Pyrolite（地幔岩）和Mg₂SiO₄中后尖晶石相变以及MgSiO₃中秋本石-钙钛矿相变最新研究进展

Takayuki Ishii, Hiroshi Kojitani, Masaki Akaogi

（周春银 编译）

【核心提示】MgSiO₃、Mg₂SiO₄和pyrolite（地幔岩）是地球深部研究和高温高压实验中研究最为广泛的三大体系，其中前两者为纯镁端元的硅酸盐相，后者为Ringwood等提出的（上）地幔成分模型。这三大体系的高温高压相变行为，对于解决地球深部诸多关键性科学问题具有极其重要的意义。尽管前人已经对这三大体系有过许多的研究（包括高温高压实验和理论计算），但是很多基本的问题到目前仍没有达成一致的意见，其中尤为重要的是Pyrolite（地幔岩）和Mg₂SiO₄中的后尖晶石相变（post-spinel transition）以及MgSiO₃中的秋本石-钙钛矿（akimotoite-perovskite）相变。最近，日本科学家利用巧妙而精细的实验设计，同时同地在高温高压条件下对这三个体系进行了研究，这一成果即将在国际著名期刊《Earth and Planetary Science Letters》上发表（in press）；对于对地幔相变知识了解不多的读者，也许在理解中会有一些困难，可以先参考周春银等（2010）地学前缘文章《地幔转换带:地球深部研究的重要方向》，将有助于读者理解。

原文内容较长，数据很多，在此不逐一列举，主要对文章的科学研究成果进行介绍，欢迎点评和提问。

原文题目：Post-spinel transitions in pyrolite and Mg₂SiO₄ and akimotoite–perovskite transition in MgSiO₃: Precise comparison by high-pressure high-temperature experiments with multi-sample cell technique

原文链接（sciencedirect）：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X11003943

PDF文档下载：2011-EPSL-Post-spinel transitions in pyrolite and Mg2SiO4 and akimotoite–perovs.pdf

【关键词】pyrolite（地幔岩）、后尖晶石相变、林伍德石、秋本石、钙钛矿、660-km不连续面

【Background】背景知识：

内容较多这里不做详细介绍，请参考前面【核心提示】中的中文参考资料《地幔转换带:地球深部研究的重要方向》。需要了解地是，上、下地幔之间是由660 km不连续面所划分开的，660 km不连续面通常被认为是pyrolite（地幔岩）中的后尖晶石相变（林伍德石分解为钙钛矿+镁方铁矿）引起的。Mg₂SiO₄中的后尖晶石相变以及MgSiO₃中的秋本石-钙钛矿相变均发生在上地幔转换带底部，但是前人的研究通常认为前一相变的压力（深度）高于后一相变。另外，这些相变的克拉伯龙斜率（P-T斜率）在地幔动力学研究中也非常重要。

【Highlights of the experiments】实验设计亮点

主要有两个方面：

（1）起始材料（starting materials）

研究人员利用高温高压手段在实验之前需要合成大量的非常纯的矿物材料，这需要耗费大量的时间和精力，不仅需要专业的高温高压设备，有时还需要控制氧分压来保持氧化还原条件，而且合成所需时间特别长，而且在操作中每一步都必须一丝不苟十分小心，稍有不慎就会造成样品污染和丢失，使原来的化学成分遭到破坏而无法在后续实验中继续使用。当然，日本科学家Akaogi（第三作者并通讯作者）在矿物合成和高温高压实验中积累了数十年的经验方法，是该领域的绝对权威专家，对实验具有相当的控制力；实际上我们平时也在用到他的一些合成方法。

Fig.1 (a) A schematic illustration of a cross section of the cell assembly for the multi-sample cell high-pressure experiments. (b) Re capsule in the cell assembly.

（2）高温高压实验设计

本研究中所用的这一套组装设计（Fig.1），来源于Fei and Bertka(1999)的方法，在金属Re片上打三个孔可以同时放置三个样品，这样就满足了在一次实验中可以完成多个体系成分的实验，可以提高效率，而且由于样品非常小，有效地减小了实验中温度梯度，对于提高实验数据的可靠性和准确性具有重要作用。虽然本研究是淬火实验而非原位实验，但是本研究在压力标定中用到了多种压标校正，也尽量减少了压力标定带来的误差。另外，高温高压实验中采用了非常密集的实验条件设计，大约每0.3 GPa、100ºC的间隔，完成了从21-28 GPa、1400-1800ºC条件下的所有实验，并做了必要的重复性实验来验证实验是否达到了平衡以及实验结果的可靠性和准确性。整个实验周期估计非常耗时。

【Scientific significance】主要科学成果

这里列举主要的图件来解释说明。

Fig.2. Phase relations in Mg₂SiO₄. Open triangle, ringwoodite(Rw); half-closed triangle, Rw + MgSiO₃–perovskite(Mpv) + periclase(Pc); closed triangle, Mpv + Pc; open inverse triangle, wadsleyite(Wd); half-closed inverse triangle, Wd + Mpv + Pc. Solid lines represent phase boundaries in Mg₂SiO₄.

Fig.3. Phase relations in MgSiO₃. Open square, akimotoite(Ak); half-closed square, Ak + Mpv; closed square, Mpv; open diamond, MgSiO₃–garnet(Mj); half-closed diamond, Ak + Mj. Solid lines represent phase boundaries in MgSiO₃, and dashed lines the phase boundaries in Mg₂SiO₄ shown in Fig.2.

Fig. 4. Phase relations in pyrolite. Open circle, Rw + Gt + Cpv; half-closed circle, Rw + Mpv + Mw + Gt + Cpv; closed circle, Mpv + Mw + Gt + Cpv; double triangle, Mpv + Mw + Cpv; double square, Rw + Ak + Gt + Cpv; double circle, Rw + Mw + Gt + Cpv. Rw, ringwoodite; Mpv, MgSiO₃-rich perovskite; Mw, magnesiowüstite; Gt, majorite garnet; Cpv, CaSiO₃-rich perovskite; Ak, akimotoite. Solid lines represent the phase boundaries in pyrolite, and dashed lines the boundaries in Mg₂SiO₄ shown in Fig.2

【Fig.2, 3&4】

Fig.2（Mg₂SiO₄体系）显示在1400-1700ºC时Mg₂SiO₄林伍德石会分解为钙钛矿+方镁石，但是在1800ºC以上时，瓦兹利石会直接分解为钙钛矿+方镁石而不会先转变为林伍德石。三相点位于大约23.3 GPa和1800ºC。后尖晶石相变P-T关系为：P(GPa) = 27.0-0.002 T(ºC)。

Fig.3（MgSiO₃体系）显示在1400-1700ºC时秋本石会转变为钙钛矿，但是在1800ºC时majorite会直接转变为钙钛矿。三相点位于大约22.5 GPa和1770ºC。秋本石-钙钛矿相变P-T关系为：P(GPa) = 26.1-0.002 T(ºC)。可以发现MgSiO₃中秋本石-钙钛矿相变比Mg₂SiO₄中后尖晶石相变的压力低大约0.8 GPa，这与前人研究结果一致。

Fig.4（pyrolite体系）现在pyrolite体系在21.1-28.0 GPa和1400-1800ºC条件下的相关系。对比Mg₂SiO₄体系中后尖晶石相变可以发现：（1）pyrolite中后尖晶石相变发生在0.4 GPa的压力区间内，而在Mg₂SiO₄中则是一条单变线；（2）相比Mg₂SiO₄体系，pyrolite中后尖晶石相变压力在1400-1800ºC时相对低0.2-1.0 GPa；（3）pyrolite中后尖晶石相变的斜率为大约-0.001 GPa/ºC，这只有Mg₂SiO₄中后尖晶石相变的一半。以上结果的差异需要考虑两个体系中成分的差异，pyrolite含有其他一些元素（主要是Fe和Al）会有较大影响。另外，在pyrolite低温条件下观测到了少量秋本石的存在，说明在地幔中某些低温区可能存在秋本石。而且在1400ºC条件下，秋本石-钙钛矿相变和后尖晶石相变压力一致。石榴石-钙钛矿相变随温度变化可以发生在较大的压力区间内。

Fig.5. Changes of mineral compositions (cation numbers) with pressure at 1800 °C. Gt, majorite garnet; Mpv, MgSiO₃-rich perovskite; Rw, ringwoodite; Mw, magnesiowüstite; Triangle, Ca; inverse triangle, Mg; diamond, Si; square, Fe; circle, Al. Errors of cation numbers are close to or less than sizes of the symbols.

【Fig.5】

Fig.5显示在1800ºC下石榴石（Gt）、富镁钙钛矿（Mpv）、林伍德石（Rw）和镁方铁矿（Mw）中阳离子数的变化。石榴石和林伍德石在22.3 GPa以下时阳离子数保持几乎不变，但是在23.7 GPa以上时，石榴石中Mg和Si减少而Al增加，富镁钙钛矿中也有类似的现象，这些成分变化与石榴石-钙钛矿相变是一致的。

本研究中对矿物间的Fe-Mg分配也进行了研究，分配系数K^MPv-Mw和K^Rw-Mw与前人结果比较接近。

Fig.6. Mineral proportions in pyrolite with increase of pressure at (a)1400 °C, (b)1600 °C, and (c)1800 °C. (d) Mineral proportions in pyrolite at 22.9 GPa with increase of temperature. Closed squares represent the calculated mineral fractions. Rw, ringwoodite; Mpv, MgSiO₃-rich perovskite; Mw, magnesiowüstite; Gt, majorite garnet; Cpv, CaSiO₃-rich perovskite; Ak, akimotoite.

【Fig.6】

Fig.6a-c显示与富镁钙钛矿共存的石榴石含量在23 GPa以上时随温度增加而增加。Fig.6d显示在22.9 GPa、1600-1700ºC条件下林伍德石含量减少，石榴石含量增加，镁方铁矿逐渐稳定。本研究说明，在温度低于1700-1800ºC的660-km深度石榴石-钙钛矿相变并不是主要的相变。相关的地震学研究也说明，在某些相对较热的地幔条件下，660-km不连续面相关的克拉伯龙斜率可能会从负的（后尖晶石相变）转变为正的（石榴石-钙钛矿相变），即主要的相变有后尖晶石相变转变为石榴石-钙钛矿相变，但是这些课题还需进一步的研究。

参考文献（略）：见原文