含(Al2O3,H2O)-二氧化硅高温高压下热力学状态方程和结构相变的实验研究

SiO2 is one of the most abundant constituents of the Earth’s crust. In addition, volume percentage of the high-pressure phase of SiO2 in the subducted mid-ocean ridge basalt at the depth of the lower mantle has been estimated up to 15-20% SiO2. In particular, SiO2 at high pressures and temperatures can accommodate a certain amount of Al2O3 and H2O, which is thus an important carrier to transport Al and H2O to the Earth’s deep interior. Experimental studies on the physical properties of (Al2O3, H2O)-bearing SiO2 at relevant pressure and temperature conditions of the Earth’s mantle are thus of particular importance in understanding the structure, composition, and material transportation in the region. This proposal aims to investigate the high pressure phase transition and thermal equation of state of SiO2 with varying Al2O3 and H2O contents using two types of diamond anvil cell techniques combined with synchrotron X-ray diffraction. It will focus on how the variations in the Al2O3 and H2O contents affect the phase boundary between the high-pressure stishovite and CaCl2-phase and the phase boundary between the CaCl2 and α-PbO2-phase. The collected X-ray diffraction patterns will also be used to determine the thermal equation of states of both CaCl2 and α-PbO2-phases of SiO2 with varying Al2O3 and H2O contents. The obtained results will be used to model the density and sound velocity of (Al2O3, H2O)-bearing SiO2 at mantle pressure and temperature conditions. Comparing our modeling results to the seismic observations is critical to explore the potential cause for the observed velocity anomalies in the Earth’s lower mantle and provides new insights in understanding the composition heterogeneities in the region.

二氧化硅(SiO2)除了是地壳重要构成物质之一，其高压相在进入下地幔的俯冲洋壳中含量可高达15-20 vol%。更为重要的是，在地幔相应温度和压力下SiO2还可容纳一定量的水和Al2O3，伴随俯冲板片下沉成为向地球深部输运水和Al的重要物质。针对现阶段国内外对SiO2高压性质的研究现状，本项目将利用X光衍射结合金刚石对顶砧开展高温高压下不同Al2O3和H2O含量SiO2的结构相变和热力学状态方程研究。重点分析Al2O3和H2O含量变化对SiO2高压斯石英相与CaCl2相相界、CaCl2相与α-PbO2相相界的影响。利用确定的热力学状态方程，构建不同Al2O3和H2O含量SiO2的密度和速度图像，并与地震学观测对比探讨经由俯冲洋壳进入地幔的SiO2由于结构相变、成分和温度变化带来的密度和速度改变与地震学在相应深度观测到的速度异常的潜在关系，为揭示地球深内部物质横向分布不均一性提供新证据。

二氧化硅是地球内部硅酸盐的结构基石，是俯冲洋壳在下地幔的主要构成矿物之一，其在地幔相应温度和压强下的物理性质，尤其是结构相变、密度和弹性性质对理解地幔物质组成和速度结构至关重要。在本项目资助下，我们利用金刚石压砧结合各种同步辐射和光谱学技术，重点研究了二氧化硅高压相以及相关下地幔矿物和相的物理性质，取得的主要研究成果如下：1. 利用激光加热金刚石压砧结合同步辐射X光衍射，在55-147 GPa和300-3500 K详细研究了SiO2从斯石英到CaCl2相再到PbO2相的结构相变对热力学状态方程的影响。利用实验结果我们发现，当俯冲洋壳中SiO2的含量为20 vol%时，斯石英到CaCl2相的结构相变可以在1400-1800 km深度造成约2%的体积波波速降低，解释在相关深度观测到的速度不连续面，但核幔边界D”不连续面的形成与PbO2相的形成无关；2. 以SiO2玻璃替代熔体，仔细研究了不同温度和压强加载路径对SiO2玻璃结构的影响。实验结果表明，SiO2玻璃结构具有温度和压强不可逆性。尤其是温度的升高可以快速地帮助SiO2玻璃越过能量壁垒，在更低的压力变成更加致密的局部以edge sharing连接的SiO6八面体结构。由此我们认为，高温高压下存在的硅酸盐熔体具有非常致密的结构和高的弹性性质，该项研究对理解熔体在地球内部的结构和物理性质具有重要意义；3. 利用所获得的SiO2、Al2O3等一系列高压相和矿物的结构相变以及热力学状态方程，我们建立了早期斜长岩地壳的密度和速度图像。通过与正常地幔和俯冲洋壳的密度和速度图像进行对比，我们发现早期斜长岩地壳是能够俯冲到地幔过渡带底部的。但能否俯冲至下地幔则完全取决于俯冲时斜长岩地壳的温度。这一研究结果为解释地壳和月壳不同组成提供了实验依据；4. 在国家科学评论和地球科学杂志分别撰写展望和综述文章，综述了目前利用不同实验手段对地球深内部物质的弹性性质和波速研究的进展，特别提出在过渡带底部和下地幔顶部观测到的低速带、波速各项异性等速度异常区急需对相关矿物弹性性质的高温高压原位研究，对未来的实验研究提出了展望。