我国学者在下地幔高温高压条件下首次发现铁硅酸盐高压相

　　

图 研究采用双面激光加温的金刚石对顶压砧来模拟下地幔的高温高压条件，所采集的矿物高温高压数据被用于解释地球下地幔的组成和结构

　　在国家自然科学基金项目（批准号：42150103、41925017）等资助下，北京高压科学研究中心张莉团队与中国科学技术大学吴忠庆团队合作，首次在下地幔高温高压条件下成功合成了钙钛矿结构和后钙钛矿结构的铁硅酸盐的高压相。这些高压相的发现为解释下地幔不均一结构提供了关键依据。相关研究成果以“下地幔条件下钙钛矿和后钙钛矿结构的铁硅酸盐高压相（Iron silicate perovskite and post-perovskite in the deep lower mantle）”为题于2024年4月15日发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS，Proceedings of the National Academy of Sciences)。论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2401281121。

　　下地幔占地球体积的一半以上，从地表以下660千米一直延伸到2900千米深度，对应于24 到135 GPa的压力范围。下地幔的主体矿物是布里基曼石，即 具有钙钛矿结构的铁镁硅酸盐高压相ABO₃, 其中A 和 B分别由Mg和 Si主导占位。布里基曼石包含大约10 mol% FeSiO₃，铁在布里基曼石中的赋存形态是决定下地幔物理化学性质的关键因素。

　　为了揭示下地幔的组成和结构，研究团队结合高温高压实验模拟和第一性原理计算，在整个下地幔的高温高压条件下研究了铁硅酸盐的稳定性及其性质。研究团队发现在60 GPa以及高温条件下，大约对应于地球内部1200千米深度的条件，铁橄榄石转变为具有钙钛矿结构的高压相。在95 GPa以及高温条件下，进一步转变成后钙钛矿结构。

　　新发现的钙钛矿相是具有25mol%Fe₂O₃-75mol%FeSiO₃化学组成的固溶体，这表明二价铁发生歧化反应生成了三价铁和金属铁，并且硅位置上的三价铁发生了从高自旋到低自旋的转变。铁硅酸盐的高压相变的发现为解释下地幔的不均一结构提供了重要启示。地震层析成像结果表明进入下地幔的俯冲板片大部分停滞在大约1000千米的深度。俯冲板片中含铁硅酸盐的高压相变以及三价铁的自旋转变可能是控制这些板片在下地幔中运动模式的关键机制。

　　此项研究首次确定了整个下地幔条件下铁硅酸盐的高压相变，得到了压力导致二价铁歧化生成三价铁和金属铁这一新的发现，并揭示了其对于认识下地幔组成和结构的重要意义。