DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08316-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39779858
تاريخ النشر: 2025-01-08
المؤلف: Chunfei Chen وآخرون
الموضوع الرئيسي: التحليل الجيولوجي والجيوكيميائي
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق المستخدمة للتحقيق في التفاعل بين الصهارات السيليكات الكربونية والوشاح الليثوسفير. تضمنت المواد الأولية هارزبرغيت، الذي يمثل الوشاح القارّي المقاوم، وعينات أيلليكايت من خليج أيلليك، والتي خدمت كبدائل للصهارات السيليكات الكربونية الأولية. كان الهارزبرغيت مكونًا من 66% وزني أوليفين طبيعي، و33% وزني أورثوبيروكزين، و1% وزني سبينيل، بينما احتوت الأيلليكايت على محتويات مائية تبلغ 2.2 و4.7% وزني H₂O. تضمنت تصميم التجربة خلط هذه المواد بنسبة وزن 1:1 وإجراء تجارب تفاعل متجانسة ومتعددة الطبقات لمحاكاة تسرب الصهارة عبر الليثوسفير السميك.
تم إجراء تجارب الضغط العالي باستخدام جهاز متعدد الأنف من نوع ووكر، مع معايرة دقيقة لدرجة الحرارة والضغط. تعرضت العينات لظروف حرارية وضغط محددة، مع عملية تبريد للحفاظ على منتجات الصهارة. تم استخدام حسابات توازن الكتلة لتقدير الوفرة الطورية في المنتجات التجريبية، مما كشف أن معظم التجارب أظهرت فقدانًا ضئيلًا للحديد (<10%)، والذي اعتبر غير ذي أهمية لدراسة محتوى الكبريتيد في الصهارات الغنية بالكربونات. تسهم النتائج في فهم تاريخ التفاعل طويل الأمد لتسرب الصهارة في الوشاح الليثوسفير، لا سيما في سياق استقرار الصهارات السيليكات الكربونية وتفاعلها مع البيريدوتيت.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة محتوى الكبريت في البيريدوتيت من مختلف القارات والمناطق غير القارية، مما يكشف أن البيريدوتيت القاري يظهر مستويات كبريت أعلى بكثير مقارنة بنظائره غير القارية، مع قيمة P تبلغ $2.7 \times 10^{-8}$ تشير إلى دلالة إحصائية. من الجدير بالذكر أن البيريدوتيت على أعماق تتراوح بين 160-190 كم يظهر تركيزات كبريت تتراوح من 300 إلى 3,600 جزء في المليون، ويعزى ذلك إلى إضافات متطايرة في المرحلة المتأخرة بعد النضوب المبكر. تقترح الدراسة أن وجود جذور قارية غنية بالكبريتيد عند حواف القارات ناتج عن هجرة الصهارات الكربونية، التي تتفاعل مع الوشاح الليثوسفير، مما يؤدي إلى تشكيل طبقات ميتاسوماتية غنية بالكبريتيد.
تظهر التجارب التي أجريت تحت ضغط عالي أن الصهارات السيليكات الكربونية، التي تتطور إلى كربونات أثناء تفاعلها مع الليثوسفير، هي المسؤولة بشكل أساسي عن إثراء الكبريت في الجذور القارية. تشير التجارب إلى أن محتوى الكبريت في هذه الصهارات يتأثر بشكل أساسي بمحتوى SiO₂ الخاص بها، والذي يرتبط إيجابيًا مع درجة الحرارة. مع هجرة الصهارات وتفاعلها مع الليثوسفير، تتناقص قدرتها على حمل الكبريت، مما يؤدي إلى ترسيب الكبريتيدات تحت حواف القارات. يرتبط هذه العملية بتشكيل رواسب الكبريتيد الماجماتية، مما يشير إلى أن ديناميات هجرة الصهارة وتفاعلها مع الليثوسفير تلعب دورًا حاسمًا في التوزيع المكاني والزماني للكربونات ورواسب المعادن المرتبطة بالقرب من حواف القارات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08316-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39779858
Publication Date: 2025-01-08
Author(s): Chunfei Chen et al.
Primary Topic: Geological and Geochemical Analysis
Methods
In this section, the authors detail the methods used to investigate the interaction between carbonated silicate melts and the lithospheric mantle. The starting materials included harzburgite, representing the refractory cratonic mantle, and aillikite samples from Aillik Bay, which served as proxies for primary carbonated silicate melts. The harzburgite was composed of 66 wt% natural olivine, 33 wt% orthopyroxene, and 1 wt% spinel, while the aillikites contained water contents of 2.2 and 4.7 wt% H₂O. The experimental design involved mixing these materials in a 1:1 weight ratio and conducting both homogeneous and layered reaction experiments to simulate melt infiltration through the thick lithosphere.
High-pressure experiments were performed using a Walker-type multi-anvil apparatus, with careful calibration of temperature and pressure. The samples were subjected to specific thermal and pressure conditions, with a quenching process to preserve the melt products. Mass-balance calculations were employed to estimate the modal abundances of phases in the experimental products, revealing that most experiments exhibited minimal iron loss (<10%), which was deemed negligible for the study of the sulfide content in carbonate-rich melts. The findings contribute to understanding the long-term reaction history of melt infiltration in the lithospheric mantle, particularly in the context of carbonated silicate melt stability and interaction with peridotite.
Discussion
In this section, the research discusses the sulfur content in peridotites from various cratons and off-cratonic regions, revealing that cratonic peridotites exhibit significantly higher sulfur levels compared to their off-cratonic counterparts, with a P-value of $2.7 \times 10^{-8}$ indicating statistical significance. Notably, peridotites at depths of 160-190 km show sulfur concentrations ranging from 300 to 3,600 ppm, attributed to late-stage volatile additions following early depletion. The study suggests that the presence of sulfide-rich continental roots at cratonic margins results from the migration of carbonated melts, which react with the lithospheric mantle, leading to the formation of sulfide-rich metasomatic layers.
The high-pressure experiments conducted reveal that carbonated silicate melts, which evolve into carbonatites as they interact with the lithosphere, are primarily responsible for sulfur enrichment in continental roots. The experiments indicate that the sulfur content in these melts is primarily influenced by their SiO₂ content, which correlates positively with temperature. As the melts migrate and react with the lithosphere, their sulfur-carrying capacity diminishes, resulting in the deposition of sulfides beneath cratonic margins. This process is linked to the formation of magmatic sulfide deposits, suggesting that the dynamics of melt migration and interaction with the lithosphere play a crucial role in the spatial and temporal distribution of carbonatites and associated metal deposits near cratonic edges.