铁元素对下地幔矿物晶体结构的影响：高压就位单晶结构研究

All major transitions in the Earth’s lower mantle, including perovskite [(Mg,Fe)SiO3] to post-perovskite structure transition, spin transition in Fe-bearing minerals, and disproportionation of (Mg,Fe)SiO3 perovskite to Fe-free perovskite and H-phase, are related to the role of Fe in these minerals. Fe partitioning and its properties in minerals dictate the mineralogical constitution and structure in the deep Earth. We propose to combine laser-heated diamond anvil cell (DAC) with synchrotron X-ray techniques, monitoring the sample changes under extreme conditions of megrabar pressure and thousands of degree temperature. Applying the newly developed multigrain method, individual crystallite will be separated in complex mineral assemblages and can be treated as a single-crystal. The single-crystal structure data for Fe-bearing minerals will be obtained under equilibrium conditions for the first time, and the changes of occupancy and valences of Fe corresponding to pressure and temperature will be discussed from the angle of crystal structure determination. We will obtain new knowledge of the role of Fe in the spin transitions and structure transitions, and provide experimental evidence for understanding the chemistry and physics and interpreting the seismic structure in the deep Earth.

下地幔的主要相变，包括钙钛矿[(Mg,Fe)SiO3]到后钙钛矿的结构相变、含铁矿物的自旋相变、以及含铁钙钛矿到无铁钙钛矿和H相的分解相变，都和矿物中的铁元素密切相关。铁元素的配分和性质变化对下地幔的矿物组成和结构有直接影响。本课题拟采用激光加温的金刚石压砧和同步辐射X光相结合的先进技术，应用就位X光衍射就位测量样品同时在百万大气压的极限压力和几千度高温条件下所产生的变化。采用最新发展的多晶分析方法，在复杂的矿物体系中把单个亚微米尺寸的晶粒分离出来作为一个单晶来处理。本项目拟首次获得一系列下地幔含铁矿物在高温高压平衡条件下的单晶结构数据，从晶体结构角度系统分析铁在下地幔矿物中的占位和价态随温度和压力的改变。通过本研究，拟对铁在下地幔的自旋相变和结构相变中的作用有更深入的了解，为解释地球深部的物理化学性质和地震波结构提供实验证据。

高温高压实验是直接模拟地球深部过程的唯一途径。该项目所发展的高压同步辐射x射线衍射新技术，结合激光加温的金刚石压砧技术，通过确定高压下几百个晶粒各自的晶面取向，对单个晶体做单晶解析，或者把样品中多个晶体的单晶衍射数据汇总成一套数据，提高了数据的完整度，从根本上革新了超高压晶体学研究方法，突破了多年来困扰高压领域的技术难题，使得原位研究微米级超高压样品的相变和晶体结构成为可能。本研究还进一步把超高压实验研究的能力从单矿物拓展到了地幔真实多组分体系。.应用创新发展的实验技术，我们研究了下地幔含水体系在高温高压条件下的相变和元素配分关系，重点考察了水对含铁下地幔体系的影响。我们发现铝元素的加入稳定了一个具有六方结构的新型地幔深部储水富铁矿物，在低温下该六方相可以转变为黄铁矿结构的立方相含水矿物，且这种转化是可逆并且可重复的，证明铝元素的加入改变了下地幔深部含水矿物的性质和相稳定性，进一步表明含水相的稳定性不仅和温度压力相关，而且和化学成分相关，凸显了研究下地幔多元组分体系的重要性。因此，我们进一步研究了在下地幔底部对应的温压范围内(104–126 GPa，1750–2500 K)，含水7 wt.%的MgO–Al2O3–Fe2O3–SiO2–H2O体系中的含水相及其元素配分关系，发现水的加入明显改变了元素配分关系，并得出含水体系中布里基曼石到后钙钛矿的相变符合D''层特征的这一重要结论。水对下地幔体系的影响，含水矿物以及含铁矿物在地球内部的分布和性质对认识矿产资源的形成、地球演变的过程以及地球内部的组成有重要意义。