下地幔中的富Fe钙钛矿状态方程(EPSL文章in press)

（原作者：Mao et al.,2011；编译：周春银）

摘要：在金刚石压腔中利用同步辐射X-光衍射对130 GPa范围内、300 K条件下的(Mg_0.75,Fe_0.25)SiO₃和MgSiO₃钙钛矿状态方程进行了研究。研究表明在下地幔条件下MgSiO₃钙钛矿中增加25%Fe将会使其密度和声速（V_Φ）分别增大4-6%和6-7%。根据对样品同时进行的同步辐射X-光发射和Mössbauer谱研究，V_Φ和密度的增大可以用低自旋Fe³⁺和Fe²⁺的极端高四极(high-quadrupole)来解释。综合本研究实验结果和热力学模拟研究，本研究结果说明，富Fe钙钛矿可以形成密度的增大以及和剪切波速减小的地震观测相一致的V_Φ值，这些区域中剪切波速的减小被认为是下地幔中的高密度坚硬物质形成的。因此，下地幔中的富Fe钙钛矿有助于解释下地幔的LLSVPs（large low-shear-velocity provinces），在LLSVPs中增大的密度和V_Φ在地震学上被观测到与减小的剪切波速成反相关性。

关键词：含Fe钙钛矿，状态方程，下地幔，声速，密度

（研究人员Lin（本文第二作者）及金刚石压腔装置，引自http://www.sciencedaily.com/releases/2008/09/080916105720.htm）

【Introduction】

地球下地幔被认为主要由含Fe的硅酸盐钙钛矿和铁方镁石组成，其中钙钛矿和铁方镁石分别含有大约10%和20%的Fe（Hirose,2002）。这些矿物中Fe含量的增加会导致密度的增加（Jacobsen等，2002）。下地幔地震学观测中非常重要的进展是最近发现在下地幔条件下铁方镁石和钙钛矿中Fe的电子自旋对转换（Badro et al.,2003,2004; Catalli et al.,2010; Li et al.,2004; Lin et al.,2008; McCammon et al.,2008; Stackhouse et al.,2007; Zhao and Oganov,2006）。现在已经观测到Fe的自旋态转换会对下地幔矿物的密度、热导率和电导率变化产生重要影响（Fei et al.,2007a; Goncharov et al.,2008; Lin et al.,2007; Lin and Tsuchiya,2008; Ohta et al.,2008）。研究表明Fe的高自选-低自旋转换还会对下地幔中含量次多的铁方镁石（(Mg,Fe)O）的声速产生影响（Antonangeli et al.,2011; Crowhurst et al.,2008; Marquardt et al.,2009）。但是Fe自旋态转换对含量最高的钙钛矿相的弹性性质的影响仍然不清楚（Kiefer et al.,2002）。

前人的研究表明含Fe钙钛矿（10-15%Fe）和不含Fe的MgSiO₃钙钛矿在下地幔压力条件下具有相似的不可压缩性性质（Kiefer et al.,2002; Lundin et al.,2008; McCammon et al.,2008）。由于这些研究中实验设计上的差异，尚难于了解其地球物理意义。因为据估计下地幔钙钛矿含有10%Fe，因此在可控实验条件下研究富Fe钙钛矿的弹性性质可以更好地认识下地幔中富Fe区域的作用。最重要地是，贯穿Fe自选转换区的富Fe钙钛矿的状态方程还没有在相应的下地幔条件下进行过研究。

本研究中我们对含有25%Fe和不含Fe的钙钛矿开展了高压同步辐射X-光衍射（XRD）实验来研究Fe对钙钛矿状态方程的影响。我们还利用同步辐射Mössbauer谱（SMS）来确定钙钛矿中Fe的价态超细参数，利用同步辐射X-光发射谱（XES）来获得Fe总的3d自旋动量。XRD、SMS和XES的综合结果对于认识Fe对下地幔富Fe区域中钙钛矿的弹性性质具有重要意义，如LLSVPs和超低速带（Garnero and McNamara,2008）。

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EPSL原文链接：Iron-rich perovskite in the Earth's lower mantle

第一作者Zhu Mao个人CV：http://www.geo.utexas.edu/faculty/lin/pdf/CV-Mao-2011.pdf