天然冲击成因含三价铁后尖晶石高压相探索

Spinel group minerals widely occur in meteorites and terrestrial rocks, and would transform into high-pressure polymorph with post-spinel structure under high-pressure and high-temperature. So far, only the high-pressure polymorphs of chromite have been identified in a few shock-metamorphic meteorites, Fe3+-bearing high-pressure phase with post-spinel structure is still not found in nature. The Fe3+-bearing high-pressure phase with post-spinel structure has a great significance for our understanding of the constituents of Earth’s mantle and some geophysical properties. This research proposal aims to find natural high-pressure new mineral of Fe3O4-MgFe2O4 for conducting an investigation of shock-metamorphic meteorites and shock-metamorphic rocks from terrestrial impact crater. This research project is designed to investigate the change in the valence of iron under high pressure and high temperature, look into the shock effects of magnetite and other Fe2+-bearing minerals, explore the mineralogical feature of Fe3O4-MgFe2O4 high-pressure phase, and clarify its formation mechanism and pressure and temperature condition. This research would contribute to reveal the feature and occurrence of natural high-pressure minerals with post-spinel structure, establish new mineral evidence for the pressure and temperature history in natural shock-metamorphic rocks, and improve our understanding on the constituents of deep Earth.

尖晶石族矿物在陨石和地球岩石中分布十分广泛。在较高的压力和温度条件下，尖晶石族矿物会转变成为具有后尖晶石结构的高压多形。目前仅在一些冲击变质陨石中找到了铬铁矿的高压多形，在自然界中尚未发现含三价铁的后尖晶石高压相，后者在地幔物质组成和地球物理性质研究中具有十分重要的意义。本项目拟通过对强烈冲击变质陨石和陨石坑冲击变质岩石的研究，寻找天然的Fe3O4-MgFe2O4高压新矿物。该项研究将探索陨石或岩石中铁元素在冲击引起的高压和高温条件下发生的价态变化特点和规律，调查磁铁矿和其他含Fe2+矿物的冲击效应，分析冲击成因Fe3O4-MgFe2O4高压相的矿物学特征、形成机制以及形成压力和温度条件。该项研究结果有助于揭示自然界后尖晶石结构高压矿物的特征和产状，为探索天然冲击变质岩石的温度压力历史提供新的矿物示踪标准，丰富对地球深部矿物组成的认识。

尖晶石族矿物是自然界的主要三价铁矿物，广泛产出在上地幔岩石中。实验表明尖晶石族矿物在高温高压下可以转变成为密度更高的高压多形。由于二价铁在高温高压下会发生歧化反应，二价铁在高温高压下也会起到还原剂的作用而自身被氧化为三价铁。因此，地球深部被认为很可能富含三价铁。含三价铁天然尖晶石高压多形一直以来受到高压矿物学界的关注，被认为是下地幔中潜在重要的矿物组成。然而，过去在自然界中一直没有发现含三价铁尖晶石高压多形的存在。该项目的主要科学目标就是通过对天然冲击变质岩石或陨石的研究，研究天然岩石中含铁矿物中铁元素在高压和高温条件下发生的价态变化特点和规律，寻找天然的Fe3O4-MgFe2O4高压新矿物，丰富对地球深部矿物组成的认识。通过对岫岩陨石坑冲击变质片麻岩的研究，发现了第一个天然的三价铁高压新矿物“毛河光矿-Maohokite”，并获得了国际矿物学协会的批准。毛河光矿的化学分子式为(Mg0.62Fe0.35Mn0.03)2+Fe3+2O4，简化式为MgFe2O4，具有斜方晶系CaFe2O4-类型的晶体结构，晶胞参数为a = 8.907 (1) Å, b = 9.937(8) Å, c = 2.981(1) Å，V = 263.8 (3) Å3，空间群Pnma，晶体密度5.33 g/cm3。与此同时，发现了与毛河光矿共生的金刚石。这种金刚石是铁镁碳酸盐矿物在冲击产生的高温高压下发生自氧还原反应的产物。铁镁碳酸盐矿物中的二价铁将碳酸根中的碳离子部分还原成为元素碳（金刚石），反应产生的三价铁形成新矿物毛河光矿。这个反应揭示了地球深部金刚石成因的一种新机制。本课题还与国外科学家合作，在我国随州陨石中发现了一个镁铁硅酸盐高压新矿物Hemleyite。Hemleyite的化学分子式为FeSiO3，三方晶系，空间群为R-3c,- R-3, 密度为4.383g/cm3。在本项目的天然冲击变质岩石和矿物调查和样品收集过程中，在我国黑龙江省发现和证实了一个新的陨石撞击坑，即直径1.85千米的依兰陨石坑，这是一个坐落在花岗岩体上的陨石坑，为我国行星科学和高压矿物学提供了一个新的研究基地。