高压下硅酸盐熔体密度的研究

The chemical evolution of the Earth and the terrestrial planet is largely controlled by the density of silicate melts. Knowledge of properties of melts at high pressure is of primary importance for understanding differentiation and dynamics in the Earth’s interior. In this project, we will synthesis the Al2O3-Cr2O3 solid solutions with the continuous variation of their oxide components to elevate the resolution of the density in the ‘sink-float’ method. At the same time, its thermodynamic state equation will be established under high pressure and high temperature in this project. We will replace the mineral markers with the Al2O3-Cr2O3 solid solutions and measure the density of silicate melts at the condition of Earth’s upper and lower mantles. In order to further understanding of the distribution and the stability of silicate melts in the Earth, the fundamental questions about the role of hydrous magmas in planetary differentiation will be answered.

在地球和行星的早期演化进程中，硅酸盐熔体起着至关重要的作用，对其性质的研究是地球深部物质研究的前沿问题之一。本项目拟制备高分辨率的固溶体Al2O3-Cr2O3，建立其在高压下的状态方程， 并对其进行压缩率、热膨胀及其衍生性质、氧化物组元混合特性与压力、温度和成分的关系的研究。以密度连续变化的Al2O3-Cr2O3固溶体替代天然矿物作为密度参考球，利用“沉-浮”法，测量不同含水量的橄榄岩熔体在高压下的密度。深刻认识硅酸盐熔体在地幔中的分布情况以及进一步理解岩浆在早期地球演化的角色等问题。

通过光学浮区熔融法成功制备组分连续变化的Al2O3-Cr2O3固溶体，分别在常压和高压下对其进行X射线衍射研究。通过常压下X射线研究获得了其在常压下的晶胞参数、体积和密度随Cr2O3含量的变化曲线。同时，通过所制备的一系列Al2O3-Cr2O3固溶体的荧光性质和热力学性质研究表明，随Cr2O3含量的变化，其R1和R2线的波长呈线性增加，其半峰宽也随之也相应变化；并且随Cr2O3成分含量的增加，其吉布斯混合自由能呈线性增加，并且纵波波速和剪切波速与Al2O3-Cr2O3体系的密度呈线性变化。进而，利用同步辐射光源对其进行了高压下XRD研究，获得了部分样品的晶胞体积和体弹模量随压力变化曲线。为 “沉-浮”法在对硅酸盐熔体的密度进行测量研究提供了较好的密度参考球，完成了本项目的初步目标。同时，在为完成本项目硅酸盐熔体密度的测量目标，还开展了硅酸盐矿物的野外采样工作。利用野外工作研究和室内模拟实验进行了硅酸盐粘土矿物在地球深部环境中（特别是断层活动时）的矿物转化序列。