacket）一样，降低了硫化物与硅酸盐熔体之间的密度差异，并隔离了硫化物小球与周围硅酸盐岩浆的接触，减缓了其溶解速度。快速冷却的实验产物中保留了圆形的复合小球结构，而缓慢冷却的实验中则没有观察到这种结构，这表明快速结晶对于保留这些结构至关重要。实验中观察到的碳酸盐-硫化物-硅酸盐结构与自然界中观察到的结构非常相似，支持了碳酸盐熔体在硫化物运移中起到关键作用的假设。本研究提出了一种新的硫化物运移机制，即碳酸盐熔体包裹硫化物小球，形成复合小球，从而促进硫化物从地幔到地壳的运移。这一发现挑战了传统的“气泡模型”，有助于改进我们对与硫化物跨岩石圈输送相关的金属流的理解，并为关键金属资源的勘探、表征和加工提供新的思路。该研究强调了水和氯在降低碳酸盐熔体密度、增加其浮力和流动性方面的作用，并指出二氧化碳气泡可能在低压环境下进一步增强复合小球的浮力。
参考文献：Maria Cherdantseva et al. ,Carbonated magmatic sulfide systems: Still or sparkling?. Sci. Adv.10, eadl3127(2024). DOI:10.1126/sciadv.adl3127
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