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hiroseite vs post-perovskite 精选

已有 11709 次阅读 2011-1-12 20:49 |个人分类:SEDI|系统分类:科研笔记| CMB, quot, hiroseite, post-perovskite, layer

hiroseite是一个合成词,由日本科学家Kei Hirose的姓氏(Hirose)和常用岩石矿物后缀-ite(表岩石或矿物名称)组成,用来表示Hirose研究组首先(2004年)发现的地幔底部可能存在的新高压相——后钙钛矿(post-perovskite,ppv)。ppv对于重新认识地球的基本结构和成分具有重大意义,被认为是21世纪初地球深部研究最重大的发现。post-perovskite一词略显冗长,有人建议用Hirose(广濑)的名字来重新命名这一新发现的高压相,即hiroseite。尽管目前"hiroseite"这一称谓并未得到学术界广泛认可,但Kei Hirose的接触研究足以让他获得“hiroseite”这一无上光荣。用科学家的名字来命名一种新矿物相,是学术界对他的最高肯定。

 
图1. 地球内部圈层结构简图(after Hirose and Lay,2008)
Discovery of post-perovskite 后钙钛矿的发现
核幔边界(core-mantle boundary,CMB,下同)是地球内部最主要的界面之一(图1),铁合金液态外核与硅酸盐下地幔底部进行着强烈的热交换作用,对地球内部的物质运动具有重要的意义。地球物理研究观测到下地幔底部200-400km范围内(即D"层),存在着一些较为特殊的地震波特征和现象,如超低速层(ultralow velocity zone, ULVZ),剪切波分裂(shear wave spliting),地震波不连续面(velocity discontinuities)以及相关的地震波异常(velocity anomalies)等,这些现象和特征的成因长期以来并未得到满意的答案(参考Shim,2008)。
直到2004年,来自日本东京工业大学的Kei Hirose(广濑 敬)研究组,在日本先进的同步辐射中心SPring-8利用金刚石压砧(LHDAC)技术(图2),首先在美国Science上报道了下地幔主要矿物MgSiO3钙钛矿(perovskite,pv)在下地幔底部温压条件下继续向更高压矿物相的转变,他们将这一新发现的矿物相称为post-perovskite(后钙钛矿,ppv),并认为ppv可能是下地幔底部、CMB之上D"层的物质成分,通过对ppv的后续研究将有望揭开D"层的许多疑团。
 

 
 图2. 利用第三代同步辐射设施中双面加热DAC装置进行原位X光衍射实验(after Shim,2008)
随后苏黎世联邦理工学院的Oganov小组(Oganov&Ono,2004)和美国麻省理工学院的Shim(2004)也分别独立报道了ppv相变,而理论计算研究也迅速证实了ppv相变(Iitaka et al.,2004; Tsuchiya et al.,2004)。从此以后针对ppv的各种研究相继广泛展开,获得了大量喜人的成果,成为新世纪初地球深部研究(SEDI)的最大热门之一。
 
Phase diagram 相图
 
2004年Murakami等(2004)在Science文章中首先报道了MgSiO3pv在125GPa、2500K条件下转变为ppv相,克拉伯龙斜率(Clapeyron slope,CS)为6MPa/K(图3)。
 

图3. Phase diagram of MgSiO3 (after Murakami et al.,2004)
 
Oganov & Ono(2004)报道的CS则稍大:9.85 MPa/K(LDA)和 9.56 MPa/K(GGA),相图见图4。
 

 图4. Pressure–temperature phase diagram(after Oganov & Ono,2004)
 
而2009年Hirose组发表的EPSL文章(Tateno et al.,2009报道了更大的CS:+13.3±1.0 MPa/K(图5)。其他的CS报道可以参考Taneno et al.,2009的文章。
 

图5. Phase diagram of MgSiO3 based on the MgO pressure scale(after Tateno et al.,2009)
 
 Crystal structure of post-perovskite (ppv的结构)
 
 XRD以及理论计算研究表明,ppv属斜方晶系,与CaIrO3具有相同晶体结构,ppv晶胞体积比pv小1.0-1.5%(表1),所以它的密度比pv大。晶体结构比较见图6。
 
表1 pv与ppv比较(据Iitaka et al.,2004)

图6. pv,ppv晶体结构比较(after Shim,2008)
XRD patterns of ppv  X光衍射图像

图7. X-ray diffraction paterns of ppv with different composition (after Shim,2008,相关解释见原文献及其参考文献)
 
Double-crossing model
2005年Hernlund等(2005)在Nature上报道了下地幔底部与ppv相变相关的复杂D"层的热结构,提出的“double-crossing” model随后被许多类似研究所证实,并用来解释下地幔底部、CMB之上的复杂热结构和地震波速度结构。
 

图8. Possible thermal structure in D" layer(after Hernlund et al.,2005; Shim,2008).
 

 图9. Structure of D"(after Hirose,2006; Hirose and Lay,2008)
 目前已知ppv相变具有正的CS,但是CMB附近温度梯度极大,在CMB之上的下地幔底部,温度会急剧地升高,这就可能会导致ppv相变线两次穿越地温梯度线,ppv又会再次转变回pv相。如图8,地球外核温度非常高,地温曲线在接近CMB之前会陡然上升。当温度相对较低时,下地幔中的pv随压力增大转变成ppv,但随后温度升高更快使得地温曲线再次穿越ppv相变线,ppv又转变回pv(back transition)。这在正常的地幔和低温下地幔环境中是可能发生的。但是在相对较高的温度条件下,下地幔中的pv还未达到ppv相变线,温度升高太快而很快就达到了液相线(CMB),因此不见有ppv相变。
 
结合现今的下地幔环境(图9),考虑到CMB可以plume,而且大洋板块也可以俯冲到下地幔底部。那么在温度较高的plume区域,温度太高无法形成ppv层;而受深俯冲影响的温度较低的区域,由于double-crossing作用,可以形成透镜状的ppv层。由此可见,CMB之上的下地幔可能具有很大的不均一性。
 
如果认为ppv是D"层的主要物质成分,考虑到地球早期温度是非常高的,因此在地球早期阶段D"层是不可见的;随着地球整体温度下降,物质分异,在一定的地质历史阶段才开始形成有ppv构成的D"层。换句话说,D"层随着地球温度的降低而不断“生长”,其厚度或许可以衡量其“年龄”(age),不过如何建立厚度与时间的关系确是一项极其复杂的工作(外注:如果有兴趣您可以挑战这一课题,呵呵!)。
unsolved problems  未解之问题(个人见解,仅作参考)
1.下地幔pv有三种:富Ca的CaSiO3钙钛矿,(Mg,Fe)SiO3钙钛矿和含Al的钙钛矿,目前研究多集中于富Mg的pv,具有一定的局限性,而Fe(还要考虑价态和自旋态转换)和Al的作用也还不是十分明确。
2.目前的实验技术中只有DAC能达到CMB条件,但是DAC实验中样品内部存在着极大的压力和温度梯度,对数据的可靠性和稳定性产生了很大的影响。
3.需要更精确可靠的压标。由于不同研究者采用的压力标定方法不一样,会导致对压力的解释相差达10GPa以上,如图10,采用Au压标与采用Pt压标相变线偏移(shift)10GPa以上,对实验结果的解释也将随之不同。理论计算中采用LDA和GGA方法得出的结果也具有一定的差距。
 
4.目前实验和理论计算都证明了ppv可以在下地幔底部条件下稳定存在,但并不代表ppv就是D"层的实际成分,仍然有不少学者试着用残留的深俯冲大洋物质去解释D"层的相关性质,我想这两种思想的碰撞一定会产生非常多的有趣的课题。

图10. 采用不同压标计算得到的相变边界差异较大.(after Taneno et al.,2009)
 (后记:本文是作者在阅读了相关文献后的小结报告,转载请注明出处:周春银科学网博客http://blog.sciencenet.cn/?92454
主要参考文献:
Murakami, M., Hirose, K., Kawamura, K., Sata, N. and Ohishi, Y., 2004. Post-perovskite phase transition in MgSiO3. Science, 304(5672): 855-858.
Oganov, A.R. and Ono, S., 2004. Theoretical and experimental evidence for a post-perovskite phase of MgSiO3 in Earth's D" layer. Nature, 430(6998): 445-448.
Shim, S.H., Duffy, T.S., Jeanloz, R. and Shen, G., 2004. Stability and crystal structure of MgSiO3 perovskite to the core-mantle boundary. Geophys. Res. Lett., 31(10): L10603,doi:10.1029/2004GL019639.
Iitaka, T., Hirose, K., Kawamura, K. and Murakami, M., 2004. The elasticity of the MgSiO3 post-perovskite phase in the Earth's lowermost mantle. Nature, 430(6998): 442-445.
Tsuchiya, T., Tsuchiya, J., Umemoto, K. and Wentzcovitch, R.M., 2004. Phase transition in MgSiO3 perovskite in the earth's lower mantle. Earth and Planetary Science Letters, 224(3-4): 241-248.
Hernlund, J.W., Thomas, C. and Tackley, P.J., 2005. A doubling of the post-perovskite phase boundary and structure of the Earth's lowermost mantle. Nature, 434(7035): 882-886.
Hirose, K. (2006), Postperovskite phase transition and its geophysical implications, Rev. Geophys., 44, RG3001,doi:10.1029/2005RG000186.
Hirose, K. and Lay, T., 2008. Discovery of Post-Perovskite and New Views on the Core-Mantle Boundary Region. Elements, 4(3): 183-189.
Shim, S.-H., 2008. The Postperovskite Transition. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 36(1): 569-599.
Tateno, S., Hirose, K., Sata, N. and Ohishi, Y., 2009. Determination of post-perovskite phase transition boundary up to 4400 K and implications for thermal structure in D'' layer. Earth and Planetary Science Letters, 277(1-2): 130-136.


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