地空学院刘曦课题组成果颠覆地幔转换带主要矿物林伍德石有序结构传统观点
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更新日期:2018-05-16 16:54:15 浏览:0
地空学院刘曦课题组成果颠覆地幔转换带主要矿物林伍德石有序结构传统观点
日期: 2018-05-16  信息来源: 地球与空间科学学院
 
为进一步研究林伍德石中离子占位的有序-无序问题,北京大学地球与空间学院的刘曦研究员、硕士研究生刘丽萍等创造性地设计了一系列的高温高压实验,在不同的温压条件下(3-6GPa,1500-1650℃)成功合成了不同硅含量的镁铝尖晶石。同时把天然的无硅镁铝尖晶石及石英、高压下合成的无硅镁铝尖晶石、柯石英、斯石英和镁橄榄石等设为对照组。拉曼光谱分析揭示:含硅尖晶石中出现了一系列的新峰(~610,823,856和968cm-1),这些峰与镁橄榄石中硅氧四面体的峰几乎完全一致;在较低的温压条件下(≤~3-4 GPa, 1500℃),尖晶石中的硅呈四次配位,而当温压升高时(≥~5-6GPa,1630-1650℃),硅进入八面体位置,并达到完全无序的状态。依据含硅镁铝尖晶石中硅的无序现象,可推断出同为尖晶石型结构的林伍德石也极有可能存在类似的硅占位无序情况,只不过这种硅的高无序状态在降温降压过程中没有保存下来。
 
如果地幔过渡带中的林伍德石呈高度无序状态,那么目前流行的上地幔矿物学模型、520及660公里的地震波不连续面等都需要重新考量。同时,由于林伍德石离子占位的有序-无序程度是温度-压力的函数,陨石中林伍德石的有序-无序程度可以反映天体碰撞过程的温度、压力、碰撞天体的大小与运行速度,为研究太阳系的早期演化等提供重要约束条件。
 
图1 合成含硅尖晶石及对照组拉曼光谱特征
 
图2 合成含硅尖晶石硅氧四面体拉曼相对峰强变化
 
以上研究成果受到评审专家的高度评价,并已于2018年5月12号正式发表在国际矿物学新锐杂志Minerals上。该成果受到国际地学界的广泛关注(通过Minerals网站浏览的次数已达166次,通过Research Gate网站浏览的次数已达75次;2018年5月14号数据)。
 
本研究受中国科学院战略性先导科技专项(B类)“地球内部过程与表层系统的联系”(No.XDB18000000),中国科学技术部国家重点研发计划项目“燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应”(No.2016YFC0600408)和中国科学技术部国家科技基础条件平台项目(2013FY110900-3)的资助。
 
论文信息:Liping Liu,Xi Liu,Xinjian Bao,Qiang He,Wei Yan,Yunlu Ma,Mingyue He,Renbiao Tao,Ruqiang Zou,2018. Si-disordering in MgAl2O4-spinel at high P-T conditions, with implication to Si-Mg disorder in Mg2SiO4-ringwoodite. Minerals,8,210;doi:10.3390/min8050210.
 
背景介绍
 
林伍德石(ringwoodite)作为地球地幔过渡带下部(520-660公里深度范围)的主要造岩矿物,其物理-化学性质对构建地球地幔矿物学模型、探讨地球内部主要地震波不连续面成因等有重要意义。此外,林伍德石作为强冲击变质作用的标志性矿物,也广泛出现在球粒陨石、月球陨石和火星陨石中,可以有效指示冲击的温压条件、持续时间、冲击规模等,结合宇宙年代学等资料,可以很好地揭示太阳系的早期演化历史。林伍德石的重要性引发了科学界的广泛关注,但由于样品的稀缺性、结构的不稳定性等特点,至今仍颇多争议。
 
林伍德石具有典型的尖晶石型结构(spinel structure)。通常来说,尖晶石型矿物中的离子易于发生位置交换,在高温-高压条件下能够达到完全无序状态。在过去半个多世纪中,林伍德石中离子占位的有序-无序问题一直备受关注,但不论是理论还是实验研究都表明其能够达到的无序程度几乎可以忽略。换言之,到目前为止科学家们还没有明确地观察到林伍德石中的无序现象,即六次配位的硅。同为尖晶石结构,为何其有序-无序行为差别如此之大?是否有外在因素的干扰?已有研究表明,随着温度-压力的降低,高温高压条件下达到的离子占位无序状态有可能被快速抹去,结构变得有序。由于林伍德石四面体和八面体的大小相差较大,在温度-压力降低过程中,其无序状态有可能很难保存下来。相对应地,镁铝尖晶石中镁和铝的离子半径差别要小一些,高温高压下的无序状态易于保存,因此镁铝尖晶石可作为一个研究林伍德石中离子占位无序状态的重要媒介。另一方面,相关理论研究表明,林伍德石中离子占位的有序-无序程度对其热膨胀性、体弹模量、剪切模量、地震波波速等物理-化学性质有极大影响;例如,12.5%的硅无序就能降低地震波波速~3-5%。由于林伍德石中离子占位的无序程度可达66.7%,因此,林伍德石中离子占位问题具有重要地学意义,亟待深入研究。
 
编辑:凌薇
责编:山石

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