下地幔布里基曼石的铁自旋态及其地球物理意义

摘要

根据地幔岩模型,下地幔主要由于布里基曼石[(Mg,Fe)(Fe,Si,Al)O3)]、铁方镁石[(Mg,Fe)O]、Ca-钙钛矿组成.Badro et al.,2003利用X光发射光谱发现,下地幔铁方镁石中的铁在高压下会经历电子的自旋转变.随即发现,铁在下地幔矿物中的自旋转变会带来一系列物理性质的改变,如密度、弹性模量、波速、热传导系数以及电导率等.相对于铁方镁石，由于铁在下地幔布里基曼石中可以有不同的价态和占据不同的晶格位置，研究铁在布里基曼石中的自旋态更为复杂和困难。近期研究表明，位于12面体中心的二价铁和三价铁均不发生自旋转变，只有位于8面体中心的三价铁才会在下地幔压强条件下发生自旋转变。利用金刚石对顶砧技术在美国阿尔贡国家实验室分别进行了高压下的同步辐射穆斯堡尔实验与X射线衍射实验。根据采集到的穆斯堡尔谱确定了Pv6与Al-Pv12中铁的价态以及高压下的自旋状态。发现Pv6中约含有70%的二价铁和30%的三价铁。同步辐射X光衍射确定了这两种布里基曼石样品的热力学状态方程。它们的最小晶胞体积都随着压强升高而降低，但没有任何突变。结合穆斯堡尔谱和X光衍射实验，可以确定二价铁的晶格扭曲不会引起体积的骤降。此前研究发现的布里基曼石体积在高压下的突变只可能是三价铁的自旋转变所致。利用高质量的单晶衍射实验结果，建立了Fe和Al对布里基曼石热力学状态参数的影响关系。并由此考察了下地幔区域性成分变化对相应区域密度和体波波速的影响。