深部板片俯冲对地球地球化学循环至关重要，但相关的地球动力学模型缺乏天然矿物学约束。研究人员报道了携带俯冲板片地幔地球化学特征的金刚石中的下地幔包裹体组合。退变的斯石英（stishovite）意味着其捕获温度比下地幔环境温度至少低500°C。三种共存的磷酸钙矿（tuite）包裹体具有放射成因的锶同位素组成和富集型微量元素模式，表明富磷的、板片地壳来源的碳酸岩熔体交代了一个发生弯曲和翻转的板片的地幔。碳酸岩质地壳源能够存留至下地幔深度支持了斯石英所暗示的冷板片温度。冷的板片温度会产生一个二矿物的斯石英-铁方镁石板片，这是一种全新的、具有更高密度和地震波速的地幔岩性，其波速明显高于以橄榄石高压多型体为主的板片。这种新的深部板片矿物学很可能控制了冷板片进入下地幔的穿透过程。
论文解读：下岩石圈钻石对深俯冲板片状态的约束
一、研究背景与问题
深部俯冲板片的物理行为和地球化学过程在过渡带-下地幔边界处发挥着关键作用，对深部地幔元素再循环和深源地震的发生至关重要。地震成像显示，环太平洋俯冲带的板片结构复杂，一些板片穿透进入下地幔，而另一些则在过渡带-下地幔边界附近发生转向。地球动力学模型通常将这种差异性行为归因于板片热结构、年龄、强度、成分、俯冲速率、海沟运动以及深部地幔粘度增加等多种因素的变化。然而，这些模型常产生相互矛盾的结果。例如，一些模型表明冷板片在海沟后退的辅助下会被有效地阻挡，难以进入下地幔，而另一些模型则提出冷板片可以快速穿透进入下地幔，并发生弯曲或周期性屈曲。
关键的科学问题在于，所有这些模型都依赖于橄榄石及其高压多型体（如瓦兹利石、林伍德石）的流变学性质。这一假设对于橄榄石、瓦兹利石和林伍德石占主导的上地幔和过渡带条件是合理的。然而，对于橄榄石多型体变得不稳定的下地幔矿物学，尤其是在低温（<1200°C）条件下的冷俯冲板片地幔，其认识仍然不足。这种在板片地幔橄榄岩矿物学和物理性质上的不确定性，给模型预测带来了显著的模糊性。此外，地球动力学模型缺乏与深部地幔实际矿物学观测的直接联系，导致理论预测与自然证据的契合度存在疑问。
二、研究动机与开展的工作
为了弥合这一知识鸿沟，研究人员转向了下岩石圈（超深）钻石，它们是从深部地幔采样的宝贵直接样本。本研究聚焦于一颗在加拿大西北地区DO-27金伯利岩中发现的超深钻石（样品编号DO-009），对其内部的再平衡下地幔包裹体组合进行了深入研究。该组合包括退变的布里奇曼石（bridgmanite）、退变的CaSi-钙钛矿（CaSi-perovskite）、退变的斯石英（stishovite）、铁方镁石（ferropericlase）、碳酸盐-磷灰石（carbonate-apatite）、磷酸钙矿（tuite）和镁硅钙石（merwinite）。研究人员的目标是利用这些包裹体的矿物化学和热力学模拟，来约束宿主俯冲板片的原始热状态和演化过程，从而为下地幔顶部的板片俯冲动力学提供新的视角。这项研究发表在国际权威期刊《SCIENCE ADVANCES》上。
三、关键技术方法概述
研究人员综合利用了多种微区分析技术对钻石DO-009中的包裹体进行了鉴定和分析：
- 1.
拉曼光谱：用于初步识别包裹体矿物相。
- 2.
单晶X射线衍射：精确测定了磷酸钙矿、碳酸盐-磷灰石和镁硅钙石的晶体结构参数，确认了其物相。
- 3.
电子探针微区分析：获得了包裹体矿物的主量和微量元素组成，特别是对铁方镁石和镁硅酸盐的高Mg#（Mg/(Mg+Fe)比值）进行了精确测定，并进行了元素面扫描成像。
- 4.
傅里叶变换红外光谱：分析了碳酸盐-磷灰石中碳酸根与羟基的比例。
- 5.
离线激光剥蚀与质谱分析：对单个磷酸钙矿包裹体进行了完全剥蚀，随后使用电感耦合等离子体质谱分析了其微量元素，并使用热电离质谱测定了其放射成因锶同位素组成（87Sr/86Sr）。
- 6.
热力学模拟：使用THERMOCALC和MAGEMin软件，基于修正的热力学数据库，计算了模型地幔橄榄岩在高压下的相图，并估算了相关矿物组合的密度和地震波速度。
四、研究结果与结论
（一）钻石DO-009的源岩：冷俯冲变质橄榄岩
包裹体组合表明其源岩为来自冷俯冲板片的变质橄榄岩。高Mg#的铁方镁石和退变的镁硅酸盐（原为布里奇曼石）指示了高度部分熔融亏损的方辉橄榄岩（harzburgitic）成分，代表了俯冲板片中亏损的岩石圈地幔部分。关键的发现是斯石英（以石英形式保存） 的存在。热力学模拟表明，在低温（<1200°C）条件下，斯石英可以与铁方镁石和CaSi-钙钛矿在下地幔深度稳定共存。模拟的相图显示，在过渡带-下地幔边界（约660公里不连续面），当温度比地幔绝热线至少低500°C时，斯石英可以与林伍德石、CaSi-钙钛矿（在过渡带）或铁方镁石、CaSi-钙钛矿（在下地幔）共生。这解释了在某些橄榄岩质超深钻石中观察到的SiO2相的存在。钻石中观察到的斯石英+布里奇曼石+铁方镁石组合可能代表了非平衡组合，与钻石在一个逐渐变暖的基底（被热环境地幔包围的冷板片）中经历的长期、多阶段生长有关。
（二）通过板片来源的碳酸岩质交代作用将磷酸钙矿添加到钻石基质中
在钻石中发现了三个磷酸钙矿包裹体。磷酸钙矿是P和轻稀土元素（LREE）的重要载体，不应出现在高度亏损的岩石中。其富集型的稀土元素模式与碳酸岩熔体结晶的磷灰石高度相似，且共生的碳酸盐-磷灰石具有高碳酸根/羟基比，富钙的镁硅钙石也存在。这些地球化学特征表明，亏损的变质橄榄岩被富磷的碳酸岩熔体所交代。磷酸钙矿和退变的CaSi-钙钛矿的放射成因锶同位素组成（87Sr/86Sr值高于同时代亏损MORB地幔）支持这些交代熔体来源于板片地壳。碳酸岩熔体与还原的变质橄榄岩之间的氧化还原反应可能导致DO-009这类超深钻石的沉淀。
（三）对深俯冲板片地球动力学演化的启示
钻石包裹体为理解俯冲板片的热和物理演化提供了三个关键约束：
- 1.
低温板片表面：产生富磷碳酸岩熔体要求板片地壳中的碳酸盐化玄武岩在到达下地幔前避免发生部分熔融，这意味着在660公里深度，板片表面温度需低于约1200°C。
- 2.
极冷的板片地幔：斯石英在下地幔橄榄岩组合中存在，要求俯冲板片地幔在进入下地幔深度时，其温度至少比环境地幔低500°C。
- 3.
翻转的板片结构：为使来自板片地壳的碳酸岩熔体能够与板片地幔橄榄岩发生反应，板片的层序需要发生倒转（大洋岩石圈地幔覆盖在大洋地壳之上）。这种倒转可能是由于板片在遇到显著增高的下地幔粘度时发生屈曲所致。
关键的地球物理学意义在于，研究揭示的极冷板片条件会导致板片地幔矿物学转变为一种新的模态矿物组合。模拟计算表明，在660公里深度，当温度低于约1080°C时，冷板片地幔主要由高密度的斯石英（约44 wt%）和铁方镁石组成。这种“斯石英-铁方镁石”组合的密度（~4.32–4.40 g/cm3）比前人基于橄榄石多型体（林伍德石为主）模型估算的板片地幔密度高出约7–9%，甚至可能高于或与环境下地幔密度相当。因此，冷的板片更有可能穿透进入下地幔，而非在660公里不连续面处“淤积”。此外，这种富含斯石英和铁方镁石的矿物组合具有显著更高的压缩波速度（VP高2.7–3.6%）和剪切波速度（VS高4.4–6.0%），这与汤加、本州等地冷俯冲带下方观测到的高速异常相符。
五、总结讨论
本研究通过对超深钻石DO-009中独特的矿物包裹体组合进行综合分析，结合先进的热力学模拟，为深部俯冲板片的状态和行为提供了前所未有的矿物学约束和新的动力学视角。
研究结论翻译：冷的板片温度产生一个二矿物的斯石英-铁方镁石板片，这是一种全新的、具有更高密度和地震波速的地幔岩性，其波速明显高于以橄榄石高压多型体为主的板片。这种新的深部板片矿物学很可能控制了冷板片进入下地幔的穿透过程。
总而言之，这项研究将微观的钻石包裹体分析与宏观的地球物理模型联系起来，证明了冷的俯冲板片地幔可以发育一种以斯石英和铁方镁石为主导的、密度和波速更高的全新矿物组合。这一发现修正了关于深部板片浮力和流变性的传统认识，支持了冷板片能够穿透进入下地幔并可能发生屈曲的地球动力学模型，为解释地震观测中的高速异常和板片几何形态提供了坚实的矿物物理学基础。
