布里奇曼石和二氧化硅同质多像变体的高压研究

摘要

下地幔约占固体地球体积的55％。根据地幔岩成分模型，下地幔主要由铁方镁石((Mg，Fe)O，体积占比约20％），布里奇曼石((Mg，Fe) SiO3，体积占比约75％)以及钙钛矿型钙硅酸盐（CaSiO3，体积占比约5％）构成，其中体量最大的布里奇曼石被认为是下地幔乃至整个硅酸盐地球含量最高的矿物。下地幔内观测到的局部地震波速/密度异常可归因于其温度差异、部分熔融或成分和结构的变化，而影响下地幔矿物的成分及密度变化的最主要参数为铁含量;与此同时，伴随着俯冲洋壳内二氧化硅饱和成分(MOR B)在高温高压下发生相变并达到平衡，以及富铁布里奇曼石的分解反应，二氧化硅高压同质多像变体可形成并稳定存在于整个不均一地幔。故研究高压下布里奇曼石及其铁含量的变化以及二氧化硅的结构转变对于解释地幔不均一性具有重要意义。本论文主要利用同步辐射X射线衍射技术以及多晶晶体学的分析手段，对以上两类下地幔矿物/物相进行了高压实验研究，得到的主要结论如下:
　　1.采用金刚石对顶砧结合原位双面激光加温技术在不同温压条件下合成了富铁布里奇曼石(Mg，Fe)SiO3。原位X射线衍射结果表明共存相还包括SiO2高压同质多像变体。通过常温常压下布里奇曼石晶胞体积与其铁含量的关系V0=162.36+6.27XFe，以及其不同铁含量的室温状态方程得出本研究合成的布里奇曼石含铁量分别为～15 mol％，18 mol％和40 mol％，其中铁含量达到40 mol％的布里奇曼石在64 GPa、2000-2300 K条件下合成。对比各组实验条件可以得出，实验条件的控制如样品被加热区域的温度梯度以及初始样品成分、结构的均一性会影响高温高压下样品中铁的分布，进而影响布里奇曼石的实际铁含量。
　　2.结合多晶晶体学分析方法和高压原位同步辐射X射线衍射技术，在准静水压环境中研究了二氧化硅高压变体的相变及室温状态方程。2200 K淬火后，在55 GPa压力下合成的二氧化硅以斯石英为主，观察到少量相变后的CaCl2型二氧化硅，且后者的硅氧八面体呈现不同程度的扭曲。对亚微米级晶粒的分析表明这种不同程度的结构扭曲可能存在于类似的位移型相变中。利用多晶晶体学方法，将多晶样品中单个SiO2晶粒的衍射点找出并将不同颗粒的衍射数据进行混合以求得精确的晶胞参数。本文的斯石英、CaCl2型二氧化硅的P-V数据与前人粉末衍射的结果相吻合，并证实了二氧化硅在该二级相变后更易被压缩。以斯石英和CaCl2型二氧化硅的特征衍射强峰(110)为基础，本文提出二氧化硅压标，可在使用二氧化硅饱和型样品的高压实验中进行快速压力标定。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 以固体地球为背景的下地幔矿物／成分模型

1．3 两种下地幔矿物／物相：布里奇曼石及二氧化硅高压变体

1．3．1 布里奇曼石

1．3．2 二氧化硅高压多相变体

1．4 高温高压实验技术与方法

1．4．1 高压实验简介

1．4．2 金刚石对顶砧(DAC)压机技术

1．4．3 原位激光加温技术

1．5 同步辐射测试技术

1．5．1 同步辐射光源简介

1．5．2 同步辐射X射线衍射

1．6 多晶晶体学简介

1．7 本文的选题意义和主要研究内容

第2章 高压下布里奇曼石铁含量的实验研究

2．1 引言

2．2 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 晶胞参数的测定及铁含量的计算

2．3．2 布里奇曼石铁含量变化的实验因素分析

2．4 本章小结

第3章 斯石英、CaCl2型二氧化硅的相变和状态方程研究

3．1 引言

3．2 实验方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 重访后斯石英相变

3．3．2 斯石英、CaCl2型二氧化硅的室温状态方程

3．3．3 二氧化硅作为压标

3．4 本章小结

第4章 结论

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果