科學研究

張里:金屬元素在上地幔及地幔轉換帶最重要組成礦物橄欖石、瓦茲利石、林伍德石中的賦存和分配規律及對地?;瘜W成分和結構的影響【ESR,2022】
2022-09-11 閱讀:17762

橄欖石(Mg,Fe)2SiO4是上地幔(深度<410 km)最重要的組成礦物,同時也是地球內部含量第二高(僅次于布里奇曼石)的重要礦物。它在高壓下可依次相變為瓦茲利石(β-橄欖石)和林伍德石(γ-橄欖石)。這兩種橄欖石的高壓相則分別是地幔轉換帶上部(約410 km-520 km)和下部(約520 km-660 km)最重要的組成礦物。因此,上述三種礦物的溫度壓力穩定域和物理化學性質可直接決定上地幔及地幔轉換帶的結構、物質組成、以及物理性質,并對地球整體從地表直至核幔邊界的物質循環和元素分異過程產生重要影響?,F有研究已經表明,除Fe之外的重要金屬元素,如Ni、Ca、Co、Ti、Cr、Zn等也可以替換MgSi進入到上述礦物中賦存,并對礦物自身的晶體化學性質及結構穩定性產生影響。因此,對上述金屬元素在橄欖石、瓦茲利石、及林伍德石中的賦存和分配規律研究有助于揭示深部地幔的化學組成和結構。

我校地球科學與資源學院張里副教授和國際著名礦物學家美國科羅拉多大學終身榮譽教授Joseph Smyth合作對上述研究領域的重要成果和研究前沿進行了詳細的研究綜述,獲得了以下重要的研究成果和認識:

(1)     Fe、Ni、Ca、Co、Ti、Cr、Zn在橄欖石、瓦茲利石、林伍德石中的賦存和礦物相間分配受離子半徑、晶體場作用、氧離子屬性、配位多面體幾何特征的綜合影響。

(2)     地幔轉換帶中的重要組成礦物瓦茲利石和林伍德石相較于橄欖石更容易賦存Ni、Cr、Ti、Co等過渡族金屬元素。因此,地幔轉換帶可能是上述元素重要的潛在儲庫。

(3)     Fe、Ni、Ti、Cr等金屬元素在橄欖石、瓦茲利石、林伍德石中的賦存和分配可影響上述礦物的熱穩定性質,進而影響520 km410 km全球尺度地震波不連續面的深度和特征,導致深部地幔的結構出現變化。

該論文對未來地幔重要組成礦物的晶體化學和穩定域研究提供了新的研究方向參考,并對解釋520 km全球尺度不連續面觀測不統一這一地球科學研究重要前沿問題提供了新的思路。


 1 橄欖石(olivine)、瓦茲利石(wadsleyite)、林伍德石(ringwoodite)和WadsleyiteⅡ 的晶體結構示意圖

 


圖2 橄欖石、瓦茲利石、林伍德石結構中配位多面體幾何特征參數比較



圖3 高溫高壓合成含Co和含Fe瓦茲利石的鏡下圖像

 


圖4  Fe、Ni、Co賦存對瓦茲利石和橄欖石熱穩定性的影響(a)位型熵總體影響;(b)位型熵下降值

 

上述研究成果發表在國際地學著名綜述期刊《Earth-Science Reviews》上: Zhang, L., and Smyth, J.R. (2022) Crystal chemistry of metal element substitution in olivine and its high-pressure polymorphs: Implications for the upper-mantle and the mantle transition zone. Earth-Science Reviews, 232(2022)104127. [IF2021=12.038]

全文連接:https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2022.104127


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