富稀土元素磷灰石的高温高压相变实验研究及其对稀土元素在上地幔的赋存和迁移的影响

为了详细研究富稀土元素磷灰石的高温高压相变及其稀土元素在高温高压相变产物中的地球化学行为和晶体结构特征，本申请项目拟以天然富稀土元素磷灰石样品作为研究对象，在5～20GPa和1000～1600℃的压力和温度条件下，采用多顶砧高压实验装置开展详细的高温高压实验研究，利用X射线衍射、电子探针、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪、单晶X射线衍射、透射电镜、拉曼红外光谱仪等进行物相、物质成份、稀土元素含量、结构形态、稀土元素在涂氏磷钙石中的分布特征等方面的分析测试，进而建立详实的相图，阐明稀土元素在磷灰石及其高温高压相变产物中的分配及其随温度和压力的变化规律，揭示稀土元素在磷灰石高温高压相变产物晶体结构中的分布，探讨磷酸盐矿物中的稀土元素在上地幔的储存和迁移模式。

本研究采用天然富含稀土元素和微量元素的磷灰石样品作为高温高压实验的初始物质，在高温高压条件下合成了较大的涂氏磷钙石单晶（300～500 um），并利用激光烧蚀电感耦合等离子体质谱技术（LA-ICPMS）对其进行了稀土元素和微量元素含量的分析，分析结果表明：涂氏磷钙石中含有一定量的稀土元素和为了元素，且其稀土元素的含量比地幔硅酸盐矿物（如石榴子石、辉石）中稀土元素的含量高100～1000倍，因此，涂氏磷钙石是地幔深部中稀土元素的潜在主要载体。为了进一步研究稀土元素在涂氏磷钙石中的晶体化学特征，本研究还采用羟基磷灰石＋5％质量的单一稀土氧化物作为实验初始物质在高温高压条件下合成含单一稀土元素的涂氏磷钙石单晶，并利用单晶X射线衍射技术分析其晶体结构，探讨单一稀土元素在涂氏磷钙石晶体中的结构特征。借助同步辐射X射线衍射技术和拉曼光谱测试技术，本项目研究了磷灰石、涂氏磷钙石及其类似物（Sr3(PO4)2和Ba3(PO4)2）、白磷钙石等的高温高压物理特性。采用量热学测量技术研究了磷灰石、涂氏磷钙石和白磷钙石的热力学特性，并计算了涂氏磷钙石和白磷钙石的相变。此外，还合成了掺杂Eu3+的涂氏磷钙石并研究了其发光性。本项目已经发表学术论文9篇，其中SCI论文8篇，已投稿在审论文4篇，待撰写论文3～5篇。