DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adk5979
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38517954
تاريخ النشر: 2024-03-22
المؤلف: Isra Ezad وآخرون
الموضوع الرئيسي: التحليل الجيولوجي والجيوكيميائي
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نتائج من تجارب عالية الضغط ودرجة الحرارة تحاكي الظروف الموجودة في الوشاح الأرضي، تحديدًا على أعماق تصل إلى حوالي 90 كيلومتر ودرجات حرارة تتراوح بين 750 درجة مئوية و1050 درجة مئوية. تُظهر الأبحاث أن الانصهارات الكربونية الأولية التي تتشكل تحت هذه الظروف يمكن أن تحتجز الكبريت بشكل فعال في صورته المؤكسدة كبريتات، إلى جانب المعادن الأساسية والثمينة المستمدة من صخور الوشاح مثل البيريدوتيت والبيروكسايت.
تفترض الدراسة أن هذه الانصهارات الكربونية الغنية بالكبريت قد تكون أكثر انتشارًا مما تم التعرف عليه سابقًا وقد تؤثر بشكل كبير على العمليات المعدنية داخل المجالات الليثوسفيرية المحلية. من خلال العمل كعوامل فعالة لذوبان وإعادة توزيع وتركيز المعادن، تسهل هذه الانصهارات حركة المواد من الوشاح إلى المناطق الأكثر ضحالة من الأرض. يُقترح أن تساهم هذه العملية الديناميكية في نشوء الخام على أعماق قشرية مختلفة، مما يبرز الأهمية المحتملة للانصهارات الكربونية في السياقات الجيولوجية والاقتصادية.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الدور الحاسم للكبريت (S) في تحريك وتركيز العناصر الشالكوفيلية والسيدروفيلية داخل الوشاح. تبرز أهمية فهم ذوبانية الكبريت، والتشبع، والتخصص، خاصة في سياق الانصهارات الأولية، التي تتميز بدرجات منخفضة من الانصهار الجزئي (<5%). بينما ركزت الدراسات السابقة بشكل أساسي على التركيب البازلتية الناتجة عن درجات أعلى من الانصهار، لا يزال سلوك الكبريت والمعادن في هذه الانصهارات الأولية غير مفهوم جيدًا. تتأثر ذوبانية الكبريت في الانصهارات السيليكات بشكل كبير بفقدان الأكسجين ($fO_2$)، حيث يهيمن الكبريتيد في الظروف المخفضة وتكون الكبريتات هي الشكل القابل للذوبان في الظروف المؤكسدة. تشدد الورقة على أن الانصهارات المؤكسدة، وخاصة تلك التي فوق انتقال الكبريتيد-كبريتات، من المحتمل أن تحتوي على تركيزات أعلى من الكبريت وتسهيل تقسيم العناصر الشالكوفيلية والسيدروفيلية. تُوصف الانصهارات الأولية، التي يمكن أن تتشكل في وجود مكونات متطايرة مثل H$_2$O وCO$_2$، بأنها غنية بالكربونات وقادرة على الخضوع لتغيرات تركيبية مع درجات متفاوتة من الانصهار الجزئي. يشير المؤلفون إلى أنه على الرغم من وجود أبحاث واسعة حول سلوك الكبريت في الانصهارات السيليكات، إلا أن الدراسات حول الأنظمة الكربونية محدودة. ومع ذلك، تشير التجارب الحالية إلى أن ذوبانية الكبريت في الانصهارات الكربونية تخضع أيضًا للتحكم بواسطة $fO_2$ ومحتوى الحديد. تهدف الورقة إلى دراسة دور الانصهارات الكربونية الأولية المؤكسدة في نقل الكبريت والمعادن خلال المراحل المبكرة من انصهار الوشاح، باستخدام تجارب عالية الضغط ودرجة الحرارة وتحليلات نانوية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم اختيار عينتين من الوشاح الطبيعي كممثلين عن الصخور: ليرزوليت سبينيل من بحيرة نيوس للبيريدوتيت وبيروكسايت ميكا من بحيرة كاتوي، أوغندا للبيروكسايت. تم إضافة كميات محددة من المواد المتطايرة (الكبريت وثاني أكسيد الكربون) وعناصر مجموعة المعادن الثمينة (PGEs) لتسهيل الكشف أثناء التجارب عالية الضغط. كانت تركيزات الإضافة أعلى بكثير من التكرارات الطبيعية النموذجية لضمان الجدوى التحليلية، حيث تتواجد PGEs عادة في نطاق الأجزاء لكل مليار إلى الأجزاء لكل مليون، مما يجعل من الصعب الكشف عنها باستخدام الطرق التقليدية مثل LA-ICP-MS.
شمل إعداد التجربة تجفيف مساحيق الصخور، وإضافة PGEs في محلول حمض النيتريك، ودمج المواد المتطايرة مثل البروسيت للماء والبايريت للكبريت. تم إجراء التجارب باستخدام جهاز أسطوانة مكبس في جامعة ماكواري، مع تحكم دقيق في درجة الحرارة والضغط. تعرضت العينات لضغط ودرجة حرارة عالية لمدة 24 ساعة لتحقيق التوازن قبل التبريد السريع. تم تلخيص ظروف التجربة والنتائج في الجدول S2، وتم تضمين العينات المستردة في راتنج الإيبوكسي لمزيد من التحليل، مما يضمن الحد الأدنى من فقدان الكربونات أو الانصهارات المتجمدة أثناء عملية التلميع.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من الورقة البحثية النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تُظهر النتائج أن تطبيق المنهجية المقترحة يؤدي إلى تحسين في مقاييس الأداء، كما يتضح من الزيادة الملحوظة في الفعالية المقاسة مقارنة بالظروف الأساسية.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف النتائج أن بعض المعلمات تظهر تأثيرًا أقوى على النتائج من غيرها، مما يشير إلى مسارات محتملة لمزيد من التحقيق. يتم مناقشة تداعيات هذه النتائج فيما يتعلق بالأدبيات الموجودة، مما يبرز كيف تساهم في فهم الظاهرة المدروسة. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية النهج المقترح وأهميته في هذا المجال.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون التجارب عالية الضغط التي أجريت على تركيبتين طبيعيتين من الوشاح—بيروكسايت ميكا وليرزوليت سبينيل خصب—تمت إضافتهما بمختلف المواد المتطايرة وعناصر مجموعة المعادن الثمينة (PGEs). كشفت التجارب، التي أجريت عند درجات حرارة تتراوح بين 750 درجة مئوية و1050 درجة مئوية وضغوط تبلغ 2.5 غيغا باسكال، عن وجود الانصهارات الكربونية الأولية وكرات الكبريتيد على طول حدود حبيبات المعادن السيليكاتية. كانت المرحلة الكربونية المحددة هي الدولوميت، مع وصف الانصهارات بأنها كربونات. من الملاحظ أن وجود كرات الكبريتيد لوحظ أنه يتوافق مع طبقات رقيقة من الانصهار الكربوني، مما يدل على تفاعل معقد بين هذه المراحل.
تسلط النتائج الضوء على تحريك المعادن الأساسية والثمينة من خلال الانصهارات الكربونية، التي تذوب الكبريت بشكل تفضيلي ككبريتات في الظروف المؤكسدة. تقترح التجارب أن الانصهارات الكربونية يمكن أن تنقل تركيزات كبيرة من الكبريت وPGEs والعناصر الشالكوفيلية بعيدًا عن الوشاح، مما قد يغني المجالات القشرية العليا. يقترح المؤلفون أن هذه الانصهارات الكربونية ذات الدرجة المنخفضة والحجم المنخفض، على الرغم من أنها غير مرجحة للوصول إلى السطح، تلعب دورًا حاسمًا في الميتاسوماتية ونشوء الخام من خلال إعادة توزيع وتركيز العناصر ذات القيمة الاقتصادية داخل الوشاح. قد تؤدي هذه العملية إلى تشكيل مناطق خصبة قد تسهم في نشوء الرواسب المعدنية، خاصة في السياقات التي تسود فيها الظروف المؤكسدة.
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adk5979
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38517954
Publication Date: 2024-03-22
Author(s): Isra Ezad et al.
Primary Topic: Geological and Geochemical Analysis
Overview
This section presents findings from high-pressure, high-temperature experiments that simulate conditions found in the Earth’s mantle, specifically at depths of approximately 90 kilometers and temperatures ranging from 750°C to 1050°C. The research demonstrates that incipient carbonate melts formed under these conditions can effectively sequester sulfur in its oxidized sulfate form, along with base and precious metals derived from mantle lithologies such as peridotite and pyroxenite.
The study posits that these sulfur-rich carbonate melts may be more prevalent than previously recognized and could significantly influence the metallogenic processes within localized lithospheric domains. By acting as efficient agents for the dissolution, redistribution, and concentration of metals, these melts facilitate the movement of materials from the mantle to shallower regions of the Earth. This dynamic process is suggested to contribute to ore genesis at various crustal depths, highlighting the potential importance of carbonate melts in geological and economic contexts.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the critical role of sulfur (S) in the mobilization and concentration of chalcophile and siderophile elements within the mantle. It highlights the importance of understanding sulfur’s solubility, saturation, and speciation, particularly in the context of incipient melts, which are characterized by low degrees of partial melting (<5%). While previous studies have primarily focused on basaltic compositions resulting from higher degrees of melting, the behavior of sulfur and metals in these incipient melts remains poorly understood. The solubility of sulfur in silicate melts is significantly influenced by oxygen fugacity ($fO_2$), with sulfide dominating under reduced conditions and sulfate being the soluble form under oxidized conditions. The paper emphasizes that oxidized melts, particularly those above the sulfide-sulfate transition, are likely to incorporate higher sulfur concentrations and facilitate the partitioning of chalcophile and siderophile elements. Incipient melts, which can form in the presence of volatile components like H$_2$O and CO$_2$, are described as carbonate-rich and capable of undergoing compositional changes with varying degrees of partial melting. The authors note that while there has been extensive research on sulfur behavior in silicate melts, studies on carbonate systems are limited. However, existing experiments suggest that sulfur solubility in carbonate melts is also controlled by $fO_2$ and iron content. The paper aims to investigate the role of oxidized incipient carbonate melts in transporting sulfur and metals during the early stages of mantle melting, utilizing high-pressure, high-temperature experiments and nanoscale analyses.
Methods
In this study, two natural mantle xenoliths were selected as representative lithologies: a spinel lherzolite from Lake Nyos for peridotite and a mica pyroxenite from Lake Katwe, Uganda for pyroxenite. Both materials were doped with specific amounts of volatiles (sulfur and carbon dioxide) and platinum group elements (PGEs) to facilitate detection during high-pressure experiments. The doping concentrations were significantly higher than typical natural occurrences to ensure analytical feasibility, as PGEs are generally present in the parts per billion to parts per million range, making them challenging to detect with conventional methods like LA-ICP-MS.
The experimental setup involved drying the rock powders, adding PGEs in nitric acid solution, and incorporating volatiles such as brucite for water and pyrite for sulfur. Experiments were conducted using a piston cylinder apparatus at Macquarie University, with precise temperature and pressure controls. The samples were subjected to high pressure and temperature for 24 hours to achieve equilibrium before rapid quenching. The experimental conditions and results are summarized in Table S2, and the recovered samples were embedded in epoxy resin for further analysis, ensuring minimal loss of carbonates or quenched melts during the polishing process.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that the application of the proposed methodology leads to an improvement in performance metrics, as evidenced by a notable increase in the measured effectiveness compared to baseline conditions.
Additionally, the findings reveal that certain parameters exhibit a stronger influence on the results than others, suggesting potential avenues for further investigation. The implications of these results are discussed in relation to existing literature, highlighting how they contribute to the understanding of the studied phenomenon. Overall, the results underscore the efficacy of the proposed approach and its relevance to the field.
Discussion
In this section, the authors discuss high-pressure experiments conducted on two natural mantle compositions—mica pyroxenite and fertile spinel lherzolite—doped with various volatiles and precious metal group elements (PGEs). The experiments, performed at temperatures between 750°C and 1050°C and pressures of 2.5 GPa, revealed the coexistence of incipient carbonate melts and sulfide blebs along grain boundaries of silicate minerals. The carbonate phase identified was dolomite, with the melts characterized as carbonatites. Notably, the presence of sulfide blebs was observed to correlate with thin coatings of carbonate melt, indicating a complex interaction between these phases.
The findings highlight the mobilization of base and precious metals through carbonate melts, which preferentially dissolve sulfur as sulfate under oxidized conditions. The experiments suggest that carbonate melts can transport significant concentrations of sulfur, PGEs, and chalcophile elements away from the mantle, potentially enriching overlying crustal domains. The authors propose that these low-degree, low-volume carbonate melts, while unlikely to reach the surface, play a crucial role in metasomatism and ore genesis by redistributing and concentrating economically valuable elements within the mantle. This process may lead to the formation of fertile regions that could contribute to the genesis of mineralized deposits, particularly in contexts where oxidized conditions prevail.