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）

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。

 

 

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）

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)

 

 

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！）。

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.