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地化所在含Al斜方辉石亚稳相变研究中取得新进展

地球化学研究所 2022-02-14 小中大

　　斜方辉石[(Mg,Fe)SiO₃]不仅是上地幔的重要组成矿物，而且也是俯冲板片中的主要造岩矿物。由于与俯冲板片中其他主要矿物相比，斜方辉石的密度较低，因此其亚稳相被认为与位于地幔转换带的板块停滞有关。现有关于橄榄岩、辉石岩等典型幔源捕虏体中斜方辉石矿物组分研究显示，全球主要幔源捕虏体（如橄榄岩、辉石岩等）产区中的斜方辉石均含有一定量的Al₂O₃，最高Al₂O₃含量可达14.5 wt.%，平均Al₂O₃含量为~1.0 至~6.0 wt.%。并且，Al含量是影响斜方辉石中水含量，甚至是上地幔矿物间水配分系数的关键因素。因此，研究俯冲板块温度-压力条件下不同Al含量斜方辉石的相变对于正确理解停滞板块中斜方辉石的亚稳相态具有重要的意义。

　　针对上述科学问题，中国科学院地球化学研究所地球内部物质高温高压院重点实验室周文戈研究员课题组与美国学者合作，首次系统研究了不同Al含量斜方辉石在相对低温（< 1000 K）高压条件下的相变（图1）。研究结果显示：

　　1）在相对低温（< 1000 K）条件下，与含Fe斜方辉石类似，含Al斜方辉石同样会发生α-opx → β-opx→ γ-opx相变，其中α-opx即为初始状态下斜方辉石结构，β-opx为单斜晶系P2₁/c空间群，γ-opx为斜方晶系Pbca空间群。

　　2）Al含量的不同并未引起斜方辉石α-opx → β-opx相变压力（P_α-β）的明显改变，但是Al含量的增加则会增大斜方辉石的β-opx→ γ-opx相变压力（P_β-γ）。

　　3）β-opx和γ-opx很可能是地幔转换带的停滞板块内斜方辉石的亚稳相态。而亚稳态斜方辉石和橄榄石的存在可能导致了地幔转换带上部范围内的板块停滞。

　　以上研究成果以Phase Transitions of Fe-, Al- and Ca-Bearing Orthopyroxenes at High Pressure and High Temperature: Implications for Metastable Orthopyroxenes in Stagnant Slabs为题发表于地球科学领域NI期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》。许金贵博士为文章第一作者，许金贵博士和范大伟研究员为文章共同通讯作者。

　　图1：（a）斜方辉石在不同温度条件下的相变情况；（b）斜方辉石及其高压相的密度-深度曲线

　　该研究得到了国家自然科学基金（42172048，41802043和U2032118）、中国科学院青年创新促进会专项基金（2018434）、中国科学院“西部之光”人才培养引进计划“西部青年学者”B类项目、贵州省科技计划基础研究（科学技术基金）重点项目（黔科合基础-ZK〔2021〕重点042）、贵州省高层次留学人才创新创业择优资助项目（留学人才择优资助合同（2019）10号）等项目联合资助。

　　文章信息如下：Jingui Xu*, Dawei Fan*, Dongzhou Zhang, Maining Ma, Yi Zhou, Sergey N. Tkachev, Wenge Zhou, and Przemyslaw Dera (2022) Phase Transitions of Fe-, Al- and Ca-Bearing Orthopyroxenes at High Pressure and High Temperature: Implications for Metastable Orthopyroxenes in Stagnant Slabs. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127, e2021JB023133.

　　文章链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1029/2021JB023133