下地幔中Fe的价态和分配（JGR最新文章）

（周春银 编译）

摘要：尽管Fe在上地幔和转换带中主要以二价铁Fe²⁺形式存在，但是下地幔中的主要矿物含Al的(Mg,Fe)SO₃钙钛矿（Pv）中却含有相当比例的三价铁（Fe³⁺）。研究已经证明Fe³⁺对Pv的物理化学性质具有重要的影响。另一方面，铁的置换机制以及后钙钛矿（postperovskite，PPv）中铁的价态目前仍不清楚。本研究中我们利用电子能量损失近边结构光谱仪（electron energy-loss near-edge structure spectroscopy）测量结果，我们确定了不同Al³⁺含量的PPv中铁的价态。结果显示PPv含有少量的Fe³⁺，并且其不受Al³⁺含量的影响。这说明在地幔岩地幔（pyrolitic mantle）中Pv-PPv相变之上Pv中的Fe³⁺与共存的金属铁Fe重新结合形成二价铁Fe²⁺。这些Fe²⁺会优先分配进入到(Mg,Fe)O铁方镁石（ferropericlase，Fp）中，从而导致PPv相对Pv来说亏损铁。铁价态的重大变化以及PPv中铁的亏损对下地幔底部地震波和对流特征具有重要意义。Pv向贫铁PPv相变压力范围比在固定铁含量条件下窄很多。

（Introduction部分对研究背景和结果进行了介绍，可作为相关基础知识了解，翻译如下：）

地幔岩下地幔主要由含Al的(Mg,Fe)SO₃钙钛矿（Pv）和少量的(Mg,Fe)O铁方镁石（ferropericlase，Fp）和CaSiO₃钙钛矿组成。现在已经非常清楚Pv中Fe³⁺含量受Al³⁺含量控制（McCammon,1997; Lauterbach et al.,2000; Frost and Langenhorst,2002）。因此地幔岩地幔中含Al的Pv含有相当量的Fe³⁺，这是由Fe²⁺的歧化反应形成的：3 Fe²⁺→2 Fe³⁺ + Fe⁰（金属）（McCammon,1997,2005; Frost et al.,2004）。前人的研究也表明Pv中的Fe³⁺可以影响弹性常数（Andrault et al.,2001; Catalli et al.,2010）、电/热导率（Xu et al.,1998; Goncharov et al.,2008）和含水性（Litasov et al.,2003）。铁的价态也会影响Pv和Fp之间Fe的分配（Wood and Rubie,1996; Frost and Langenhorst,2002）。在含Al体系中Fe向Pv的分配会增强，因为Fe³⁺主要会进入到Pv中。

另一方面，最近发现的下地幔底部主要成分后钙钛矿（postperovskite，PPv）（Murakami et al.,2004; Oganov and Ono,2004; Hirose,2006）中Fe³⁺的含量仍有争议。最近Jackson et al.(2009)通过Mössbauer光谱仪测量报道了富Fe³⁺无Al的PPv与金属铁的共存现象。相反，Lin et al.(2008)在相似的Mössbauer研究中无Al的PPv中的铁为Fe²⁺，与前人电子能量损失近边结构（ELNES）测量（Sinmyo et al.,2008a）结果一致。目前有关含Al的PPv中Fe³⁺/ƩFe比例的研究也非常有限（Sinmyo et al.,2006; Zhang and Oganov,2006）。

理论（Caracas and Cohen,2008）和实验（Catalli et al.,2009; Andrault et al.,2010）研究均表明，在MgSiO₃-FeSiO₃体系中Pv和PPv可以在较宽的压力范围内共存，在可能的铁含量条件下（10 mol% FeSiO₃）相当于>300 km厚的区域。因此有人认为D"层是一个混相区，并且D"不连续面处剪切波的突变是化学成因（Catalli et al.,2009; Andrault et al.,2010）。但是含Al的PPv中Fe³⁺/ƩFe比例可能控制着PPv和Fp之间的Fe分配，这将会影响Pv+PPv两相共存区的压力范围或者Pv-PPv相变的相平衡条件。

在本研究中，我们利用激光加热金刚石压砧（LHDAC）技术在高温高压条件下合成了含Al的Pv和PPv。回收样品Pv和PPv中的Fe³⁺/ƩFe比例在透射电镜（TEM）下利用ELNES光谱仪测量确定。结果显示在深部下地幔条件下Pv中Fe³⁺/ƩFe比例随Al³⁺含量的升高而增大，这与前人在相对低压条件下的多面砧（multianvil）实验结果（McCammon,1997; Lauterbach et al.,2000; Frost and Langenhorst,2002）是一致的。另一方面，PPv中的铁主要是Fe²⁺形式，即使当Al³⁺含量很高时。这说明铁的价态在Pv-PPv相变中变化极大。这对于下地幔底部的Fe分配、相变和弹性/对流特征具有重要意义。Pv向贫铁PPv相变压力范围比在等化学相变条件下窄很多。

下地幔底部构想图（Hirose，2006）

（参考文献见原文，PDF文档下载请点击下面的附件另存为）

2011-JGR-The valence state and partitioning of iron in the Earth's lowermo.pdf