DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-10065-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41639438
تاريخ النشر: 2026-02-04
المؤلف: Max W. Schmidt وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيولوجيا الفيزيائية عالية الضغط والمواد
نظرة عامة
تناقش هذه القسم بدء الانصهار في الوشاح الأرضي، مع التركيز بشكل خاص على تكوين الانصهارات السيليكات الغنية بثاني أكسيد الكربون (CO₂) في أعماق تصل إلى حوالي 250 كم. يقدم المؤلفون نتائج تجريبية توضح كيف تنشأ هذه الانصهارات الأولية من أكسدة الكربون العنصري إلى CO₂ داخل تدفقات الوشاح المدفوعة بالطفو. يضعون إطارًا يشير إلى أن الانصهار الأكسدي عند أعماق كبيرة ينتج باستمرار انصهارات كيمبرليتية، والتي تصعد بعد ذلك عبر الأستينوسفير عبر تدفق مسامي تفاعلي.
مع ارتفاع هذه الانصهارات، تخضع لتطور يتميز بزيادة درجات الانصهار، وانخفاض محتوى العناصر المتطايرة وغير المتوافقة، وارتفاع مستويات SiO₂. يقترح المؤلفون أن التدفق القنوي في القشرة يسهل استخراج هذه الانصهارات، مما يؤدي إلى تكوين أنواع مختلفة من الصهارات، بما في ذلك الكيمبرلايت، والصهارات القلوية ذات التركيز المنخفض من السيليكون، والبازلت الثوليتي. يدعم هذا الإطار الأدلة الزلزالية لمنطقة ذات سرعة منخفضة على عمق حوالي 250 كم تحت سلاسل الجبال في منتصف المحيط، ويتوافق مع التنوع الجيوكيميائي الملحوظ في بازالت جزر المحيط وبازالت سلاسل الجبال في منتصف المحيط، والتي تأخذ عينات من مكونات الوشاح المختلفة عند درجات انصهار متفاوتة.
الطرق
تضمنت الطرق المستخدمة في هذه الدراسة جهازًا متعدد السندان للتجارب عالية الضغط، باستخدام مكعبات من كربيد التنجستن بطول حافة 32 مم وأوكتاهيدرات تم معايرتها ضد انتقالات المعادن المعروفة. شمل الجهاز أوكتاهيدرون مغلف بالكروم وموقد جرافيت، مع إجراء التجارب تحت ظروف محكومة لتحقيق التوازن في غضون 1-2 ساعة. تم إعداد المواد الأولية، التي تتكون من انصهارات تحتوي على CO₂ وH₂O، بعناية في صندوق قفاز لتقليل الرطوبة، وتم تبريد المنتجات التجريبية في مزيج من الكلينوبيروكسيين، والكالسيت، والمواد الغنية بالكربونات. تم إدارة عملية التبريد بدقة لمنع نمو الشعيرات التي قد تؤثر على سلامة العينة.
لتحليل تركيبات الانصهار، ركزت الدراسة على برك الانصهار الكبيرة التي شكلت قوامًا مميزًا داخل الكبسولات، بغض النظر عن التكوين الأولي. تمت مقارنة الانصهارات التجريبية مع مجموعة بيانات من 747 تركيبة بازالت جزر المحيط البدائية (OIB) من قاعدة بيانات GEOROC، مع معايير محددة للاختيار. تناولت الدراسة أيضًا التمييز بين الصخور الكيمبرليتية وتركيبات الانصهار الحقيقية، مشددة على أهمية توازن المواد الأولية مع البيريدوتيت الوشاح لضمان نتائج دقيقة. تسلط النتائج الضوء على أهمية تركيبة الانصهار في فهم العمليات الأساسية لتكوين بازالت جزر المحيط (OIB) وبازالت سلاسل الجبال في منتصف المحيط (MORB).
المناقشة
توضح قسم المناقشة في ورقة البحث الأصل الأكسدي لثاني أكسيد الكربون (CO₂) في الانصهارات العميقة في الوشاح، مشددة على أنه في الوشاح الأستينوسفير، لا يكون CO₂ والماء (H₂O) مستقرين عند درجات حرارة عالية، مما يتطلب آلية انصهار مختلفة. يقترح المؤلفون أن الانصهار يبدأ بتفاعل أكسدي يتضمن الكربون، حيث ي destabilizes Fe³⁺ في الغارنيت الرئيسي تحت الضغط المنخفض، مما يؤدي إلى أكسدة الكربون المختزل إلى CO₂. تقلل هذه العملية بشكل كبير من درجة حرارة الصلابة للبيريدوتيت، مما يسهل تكوين انصهارات السيليكات الكربونية، والتي تعتبر حاسمة لولادة الكيمبرليت وغيرها من الصهارات المشتقة من الوشاح.
تقدم الدراسة نهجًا تجريبيًا جديدًا يسمى “الإشباع المتعدد القسري”، مما يوضح أن تدفقات الوشاح تنتج باستمرار انصهارات سيليكات كربونية ذات تركيبة كيمبرليتية، بغض النظر عن عمقها أو تدفق الطفو. تكشف التجارب التي أجريت عند 7 جيجا باسكال أن هذه الانصهارات تتوازن مع المعادن الرئيسية في الوشاح، مما يؤدي إلى تركيبة موحدة تتطور إلى صهارات سطحية متنوعة مع صعودها عبر الأستينوسفير. تشير النتائج إلى أن آلية الانصهار الأولية متشابهة عبر مختلف الإعدادات الجيولوجية، مما يربط تكوين الانصهارات الكيمبرليتية بأكسدة الكربون في الوشاح، ويوفر إطارًا شاملاً لفهم عمليات الانصهار في تدفقات الوشاح على مستوى العالم.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-10065-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41639438
Publication Date: 2026-02-04
Author(s): Max W. Schmidt et al.
Primary Topic: High-pressure geophysics and materials
Overview
This section discusses the initiation of melting in the Earth’s mantle, specifically focusing on the formation of kimberlitic CO₂-rich silicate melts at depths of approximately 250 km. The authors present experimental findings that demonstrate how these initial melts arise from the oxidation of elemental carbon to CO₂ within buoyancy-driven mantle upwellings. They establish a framework indicating that redox melting at significant depths consistently produces kimberlitic melts, which then ascend through the asthenosphere via reactive porous flow.
As these melts rise, they undergo evolution characterized by increased degrees of melting, reduced volatile and incompatible element content, and elevated SiO₂ levels. The authors suggest that channelized flow in the lithosphere facilitates the extraction of these melts, leading to the formation of various magmas, including kimberlites, alkaline Si-undersaturated intraplate magmas, and tholeiitic basalts. This framework is supported by seismic evidence of a low-velocity zone at around 250 km depth beneath mid-ocean ridges and correlates with the geochemical diversity observed in ocean island and mid-ocean ridge basalts, which sample different mantle components at varying degrees of melting.
Methods
The methods employed in this study involved a multi-anvil apparatus for high-pressure experiments, utilizing 32 mm edge length tungsten carbide cubes and octahedra calibrated against known mineral transitions. The apparatus included a Cr-doped MgO-octahedron and a graphite furnace, with experiments conducted under controlled conditions to achieve equilibrium within 1-2 hours. The starting materials, consisting of CO₂ and H₂O-bearing melts, were carefully prepared in a glove box to minimize humidity, and the experimental products were quenched into a mixture of clinopyroxene, calcite, and carbonate-rich materials. The quenching process was meticulously managed to prevent the growth of whiskers that could compromise sample integrity.
To analyze melt compositions, the study focused on large melt pools that formed distinct textures within the capsules, regardless of the initial configuration. The experimental melts were compared with a dataset of 747 primitive ocean island basalt (OIB) compositions from the GEOROC database, with specific criteria for selection. The study also addressed the distinction between kimberlitic rocks and true melt compositions, emphasizing the importance of equilibrating starting materials with mantle peridotite to ensure accurate results. The findings highlight the significance of melt composition in understanding the processes underlying OIB and mid-ocean ridge basalt (MORB) formation.
Discussion
The discussion section of the research paper elucidates the redox origin of carbon dioxide (CO₂) in deep mantle melts, emphasizing that in the asthenospheric mantle, CO₂ and water (H₂O) are not stable at high temperatures, necessitating a different melting mechanism. The authors propose that melting is initiated by a redox reaction involving carbon, where Fe³⁺ in majoritic garnet destabilizes under decompression, leading to the oxidation of reduced carbon to CO₂. This process significantly lowers the peridotite solidus temperature, facilitating the formation of carbonated silicate melts, which are crucial for the genesis of kimberlitic and other mantle-derived magmas.
The study introduces a novel experimental approach termed “forced multiple saturation,” demonstrating that mantle upwellings consistently produce carbonated silicate melts of kimberlitic composition, irrespective of their depth or buoyancy flux. The experiments conducted at 7 GPa reveal that these melts equilibrate with the primary mantle minerals, resulting in a uniform composition that evolves into diverse surface magmas as they ascend through the asthenosphere. The findings suggest that the initial melting mechanism is similar across various geological settings, linking the formation of kimberlitic melts to the oxidation of carbon in the mantle, and providing a comprehensive framework for understanding the melting processes in mantle upwellings globally.