The NASA MESSENGER mission revealed that lavas on Mercury are enriched in sulfur (1.5–4 wt.%) compared with other terrestrial planets (<0.1 wt.%), a result of high S solubility under its very low oxygen fugacity (estimated ƒO between IW-3 and IW-7). Due to decreasing O availability at these low ƒO conditions, and an abundance of S, the latter acts as an important anion. This changes the partitioning behaviour of many elements (e.g. Fe, Mg, and Ca) and modifies the physical properties of silicate melts. To further understand S solubility and speciation in reduced magmas, we have analysed 11 high pressure experiments run at 1 GPa in a piston cylinder at temperatures of 1250–1475 °C and ƒO between IW-2.5 to IW-7.5. S K-Edge XANES is used to determine coordination chemistry and oxidation state of S species in highly reduced quenched silicate melts. As ƒO decreases from IW-2 to IW-7, S speciation goes through two major changes. At ∼IW-2, FeS, FeCrS, NaS, and MnS species are destabilized, CaS (with minor NaS) becomes the dominant S species. At ∼IW-4, NaS is destabilized, MgS becomes the dominant S species, with lesser amounts of CaS. The changes in S speciation at low ƒO affect the activities of SiO, MgO and CaO in the melt, stabilizing enstatite at the expense of forsterite, and destabilizing plagioclase and clinopyroxene. These shifts cause the initial layering of Mercury's solidified magma ocean to be enstatite-rich and plagioclase poor. Our results on S speciation at low ƒO are also applicable to the petrologic evolution of enstatite chondrite parent bodies and perhaps early Earth.

中文翻译：

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硫形态对极还原汞熔体的化学和物理性质的影响

NASA MESSENGER 任务显示，与其他类地行星（<0.1 wt.%）相比，水星上的熔岩富含硫（1.5-4 wt.%），这是由于其极低的氧逸度（估计IW-3 和 IW-7）。由于在这些低 ?O 条件下 O 可用性降低，并且 S 丰富，后者充当重要的阴离子。这会改变许多元素（例如 Fe、Mg 和 Ca）的分配行为并改变硅酸盐熔体的物理性质。为了进一步了解还原岩浆中 S 的溶解度和形态，我们分析了 11 个高压实验，这些实验在 1 GPa 下在活塞缸中运行，温度为 1250–1475 °C，ƒO 在 IW-2.5 到 IW-7.5 之间。S K-Edge XANES 用于确定高度还原的淬火硅酸盐熔体中 S 物质的配位化学和氧化态。随着 ƒO 从 IW-2 减少到 IW-7，S 物种形成经历了两个主要变化。在~IW-2 处，FeS、FeCrS、NaS 和 MnS 物种不稳定，CaS（含有少量 NaS）成为主要的 S 物种。在~IW-4 时，NaS 不稳定，MgS 成为主要的 S 物质，CaS 的量较少。低 ƒO 下 S 形态的变化会影响熔体中 SiO、MgO 和 CaO 的活性，以镁橄榄石为代价稳定顽火石，并使斜长石和单斜辉石不稳定。这些变化导致水星凝固的岩浆海洋的初始分层富含顽火石而贫斜长石。我们在低 ƒO 下 S 物种形成的结果也适用于顽火辉石球粒陨石母体和早期地球的岩石学演化。和 MnS 物种不稳定，CaS（带有少量 NaS）成为主要的 S 物种。在~IW-4 时，NaS 不稳定，MgS 成为主要的 S 物质，CaS 的量较少。低 ƒO 下 S 形态的变化会影响熔体中 SiO、MgO 和 CaO 的活性，以镁橄榄石为代价稳定顽火石，并使斜长石和单斜辉石不稳定。这些变化导致水星凝固的岩浆海洋的初始分层富含顽火石而贫斜长石。我们在低 ƒO 下 S 物种形成的结果也适用于顽火辉石球粒陨石母体和早期地球的岩石学演化。和 MnS 物种不稳定，CaS（带有少量 NaS）成为主要的 S 物种。在~IW-4 时，NaS 不稳定，MgS 成为主要的 S 物质，CaS 的量较少。低 ƒO 下 S 形态的变化会影响熔体中 SiO、MgO 和 CaO 的活性，以牺牲镁橄榄石为代价稳定顽辉石，并使斜长石和单斜辉石不稳定。这些变化导致水星凝固的岩浆海洋的初始分层富含顽火石而贫斜长石。我们在低 ƒO 下 S 物种形成的结果也适用于顽火辉石球粒陨石母体和早期地球的岩石学演化。低 ƒO 下 S 形态的变化会影响熔体中 SiO、MgO 和 CaO 的活性，以牺牲镁橄榄石为代价稳定顽辉石，并使斜长石和单斜辉石不稳定。这些变化导致水星凝固的岩浆海洋的初始分层富含顽火石而贫斜长石。我们在低 ƒO 下 S 物种形成的结果也适用于顽火辉石球粒陨石母体和早期地球的岩石学演化。低 ƒO 下 S 形态的变化会影响熔体中 SiO、MgO 和 CaO 的活性，以牺牲镁橄榄石为代价稳定顽辉石，并使斜长石和单斜辉石不稳定。这些变化导致水星凝固的岩浆海洋的初始分层富含顽火石而贫斜长石。我们在低 ƒO 下 S 物种形成的结果也适用于顽火辉石球粒陨石母体和早期地球的岩石学演化。