下地幔布里基曼石的铁自旋态及其地球物理意义

<正>根据地幔岩模型,下地幔主要由于布里基曼石[(Mg,Fe)(Fe,Si,Al)O3)]、铁方镁石[(Mg,Fe)O]、Ca-钙钛矿组成。Badro et al.,2003利用X光发射光谱发现,下地幔铁方镁石中的铁在高压下会经历电子的自旋转变[1]。随即发现,铁在下地幔矿物中的自旋转变会带来一系列物理性质的改变,如密度、弹性模量、波速、热传导系数以及电导率等[2]。在过去的十几年中,研究铁在下地幔矿物中的自旋态,以及自旋转变对下地     

铁方镁石自旋转变与下地幔中部波速横向变化

<正>铁方镁石是下地幔主要矿物之一。Badro等人2003年首次在该矿物观测到磁矩转变,掀起了对矿物物性特别是弹性影响的研究热潮[1]。第一性原理计算显示,相对与其他突变的地幔矿物相变,铁方镁石自旋转变是一个缓变的过程,随着压强的增大,越来越多的铁原子从有磁矩(高自旋态)转变到没有磁矩状态(低自旋态),温度越高,转变的压强越大,转变的范围就越宽,下地幔很大的深度范围内都处于自旋转变过渡区[2]。自旋转变过程中,铁方镁石的体模量和部分弹性系数会显著降低。     

地球下地幔矿物结构和热力学参数的研究进展与展望

下地幔从660 km到2 891 km深度,占据整个地球质量的49.2%并处于极端高温高压的状态。在下地幔相应的温度压力条件下研究主要构成矿物的物理性质,尤其是结构、密度和波速,是理解下地幔结构、物质组成以及动力学过程的关键。通过回顾过去30年高温高压矿物学实验对下地幔矿物,包括布里基曼石、铁方镁石、Ca-钙钛矿以及硅酸盐—后钙钛矿结构和热力学状态方程的重要研究进展,探讨温压条件变化、成分变化以及Fe自旋变化对这些下地幔矿物(相)密度和体波波速的影响,指出现有研究结果的不足和需要解决的问题,并对未来的研究方向提出展望。     

记录地幔中存在氧元素的自然铁-方铁矿组合

笔者在西藏蛇绿岩的铬铁矿石中发现了十分复杂的地幔矿物群,其中包括自然铁-方铁矿的共生组合,它们被认为是外地核和下地幔的物质通过地幔柱作用携带到上地幔的。新发现的自然铁-方铁矿组合表明,外地核液态铁溶解有部分氧,当液态铁由外地核上升时,氧从液态铁中析出并呈不混溶状态存在于液态铁中。随着乳滴状自然铁球粒向上运移,在降压条件下液态铁和氧元素发生化学反应生成方铁矿(包括NI AS结构)。当氧耗尽时,在方铁矿中遗留下氧耗尽的空洞,形成眼球状构造。因此,眼球构造可能是外地核向地幔释放氧,下地幔内存在氧元素的历史记录。     

下地幔矿物研究及其进展

文中综述了20世纪90年代以来对下地幔矿物高温高压研究的进展,详细评论了下地幔温压下(Mg,Fe)SiO3钙钛矿的稳定性、(Mg, Fe)SiO3 钙钛矿和(Mg, Fe)O镁方铁矿的高压状态方程和热弹性及高压熔化、核幔边界温压下铁和硅酸盐的化学反应等几个热点问题;探讨了下地幔的矿物学组成,对下地幔的地震波速异常给出了可能的矿物学解释;介绍了国内同领域的研究工作;展望了下地幔矿物研究的发展方向。     

地幔过渡带和下地幔组成与深部热源研究进展

受时空不可及性的制约,地质学家在探究地球深部物质组成方面仍显得很被动,尤其是在探究地幔物质组成方面显得更加艰难.目前,科学家们探测地幔物质主要依靠地球物理学和实验矿物学、岩石学方法相结合的手段来进行.结果表明,地幔过渡带主要的矿物组成有瓦士利石、林伍德石、超硅石榴子石以及少量的CaSiO3.下地幔主要矿物组成有钙钛矿(Pv)、后钙钛矿(PPv)和镁方铁矿(Mw).在讨论过渡带和下地幔物质组成的基础上,归纳总结了地球内部热源的三种来源,分别是放射性元素的衰变热和初始熔融硅酸盐地球长期冷却放出的热、核幔边界在地磁场和高电导率物质的作用下产生的热以及来自地核的热.这些结论对研究地球深部动力学和热力学过程有重要意义.     

地幔中水的存在形式和含水量

水以含水变质矿物、无水硅酸盐矿物(橄榄石、辉石等)及其高压结构相(β橄榄石、γ橄榄石、钙钛矿相、方镁铁矿等)、高密度含水镁硅酸盐和熔体的形式存在于地幔各层圈中。根据各类玄武岩水含量推断出的上地幔源区的水含量,和由地幔岩主要矿物———橄榄石的水含量估算出的上地幔水含量(质量分数)很接近,在0.02%左右。以橄榄石和辉石高压相的水含量为依据,进行了过渡带和下地幔水含量的估算,其结果是:过渡带和下地幔上部的水含量(质量分数)为1.48%,下地幔下部水含量(质量分数)为0.21%。据此,计算出的地幔各层圈的总水量表明,地幔水的74%以上存在于过渡带和下地幔上部。将地幔总水量和现代海洋总水量之和作为地球总水量,计算出现代海洋总水量约占全球总水量(质量分数)的6.6%,这个结果与笔者根据地球的球粒陨石成分模型计算出的总水量(6%)十分接近。     

蛇绿岩地幔岩中自由SiO2的发现及其地质意义

自由SiO_2系指石英及其同质多型物(polymorphs)柯石英、斯石英等。石英广泛分布于地壳中的各种岩石中,柯石英和斯石英只存在于超高压岩石和陨石坑中。由于石英和非饱和SiO_2的橄榄石不能共生,因此在地幔橄榄岩和超镁铁岩中不存在原生石英。最近笔者在西藏罗布莎蛇绿岩的地幔岩(方辉橄榄岩)的豆荚状铬铁矿中发现了自由SiO_2和柯石英相。根据高温高压相平衡实验资料,橄榄石、辉石这样的硅酸盐矿物在地幔深部的压力条件下可以分解成简单氧化物,如FeO(方铁矿)、MgO(方镁石)以及SiO_2(斯石英)等。由此推测,西藏蛇绿岩地幔岩中自由SiO_2可能是来自于下地幔的矿物,是地幔柱作用将其搬运到上地幔浅部。     

地球深部碱性元素地球化学行为:来自陨石高压矿物的证据

近年来在球粒陨石冲击脉体中陆续发现了一些天然高压新矿物和矿物组合，这些发现为地球深部碱性元素的地球化学行为的研究提供了重要依据。在地幔过渡带温度和压力条件下，钠和钙离子优先结合到镁铁－镁铝榴石固溶体和长石高压多形之中，钾离子则选择性地进入到长石高压多形中，副矿物涂氏磷钙石是Na、Ba、Sr和轻稀土等元素的潜在载体相。天然冲击变质球粒陨石为我们提供了探索过渡带和下地幔温度、压力条件下碱性元素载体相特征的重要自然界样品。     

发现天然产高压相矿物的微矿物学途径

迄今人们已经在陨石中发现了11种高压相矿物,它们是地幔过渡带和下地幔的主要矿物相,其中有8种是最近5年来随着研究工作的深入和微矿物学 技术的不断发展而连续发现的。1995年在寺巷口陨石中发现了属于地幔过渡带的林伍德石、 瓦茨利石、镁铁榴石、镁方铁矿和磷酸盐A相,随后又参与了陨石中其它新高压同质多像矿 物的发现和研究。在工作中使用了多种近代微矿物学技术,特别是激光拉曼探针和原位X射线显微分析技术在鉴定中起了关键作用。