高温高压下斜方辉石弹性和相变的实验与理论计算研究

The most effective method of studying the physical properties and phase transitions of minerals in deep interior of Earth attributes to the combination of high-pressure and high-temperature experiment and theoretical simulation. Pyroxene is widely considered to be one of the major constituent minerals in Earth’s upper mantle, and its elasticity and phase transformations are important influence for the depth and topography of the seismic discontinuities in the mantle. This proposal intends to undertake systematic work on elasticity and phase transition of orthopyroxene which is abundant in the upper mantle. On one hand, in situ X-ray powder diffraction studies natural and synthesized samples will be carried out in high temperature and high pressure equipments using advanced synchrotron light and micro probe techniques. Lattice parameters of minerals and their changes versus pressure and temperature will be acquired by the Rietveld full spectra fitting, and the bulk modulus of orthopyroxene due to Birch-Murnaghan equation of state. On the other hand, based on the first principle and molecular dynamic simulation, the elastic parameters and phase stability of orthopyroxene with different end-member compositions will be obtained. And in contrast with the experimental data, the structure of high-pressure pyroxene at the temperature and pressure conditions in the upper mantle and the effect of composition variation on the unit-cell parameters, equations of state and phase transitions will be performed. Finally, considering geological and geophysical data, the relation of orthopyroxene and discontinuity in the upper mantle will be discussed. These data and results will act as key parameters in deep geodynamical process.

高温高压实验与理论计算相结合，是研究地球深部矿物物性和相变的最有效途径。辉石是上地幔最重要的矿物之一，它的弹性和相变对地幔中地震波不连续面的深度和形态有非常大的影响。本项目拟选择上地幔中含量丰富的斜方辉石为研究对象，一方面利用先进的同步辐射光源和微区探测技术，在高温高压装置中分别对天然和人工合成样品，进行原位X射线粉末衍射实验测试，采用Rietveld 全谱拟合方法进行解谱，获得不同温压条件下的晶胞参数，并由Birch-Murnaghan 状态方程获得体积模量和状态方程；另一方面利用第一性原理和分子动力学模拟计算方法，获得不同成分的斜方辉石在高温高压下的弹性参数及结构的稳定性。综合实验和计算结果，确定上地幔条件下辉石的结构，重点分析化学成分变化对其晶胞参数、状态方程和相变等的影响。最后结合地质、地球物理资料，探讨斜方辉石与上地幔不连续面的关系，为深部地球动力学研究提供关键性物态参数。

本项目选择了上地幔中含量丰富的斜方辉石为研究对象，首先通过野外采集含有不同辉石成分的天然样品，同时利用纯的化学试剂粉末为原料，在高温高压下热压合成一系列不同镁铁含量的斜方辉石集合体样品。然后分别利用大腔体压机和金刚石压腔装置，在高温高压下对含有不同成分的斜方辉石天然和热压合成样品，进行了原位纵横波速度和同步辐射X射线单晶衍射的测量，系统获得了不同成分斜方辉石在高温高压下的纵横波速度、晶胞参数、体积模量、热膨胀性质和状态方程等。同时，利用基于密度泛函理论的第一性原理方对镁铁端元辉石的弹性和相变进行了理论计算，通过比较不同端元辉石结构的焓值大小，确定了不同结构辉石的稳定性及相变序列。综合实验和理论计算研究结果，发现成分变化对斜方辉石弹性和相变有显著影响：随镁含量的增加，斜方辉石纵横波波速和体积模量增大，而晶胞体积和热膨胀系数减小，相变压力降低。最后结合地质和地球物理资料，探讨了不同成分斜方辉石及其相变与上地幔不连续面的关系，研究认为斜方辉石的相变很可能就是上地幔X不连续面形成的主要原因；而铁辉石的加入，可能是上地幔中某些低速异常存在的原因；华南东部上地幔底部低速层中的熔体含量分布与太平洋板块的俯冲方向一致，根据这一发现可以利用低速层中的熔体含量分布来反推板块俯冲的方向。这些数据和结果为深入理解板块俯冲过程提供了新的思路，为深部地球动力学研究提供了高质量的关键性物态参数。