研究生知识库

辉石是地球地壳以及上地幔的重要组成矿物，是大洋俯冲板片的重要组成矿物，仅次于橄榄石。对辉石矿物在高温高压条件下的相变和状态方程的研究对于正确认识地幔的物质组成与演化具有重要意义。本论文采用金刚石压腔高压装置和外电阻加热装置结合同步辐射光源单晶X射线衍射实验技术，模拟地球内部冷俯冲板片内部的温度和压力环境，对斜方辉石和单斜辉石矿物的稳定性以及状态方程进行了实验研究。研究的合成斜方辉石样品包括：（En100(Mg2Si2O6)，含水730(238) ppm；En22Fs78(Mg0.44Fe1.56Si2O6)，含水673(198) ppm；En33Fs67(Mg0.66Fe1.34Si2O6)，含水578(184) ppm；En73Fs23(Mg1.46Fe0.46Al0.08Si2O6)，含水1656(480) ppm；Fs100(Fe2Si2O6)。天然单斜辉石样品包括：普通辉石（(Ca0.89Na0.05Mg0.06)(Mg0.74Fe0.11Al0.14Ti0.01)(Si1.88Al0.12)O6）、两个不同含水量的绿辉石（OmpMB（Ca0.58Na0.42Mg0.53Al0.42Fe0.05Si2O6），含水1000-1300 ppm和OmpBXL （Ca0.57Na0.43Mg0.53Al0.42Fe0.05Si2O6），含水100-300 ppm）以及霓石（Na0.98Ca0.02）（Ti0.01Mn0.03）Si2O6。取得的结果如下：（1）合成的斜方辉石中Fe含量的多少与其含水量无明显关系，而少量Al的加入则可以明显的增加斜方辉石中的水含量。（2）Fe含量越大，斜方辉石的晶胞参数值也越大。（3）在实验压力范围内，所有的斜方辉石样品都有相变发生，且第一个相变发生后都具有相同的结构，都由初始斜方晶系Pbca相变为具单斜晶系P21/c空间群的高压相（β相）。根据组分的不同，斜方辉石第二个相变后的结构则不相同，顽火辉石En100（Mg2Si2O6）的第二个相变后的高压相仍为单斜晶系P21/c空间群（β-EnⅡ）；Fe含量较低的含铝斜方辉石En73Fs23第二个相变后的高压相则具有斜方晶系Pca21空间群（α-popx）；Fe含量较高的斜方辉石En33Fs67和En22Fs78以及斜方铁辉石Fs100第二个相变后则具有斜方晶系Pbca空间群（γ-Opx）；只有斜方铁辉石Fs100发生了第三个相变，相变后的高压相具有斜方晶系Pca21空间群；这些相变都为位移式的亚稳相结构相变。（4）组分的不同明显影响斜方辉石的相变压力，对于第一个和第二个相变都表现为Fe含量越大，相变压力越低，而Al可以显著增大相变所需的压力。（5）温度对不同组分斜方辉石相变压力的影响不相同。在298-700K的温度范围内，高温对斜方辉石第一个相变的压力影响都不显著，对含水量较低（600-700ppm）的顽火辉石En100和斜方辉石En33Fs67的第二个相变的压力也无显著影响；但是，可以明显降低含水量较大（1656(480)ppm）的含铝斜方辉石En73Fs23第二个相变所需的压力。（6）组分的不同明显影响斜方辉石的状态方程参数值。从纯Mg端元到纯Fe端元，斜方辉石的零压体积模量（K0）随Fe含量的增加而减小；较小的含水量（几百ppm）对斜方辉石的K0值无显著影响，含水量较大（大于1000 ppm）可以显著减小斜方辉石的零压体积模量值；含水可以增大不含Fe或Fe含量较低的斜方辉石的热膨胀系数（αT）。（7）普通辉石和绿辉石在压力范围0-~24 GPa、温度298-700 K范围内稳定存在。（8）霓石在常温压力约24 GPa发生一个等对称性二级相变，可能是由其中Na的配位数增加导致。（9）首次测得了天然普通辉石的热弹性参数。（10）低于1300 ppm的含水量可能对绿辉石的K0和αT值无显著影响。（11）根据所获得的斜方辉石和单斜辉石热弹性参数，本文计算了它们随冷俯冲板片俯冲过程中，密度随深度的变化曲线。斜方辉石的亚稳相相变带来的密度增加不能显著增加板片向下俯冲的负浮力，因此，除了Fe含量特别高的斜方辉石En33Fs67外，其他亚稳相辉石存在于俯冲板片内部都可能造成板片在660 km界面上停滞。（12）斜方辉石以及霓石的亚稳相相变可能与地球内部局部地区的410和660 km不连续界面的成因有关。