近日，地球科学重要期刊《Geophysical Research Letters》在线刊出我校题为《铁-碳-氢三元体系的高温高压研究及其对深部碳氢循环的指示意义》的研究成果。该研究探究了深部碳氢挥发分的循环和超深金刚石在铁熔体中的形成机理。论文第一作者是中国地质大学（武汉）珠宝学院的赖潇静副教授，通讯作者为赖潇静副教授和夏威夷大学马诺阿分校地球物理和行星科学研究所的陈斌教授。合作者包括中国地质大学（武汉）地球科学学院的朱峰教授以及中科院地质与地球物理研究所的高静博士后等。
板块的俯冲可携带大量含碳和氢的物质如碳酸盐、碳氢化合物,、含水矿物等进入地球深部，参与地球内部物质的循环过程。前人实验研究表明作为地幔主要成分的硅酸盐中的二价铁在高温高压下存在歧化反应 (2Fe2+=Fe0+Fe3+)，Fe3+保留在硅酸盐矿物中，导致地幔250 km (~8 GPa) 以下可能存在着零价的金属Fe；此外，俯冲带中蛇纹石化也可能产生还原性的金属Fe相。金属Fe的存在使得深部地幔氧逸度较地表和浅层地幔更为还原。当较氧化的俯冲带进入深部地幔时，由于两者氧逸度的差异，俯冲带与地幔物质之间可能发生氧化还原反应。含C和H物质一般同时富集于俯冲带的沉积层与洋壳层中，因此它们与金属Fe的交互作用可能同步进行并互相影响，形成Fe-C-H三元体系。本文利用激光加温金刚石压腔与同步辐射X射线衍射实验系统研究了Fe-C-H体系的相转变关系和熔融行为。
研究结果显示，在Fe与过量的碳氢化合物CnH2n+2在高温高压下反应时，在高压且较低温度的条件时形成铁碳合金和分子氢 (Fe+ C-H à Fe3C/Fe7C3 +H2)；在更高温度下，则生成FeHx和金刚石 (Fe3C +H2 à FeHx + C)。相应地，在Fe-C-H体系中Fe过量的条件下，C和H可以同时以填隙（interstitial）的形式共存于Fe的晶格中，形成一种全新的hcp型的Fe-C-H化合物。
实验进一步研究了高温高压下Fe-C与Fe-C-H体系的熔融行为，发现Fe-C-H体系的共晶熔点（Eutectic melting point）低于Fe-C体系，说明H的加入降低了Fe-C体系的熔点。通过对比地幔温度发现，Fe-C-H体系的共晶熔点低于或者非常接近地幔温度，而Fe-C的共晶熔点则处于前人地幔温度模型的温度范围中间，并接近或高于最新的地幔模型温度（图1）。因此，如果在俯冲带和地幔间的氧化还原反应中形成的铁合金为Fe-C化合物，其可能会氧化还原“冻结”在地幔中；如果因H的加入形成Fe-C-H合金，则可能发生熔融。因此，C和H的共同深部循环可能在地幔中中形成Fe-C-H熔体，并同时加强C和H两种挥发分在地幔中的流动性。
图1 Fe-C和Fe-C-H体系高压下的共晶熔融温度以及其与地幔温度的比较。
如果金刚石是在岩石圈里形成我们称其为岩石圈金刚石，绝大多数开采的金刚石都是岩石圈金刚石，还有少量的金刚石来自于岩石圈以下，我们称其为超深金刚石，许多宝石级大颗粒的库里南型钻石(Cullinan-like diamonds)都属于超深金刚石。超深金刚石的形成与俯冲带及深部碳循环紧密相关。由于H在金刚石包裹体研究中常是一种“隐形”的元素（H很难被探测，且在退回常温常压后会从Fe中分离出来），因此其在金刚石形成中的作用可能在之前的研究中被极大地忽视了。通常，在Fe-C二元体系中，C含量要超过Fe7C3中的C含量才能析出金刚石，然而许多金刚石中的Fe合金包裹体C含量远小于析出金刚石所需的含量。我们的研究显示高温下H可以“挤”出铁碳合金中的C形成金刚石，帮助金刚石在更低C含量的Fe熔体中形成；同时，H的加入使得Fe熔体的熔点降低，从而在地幔中，特别是在板块俯冲到670 km发生停滞时，产生更多熔体环境帮助金刚石生长。这两方面的作用还会在 C, H通过俯冲作用不断补充的过程中得到加强，进一步促进超深金刚石的析出及生长（图2）。
图2 地幔中Fe-C-H体系存在形式的示意图。
该研究得到了国家自然科学基金青年科学基金（42002041），中国地质大学（武汉）中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（162301202618），美国国家科学基金（EAR-1555388, EAR-1565708, EAR-1829273）与美国国家航空和航天局项目（80NSSC22K0138）的支持。
论文信息：
Title: Melting of the Fe‐C‐H System and Earth’s Deep Carbon‐Hydrogen Cycle
Authors: Xiaojing Lai*, Feng Zhu, Jing Gao, Eran Greenberg, Vitali B. Prakapenka, Yue Meng, Bin Chen*
Sources: GRL, 2022, 49(13), e2022GL098919.
First Published: June 25, 2022
论文链接：https://doi.org/10.1029/2022GL098919
