NSR: 陨硫钙石(CaS)：上地幔C-O-S-Ca循环的新链条与行星宜居性的标志性矿物
文章来源：刘月高 | 发布时间：2023-06-29 | 【打印】 【关闭】
陨硫钙石（CaS）通常被认为是由太阳星云气凝结而成。顽火辉石陨石是陨硫钙石最重要的储存库之一，也是最还原的一类陨石，其是形成早期地球的代表性物质。因此，陨硫钙石对深入了解太阳星云、陨石、地球起源和地球的C-O-S-Ca循环具有重要意义。
深海极端模拟研究实验室联合南方科技大学前沿与交叉科学研究院、中国地调局西安地调中心、内华达大学拉斯维加斯分校，利用活塞圆筒压机和多面顶压砧进行的实验岩石学研究发现：在上地幔和下地壳（1.5 GPa/1510 K、0.5 GPa/1320 K 和 0.3 GPa/1273 K）含硫化物的玄武质岩浆与碳酸钙反应可生成陨硫钙石（CaS），这扩展了CaS在太阳系存在的范围(图1)。前人认为陨硫钙石主要存在于(1)水星轨道内部的顽火辉石陨石、(2)水星表面大量分布、（3）月球陨石坑的月壤中。本研究结果证明其可以在地幔存在。
图1. 太阳系中陨硫钙石CaS的主要分布区域(Liu et al., 2023)
文章定义了2个氧逸度计:CaS-CaO-S平衡时的氧逸度(OLS氧逸度计)、CaS-CaSO4平衡时氧逸度(OA氧逸度计)。在0.5 GPa/1320 K, OA = FMQ + 2.21= IW + 6.05 (lgfo2 = –7.83), OLS = FMQ – 0.52 = IW + 3.30 (lgfo2 = –10.57)，其本质上确定了S2-/S0平衡时和S2-/S6+平衡时的氧逸度，为行星硫循环和矿床学研究提供了重要的便利。岩浆低氧逸度、大气极低氧含量、无大量液态水是CaS可在水星、月球表面较广泛存在的3个条件，否则CaSO4将大量存在，如地球上和火星上表面大量的硫酸钙或石膏。
图2. 0.5GPa条件下，代表性氧逸度缓冲对与温度的关系图（Liu et al., 2013及参考文献）
文章首次指出陨硫钙石可能在洋中脊下覆地幔存在，其可能是黑烟囱部分硫酸钙的前体（图3），该机制是对Bischoff and Seyfried (1978）认为洋中脊硫酸盐是由于Ca和SO42-在海水中的溶解度随着温度的升高而降低机制的补充。
Stagno et al.,2013--Nature; Liu et al.,2023--NSR中的附件
在大氧化事件（GOE）之前，地球大气层最初不含氧气 (Lee et al. , 2016, Lyons et al. , 2014)。大约24.6-18.5亿年前，氧气从现在的大气水平（PAL）的＜10–7.1–10–5.1（lgfo2<–7.6至–6.0，图2）上升到lgfo2=–5.3至–2.7(Kanzaki and Murakami, 2016)，称为GOE。GOE之前的无氧或缺氧环境可能和CaS是有关系的。GOE之前地球大气的lgfo2范围的上限为-7.6至-6.0（图2）(Kanzaki and Murakami, 2016)，与陨硫钙石稳定场部分重叠。此外，早期地球岩浆海的lgfo2值在2173K时为IW+0.5(Sossi et al. , 2020)(图2）。故大气氧逸度和岩浆氧逸度都满足陨硫钙矿存在的条件。本研究推算地球早期的陨硫钙石CaS的质量在4.30×1021-7.58×1021 kg，如果这些CaS如全部转换为CaSO4可以消耗3.82×1021-6.74×1021 kg 氧气，而现代地球大气中的氧气总量仅为1.246×1018 kg，可见CaS可能是地球早期缺氧的诱因。
二叠纪-三叠纪界线（PTB）大灭绝是过去5亿年来最严重的生物危机(Xie et al. , 2005, Yin et al. , 2012), 在PTB时伴随着大气CO2的急剧升高(Retallack, 2001)和大气O2含量的急剧降低(Berner, 2006)，大多学者认为西伯利亚大火成岩省（SLIP）的地幔岩浆与地壳岩石的相互反应是大气变化的一个重要原因(Sobolev et al. , 2011)。本研究中，CaS的形成伴随着CO2的释放，而CaS的氧化则是氧气消耗的过程，且含硫化物的玄武质岩浆与碳酸盐反应过程可以很好的反映SLIP岩浆与地壳碳酸盐的反应过程，更为重要的一点是SLIP岩浆以低氧逸度(FMQ–1.5，低于OLS, Sobolev et al., 2009)区别于其他冰岛、夏威夷等地幔柱，这为CaS存在提供了条件，故有理由推测CaS的短暂存在是PTB大气成分变化的一个因素之一。
文章信息：
Yuegao Liu（刘月高）, I-Ming Chou（周义明）, Jiangzhi Chen(陈姜智，共一), Nanping Wu（吴南平）, Wenyuan Li（李文渊）, Leon Bagas, Minghua Ren（任名华）, Zairong Liu（刘在荣）, Shenghua Mei*（梅升华, 通讯）, Liping Wang*（王李平, 通讯）. Oldhamite: A new link in upper mantle for C-O-S-Ca cycles and an indicator for planetary habitability. NSR, 2023, https://doi.org/10.1093/nsr/nwad159
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