极端条件下后钙钛矿的结构稳定性研究

(Mg,Fe)SiO3后钙钛矿的发现为解释下地幔D"层的异常现象（地震波速的不连续、超低速带的存在、高的泊松系数和地幔热柱等）提供了最新的高压矿物学依据。在实验中超过百万大气压的压力标定存在10-20 GPa的不确定性，使得Fe对于MgSiO3钙钛矿到后钙钛矿的相变边界的影响一直存在争议。本项目采用实验和理论相结合的研究方法，对含铁的红钛锰矿(Mn,Fe)TiO3和方铁锰矿(Mn,Fe)2O3开展极端条件下化合物的结构稳定性研究，以期在较低的压力下获得后钙钛矿相，从而系统地分析铁对钙钛矿到后钙钛矿相变压力值的影响、铁的自旋变化行为、以及可能的后后钙钛矿相。进而，类推出(Mg, Fe)SiO3性质并加以模拟计算和讨论分析，为更深入了解核幔边界物质组成及其状态提供矿物物理学的依据。同时对后钙钛矿家族成员的晶体结构化学进行归纳和总结，扩展极端条件下后钙钛矿结构稳定性研究的广度和深度。

(Mg,Fe)SiO3后钙钛矿的发现为解释下地幔D”层的异常现象提供了新的高压矿物学依据。本项目采用不同的合成方法，得到了几种(Mg,Fe)SiO3钙钛矿的类似化合物，如利用多面顶大压机在10 GPa和1100 C条件下，合成了CaGeO3钙钛矿；采用金刚石压腔技术，在压力大于20 GPa条件下，获得了(Fe,Mn)TiO3钙钛矿；采用高温烧结的方法获得了(Ca,Sr)TiO3和Sr2Fe2O5钙钛矿等。在研究中采用同步辐射X射线衍射、拉曼光谱、结合第一性原理计算，对这些钙钛矿进行了高压结构的眼，获得了钙钛矿—后钙钛矿相变、新的结构相、及其它们的物性，如弹性系数、波数、电磁学等。取得了如下3点重要的成果：1）在40 GPa和2000 K条件下获得了CaGeO3钙钛矿—后钙钛矿的相变，伴随剪切波束的+4.0%增加，这对下地幔D”层的特性有着指示意义；2）发现尖晶石Fe2TiO4在高温高压下经历了两次分解，即在25 GPa和2000 K时分解为FeTiO3钙钛矿和FeO方铁矿，在59 GPa和2000 K，FeTiO3进一步分解为FeO和FeTi3O7；3）通过理论计算，预测出一种比后钙钛矿更致密的结构（Os2Al3-type, I4/mmm and Z=2），具有9配位。对后钙钛矿家族成员的晶体结构化学进行归纳和总结，扩展极端条件下后钙钛矿结构稳定性研究的广度和深度，为更深入了解核幔边界物质组成及其状态提供矿物物理学的依据。此外，依托本项目的研究，在北京同步辐射实验室发展了毛细管聚焦的X射线高压吸收谱的测试方法，有效地抑制了金刚石衍射峰的影响，能获得良好的高压扩展边数据，非常有利于解析高压下吸收原子的局域结构信息。本项目已经发表学术论文13篇，全部被SCI收录；还有3篇正在准备中。