地幔矿物可能另有其

作者: 美高梅手机登录网站  发布:2019-10-24
中国科学家发表“叛逆”成果:地幔矿物可能另有其“型”

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。

地球内部是什么样子?这是人们早就有的好奇。

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。

长期以来,科学家通过测量深部地震波波速、高温高压实验模拟等手段,试图“看”清地球内部构成。很快,他们发现,在地球某些深处,地震波波速会突然跃增。就像声音在不同介质中的传播速度不同,科学家推测,这或许与矿物相的改变有关。于是,凭借脑洞和科学数据,地学界逐渐形成了现有的地幔矿物学模型。

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然而,最近中国科学家的一项“叛逆”推测,可能会让学界重新分析地震波波速突然跃增的成因,并重新考量地幔矿物学模型。(论文链接

图1 合成含硅尖晶石及对照组拉曼光谱特征

一个不像问题的问题

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20世纪,澳大利亚学者泰德·林伍德(1930—1993)在解释地震波波速突然跃增时提出,高温高压条件下橄榄石会发生改变,并在地幔过渡带下部520公里至660公里处转变为一种特殊矿物,从而影响地震波波速。后来,人们将这种“特殊矿物”称为“林伍德石”。

图2 合成含硅尖晶石硅氧四面体拉曼相对峰强变化

科学家认为,研究林伍德石结构及物理化学性质等问题,会有助于完善地球地幔矿物学模型,了解地球内部520公里至660公里处地震波波速突然跃增的成因。

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)。

同时,林伍德石是强冲击变质作用的标志性矿物,广泛出现在各种陨石中,研究其性质,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,可以揭示太阳系的早期演化历史。

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。

在诸多科学问题中,有一个看起来不是问题的问题,即林伍德石中阳离子占位的无序性。

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.

林伍德石具有典型的尖晶石型结构,这一结构包含氧原子和另外两种阳离子。氧原子形成晶体的“储物架”,原子间的缝隙为两种阳离子提供了四面体、八面体两种空间。

背景介绍

常温常压下,两种阳离子会各自“乖乖”、有序地待在自己的空间,但遇到高温高压,离子们就会不“安分”起来,部分原本在四面体里的离子会趁机跑进八面体,同时,部分原本在八面体里的离子会跑到四面体中,由此,无序状态出现,晶体的物理化学性能也随之变化。

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。

过去半个多世纪里,就像大家公认“1+1=2”一样,科学界认为林伍德石里的硅离子和镁离子一直会很“乖”。在此基础之上,现有的地幔矿物学模型建立起来。

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。

“一方面囿于思维定式,另一方面,与镁铝尖晶石不同,林伍德石无序状态更不易保存,温度、压强一旦下降,离子占位会迅速回归有序,所以也的确很难直接观察到无序现象。于是,林伍德石的硅镁无序不大受关注。”北京大学地球与空间学院研究员刘曦说。

责编:山石

意外!硅离子去哪了?

最开始,刘曦和他的团队并没有打算研究林伍德石的无序问题。当时,他们在中科院战略性先导科技专项、科技部国家重点研发计划项目等的支持下,研究含碳地幔橄榄岩、榴辉岩等在地球内部的熔化过程。

为了完成研究,项目设计了一系列高温高压实验,很偶然地在不同温压条件下合成出了一批硅含量不同的镁铝尖晶石。

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