实验研究了在1050–1250°C温度下镍在地幔矿物与含水基性熔体之间的分配规律，并评估了辉石岩对弧岩浆形成的贡献

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Experimentally determined nickel partitioning between mantle minerals and hydrous mafic melts at 1050–1250?°C: Evaluation of pyroxenite contribution to arc magma generation

　　孙中兴｜阮梦飞｜熊晓琳｜王宇｜高明迪
吉林大学地球科学学院，长春130061，中国

**摘要**
弧火山岩中的高镍橄榄石斑晶常用于推断次弧地幔熔融过程中辉石成分的贡献。然而，在与次弧地幔熔融和弧火山岩早期分化相关的条件下，准确的地幔矿物-熔体镍分配系数（DNi）仍不明确，这对该解释提出了质疑。通过实验确定可靠的矿物-熔体DNi的主要挑战之一是减轻实验容器中的严重镍损失。利用含镍容器技术，我们测定了在1–1.5 GPa和1050–1250 ℃条件下地幔矿物（橄榄石、正交辉石、斜方辉石和尖晶石）与含水基性熔体（约5–12 wt% MgO，约1–9 wt% H2O）之间的DNi值，这些条件对应于弧火山岩的生成和早期分化过程。实验结果表明，橄榄石、正交辉石和斜方辉石的DNi值随着熔体MgO含量的降低和温度的升高而分别从11.4增加到37.6、从3.5增加到11.5以及从3.5增加到6.4。结合筛选过的文献中镍损失较小的数据，我们建立了矿物-熔体DNi作为熔体MgO含量和温度函数的经验表达式。这些表达式被应用于模拟来自橄榄岩和辉石源的熔体中的镍含量，以及从这些熔体中结晶出的橄榄石中的镍含量。建模结果显示，从含水弧橄榄岩衍生熔体中结晶出的橄榄石的镍含量低于某些弧火山岩中观察到的高镍橄榄石斑晶。相比之下，从辉石衍生熔体中结晶出的橄榄石能够再现这些橄榄石斑晶中的高镍特征。我们的结果表明，辉石对弧火山岩生成的贡献可能比之前预期的更为广泛。

**引言**
通常认为，弧火山岩起源于地幔橄榄岩，这些橄榄岩被富含H2O的流体从含水海洋板块中释放出来（Elliott, 2003; Grove等, 2012）。流体的加入显著降低了地幔楔形橄榄岩的固相线（Katz等, 2003, Wang等, 2020a），促进了熔融作用和弧火山岩的生成（An等, 2025, Gaetani和Grove, 1998, Grove和Till, 2019）。然而，弧熔岩的微量元素和同位素变化表明，富含SiO2的熔体甚至超临界流体在其形成中也起着关键作用（Gao等, 2026, Klaver等, 2024, Schmidt和Jagoutz, 2017, Turner和Langmuir, 2015a, Turner和Langmuir, 2015b）。这些富含SiO2的成分会与橄榄岩反应，将橄榄石转化为辉石并产生辉石（Gao等, 2019, Rapp等, 1999, Wang等, 2016, Wang等, 2020b, Yaxley和Green, 1998）。与橄榄岩相比，这些岩石具有更低的固相线和更高的熔化生产力，因此辉石可能是弧火山岩的成分之一（Borghini等, 2017, Borghini和Fumagalli, 2020, Bowman和Ducea, 2023, Straub等, 2008, Turner等, 2016）。

为了确定辉石对地幔来源熔体的贡献，广泛使用橄榄石斑晶中的镍含量作为潜在示踪剂（Sobolev等, 2005）。由于镍在辉石中的溶解度低于橄榄石，即使辉石的镍含量与橄榄岩相当或更低，来自辉石的熔体也可能含有比来自橄榄岩的熔体更高的镍浓度。因此，从这种熔体中结晶出的橄榄石斑晶预计会表现出较高的镍含量。这一框架被用来解释许多板内玄武岩中的高镍橄榄石斑晶（Howarth和Harris, 2017, Le Roux等, 2011, Sobolev等, 2005）。然而，先前的研究表明，橄榄石-熔体镍分配系数（DNiOl/m）随温度和压力的升高而显著降低（Matzen等, 2013, Matzen等, 2017, Niu等, 2011）。因此，板内玄武岩中的高镍橄榄石斑晶可能反映了在较高P-T条件下提取的橄榄岩源（Matzen等, 2017, Niu等, 2011, Xu等, 2020）。高镍橄榄石斑晶也在弧火山岩中被广泛发现（Gorbach等, 2023, Nishizawa等, 2017, Straub等, 2008, Straub等, 2015, Straub等, 2011）。与板内玄武岩相比，弧火山岩的特点是MgO含量较低（≤10 wt%），H2O含量较高（约2–6 wt% H2O），并且在相对较低的温度（<1300 ℃）和较低的压力（<2 GPa）的地幔熔融条件下形成（Gaetani和Grove, 1998, Plank等, 2013, Ulmer, 2001）。然而，在这些条件下，地幔矿物与熔体之间的镍分配系数仍然很少。因此，弧火山岩中的高镍橄榄石斑晶是否真正记录了辉石的贡献仍不明确。

实验过程中大量的镍损失是确定可靠矿物-熔体DNi的主要障碍（例如Ehlers等, 1992, Wang等, 2020c）。已经提出了三种策略来最小化这种损失：（1）在极高的氧逸度（fO2 ≥ ～FMQ + 4；FMQ：fayalite-magnetite-quartz fO2缓冲；Lindstr?m, 1976, Michely等, 2017, Snyder和Carmichael, 1992）下进行实验；（2）使用橄榄石容器（橄榄石管+橄榄石盖；Matzen等, 2013, Matzen等, 2017, Wang和Gaetani, 2008）；（3）使用预饱和镍的容器（Ehlers等, 1992, Hart和Davis, 1978, Kinzler等, 1990）。然而，极高的fO2会显著改变矿物的稳定性和矿物及熔体的组成（例如Huang等, 2024, Wei等, 2024）。橄榄石容器会与熔体反应，即使在含约60 wt% SiO2的英安岩熔体中也会导致异常高的MgO含量（Wang和Gaetani, 2008）。因此，这两种方法都不适合在与弧火山岩生成和早期分化相关的P-T-fO2条件下确定矿物-熔体DNi。受到预饱和镍方法的启发，我们采用了含镍金属容器作为样品容器来确定橄榄石、正交辉石、斜方辉石、尖晶石和熔体之间的DNi。然后使用这些DNi数据来模拟来自橄榄岩和辉石的熔体的镍含量，以及从这些熔体中结晶出的橄榄石的镍含量。最后，将建模得到的橄榄石镍含量与弧火山岩中观察到的高镍橄榄石斑晶的镍含量进行了比较，以评估辉石对弧火山岩生成的潜在贡献。

**材料**
使用了两种玄武岩成分作为起始材料，包括一种高K2O玄武岩（GC-1）和一种类似MORB（中间洋脊玄武岩）的玄武岩（GC-2）。GC-1和GC-2是通过混合氧化物（SiO2、TiO2、FeO、MnO、MgO和P2O5）和碳酸盐（CaCO3、Na2CO3和K2CO3）制备的，并掺入了约100–1000 ppm的Cs、Zn、V、Ga、Ge、Cd、Dy和Yb。混合物在乙醇中研磨4小时后均质化，随后在铂坩埚中于1000 ℃下脱碳。

**主元素分析**
实验中矿物和淬火玻璃（熔体）的主要成分使用山东冶金地质局中国地质分析中心的JEOL JXA-8230电子探针（EPMA）进行了分析。分析采用波长色散模式。使用玉髓（Na、Si）、橄榄石（Mg、Fe）、石榴石（Al）、磷灰石（P）、透长石（K）、萤石（Ti）、蔷薇石（Mn）和金属镍（Ni）作为标准样品，并应用了ZAF矩阵校正。

**实验条件和产物**
实验条件和产物总结在表2中。共成功进行了36次实验。所有实验都产生了含有1–3种目标矿物（包括橄榄石（Ol）、正交辉石（Opx）、斜方辉石（Cpx）、尖晶石（Spl）和斜长石（Pl）的淬火熔体池。淬火熔体纯净且均匀，矿物呈亚晶形到自形（图2和图S2）。橄榄石、斜方辉石和尖晶石显示出均匀的成分。

**先前矿物-熔体DNi数据的收集**
在地幔矿物中，橄榄石与镍的亲和力最强，许多先前的实验已经研究了橄榄石-熔体之间的镍分配（Bird, 1971, Ehlers等, 1992, Hart和Davis, 1978, Kinzler等, 1990, Koshlyakova等, 2022, Matzen等, 2013, Matzen等, 2017, Michely等, 2017, Mysen, 2006, Mysen, 2007a, Mysen, 2007b, Mysen, 2008, Snyder和Carmichael, 1992, Wang和Gaetani, 2008），而其他地幔矿物（如辉石、尖晶石）之间的镍分配数据也被研究过（例如，辉石、尖晶石）。

**结论**
在本研究中，使用含镍容器技术准确测定了在相对较低温度条件（≤1250℃）下地幔矿物（橄榄石、正交辉石、斜方辉石和尖晶石）与低MgO熔体（5–12 wt% MgO）之间的DNi。我们的DNi数据结合已发表的实验数据表明，矿物-熔体镍分配主要由熔体MgO含量和温度控制。DNi值随着熔体MgO含量的降低和温度的升高而增加。基于这些DNi数据……

**数据可用性**
数据可通过Mendeley Data获取：https://doi.org/10.17632/y8tx3hv42r.1.c

**作者贡献声明**
孙中兴：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。
阮梦飞：撰写 – 审稿与编辑，方法学，调查，正式分析。
熊晓琳：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。
王宇：撰写 – 审稿与编辑，调查，资金获取。
高明迪：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法学。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**
我们感谢Li Li和Takahashi Eiichi在实验中的协助，感谢Xingcheng Liu和Jintuan Wang在讨论中的帮助，以及Le Zhang和Shuang Xu在分析中的协助。我们感谢Chusi Li、J. Brian Balta和匿名审稿人的建设性评论，以及Hailiang Dong和Adam Simon在编辑上的支持。本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFF0808200和2023YFF0803403）和中国科学院战略性先导研究计划的支持。