含铁碳酸盐矿物原位高温高压研究及其在深部碳循环中的意义

Carbonates from the ternary CaCO3-MgCO3-FeCO3 are the main source of the crustal carbon, also the main carriers of deep carbon in the Earth’s interior, and their high-temperature and high-pressure behavior is the key to understand the form and state of the deep carbon in the Earth’s interior. Theoretical and experimental researches show that the spin transition of Fe would occur and thereby significantly improve the density, bulk modulus and structural stability of Fe-bearing carbonates under high-temperature and high-pressure. The spin transition of Fe could induce the change of radius, and the valence state of Fe represents the redox state. The coupling behavior between Fe ions and Ca and Mg ions in Fe-bearing carbonates is important to affect the host’s structure, and significant of the deep carbon cycle researches. The aim of this project is, using synchrotron radiation and the high-temperature and high-pressure techniques, through a variety of methods of experimental tests and theoretical simulations, to systematically study the structural stability of Fe-bearing carbonate and related problems in the temperature and pressure ranges of subduction zone to low mantle, in order to provide the mineralogical basis for the establishment of the model of deep carbon cycle.

CaCO3-MgCO3-FeCO3碳酸盐矿物是最主要壳源碳来源，也是地球深部碳最重要的载体，它们的高温高压行为是了解地球深部碳的存在形式和存在状态的关键。理论和实验研究均表明：含Fe碳酸盐在高压状态下会发生电子高低自旋态的转变，从而显著提高含Fe碳酸盐的密度、体积模量和结构稳定性。高压下Fe的自旋态变化可使其离子半径有较大的改变，同时Fe的价态也可反应环境的氧化还原状态，Fe如何与Ca和Mg等离子进行耦合进而影响含铁碳酸盐的结构，对深部碳循环研究意义重大。本项目拟借助同步辐射和高温高压实验技术，通过多种高压测试手段以及理论模拟，在俯冲带-下地幔温度压力范围内对含铁碳酸盐的高温高压结构稳定性及相关问题进行深入系统研究，以便为深部碳循环模型的建立提供矿物学依据。

本项目基于同步辐射和金刚石压腔（DAC）高温高压实验技术，结合原位X射线衍射（XRD）以及相关的谱学测试方法，以及基于第一性原理和密度泛函理论的计算模拟，对菱面体碳酸盐矿物以及结构上有一定关联的矿物（如葡萄石、黒柱石、硅酸盐矿物等）在高压及高温条件下物质的结构、状态和性质进行了深入研究。通过项目研究得到一些新认识，也获得了一些新的高压结构和数据。这些矿物和化合物在高温高压下的结构、状态和性质，有助于深入认识地球深部碳酸盐矿物的状态和形式，这对理解地球深部的物质组成、尤其是对深部碳循环过程的理解和认识具有重要意义，也为了解与之相关的基础地质问题提供了矿物物理学方面的约束和依据。在基金项目的资助下，共发表研究论文12篇(含SCI收录论文11篇和EI论文1篇)，在高温高压矿物物理领域产生了一定的学术影响；基金项目还资助了3个本科生、3个硕士生和2个博士生的学位论文，为高温高压矿物物理后备人才培养做出了贡献；同时基金项目还资助项目组参加了17个国内和国外的学术交流和会议，一定程度上扩大了矿物物理学科以及所在单位的学术和社会影响力。