金刚石压腔与地幔矿物物性研究.pdf

２０１４年第２９卷第１期２０１４，２９（１）００３４  ００４５地球物理学进展ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＧｅｏｐｈｙｓｉｃｓｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｐｒｏｇｅｏｐｈｙｓ．ｃｎＩＳＳＮ１００４  ２９０３ＣＮ１１  ２９８２／Ｐ徐志双，马麦宁，周晓亚．２０１４．金刚石压腔与地幔矿物物性研究．地球物理学进展，２９（１）００３４  ００４５，ｄｏｉ１０．６０３８／ｐｇ２０１４０１０５．ＸＵＺｈｉ  ｓｈｕａｎｇ，ＭＡＭａｉ  ｎｉｎｇ，ＺＨＯＵＸｉａｏ  ｙａ．２０１４．Ｄｉａｍｏｎｄａｎｖｉｌｃｅｌｌａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｓｔｕｄｙｉｎｇｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍａｎｔｌｅｍｉｎｅｒａｌｓ．犘狉狅犵狉犲狊狊犻狀犌犲狅狆犺狔狊犻犮狊（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ），２９（１）００３４  ００４５，ｄｏｉ１０．６０３８／ｐｇ２０１４０１０５．金刚石压腔与地幔矿物物性研究犇犻犪犿狅狀犱犪狀狏犻犾犮犲犾犾犪狀犱犻狋狊犪狆狆犾犻犮犪狋犻狅狀狋狅狊狋狌犱狔犻狀犵狆犺狔狊犻犮犪犾狆狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳犿犪狀狋犾犲犿犻狀犲狉犪犾狊徐志双１，２，马麦宁１，２ ，周晓亚１，２ＸＵＺｈｉ  ｓｈｕａｎｇ１，２，ＭＡＭａｉ  ｎｉｎｇ１，２ ，ＺＨＯＵＸｉａｏ  ｙａ１，２收稿日期２０１３  ０５  １１；修回日期２０１３  １０  １０．投稿网址ｈｔｔｐ／／ｗｗｗ．ｐｒｏｇｅｏｐｈｙｓ．ｃｎ基金项目国家自然科学基金（４１２７４０９１，４０７７４０４７）和中科院知识创新方向性项目（ＫＺＣＸ２  ＥＷ  ＱＮ６０２）联合资助．作者简介徐志双，女，１９８９年生，云南文山人，博士研究生，主要从事高温高压矿物物性实验研究．（Ｅ  ｍａｉｌｘｕｚｈｉｓｈｕａｎｇ１１＠ｍａｉｌｓ．ｕｃａｓ．ａｃ．ｃｎ） 通讯作者马麦宁，男，博士，中国科学院大学副教授．（Ｅ  ｍａｉｌｍａｍｎ＠ｕｃａｓ．ａｃ．ｃｎ）１．中国科学院计算地球动力学重点实验室，北京１０００４９２．中国科学院大学地球科学学院，北京１０００４９１．犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犆狅犿狆狌狋犪狋犻狅狀犪犾犌犲狅犱狔狀犪犿犻犮狊，犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊，犅犲犻犼犻狀犵１０００４９，犆犺犻狀犪２．犆狅犾犾犲犵犲狅犳犈犪狉狋犺犛犮犻犲狀犮犲，犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊，犅犲犻犼犻狀犵１０００４９，犆犺犻狀犪摘要高温高压实验是探索地球深部奥秘的重要手段，金刚石压腔（ＤｉａｍｏｎｄＡｎｖｉｌＣｅｌｌ，ＤＡＣ）作为一种静态超高压实验装置，目前能够达到的温压条件可以涵盖整个地球范围．近年来，随着实验技术的发展和实验装备的不断改进，ＤＡＣ可以与多种物性测量方法相结合，在模拟地球深部温度和压力的条件下，原位获得有关地幔矿物的物性数据．本文首先介绍了金刚石压腔装置及其特点，然后重点阐述了近五年来ＤＡＣ在典型地幔矿物物性研究方面取得的进展（１）水在橄榄石、辉石中的结合方式及其影响；（２）组成成分变化对橄榄石、石榴子石、斯石英、钙钛矿等矿物物性的影响．文章最后对金刚石压腔装置的改进，特别是压砧的发展进行了探讨．关键词金刚石压腔；高温高压实验；地幔矿物；物性中图分类号Ｐ３１１文献标识码Ａ犱狅犻１０．６０３８／ｐｇ２０１４０１０５犃犫狊狋狉犪犮狋Ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈ  ｐｒｅｓｓｕｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｄｉｓｃｏｖｅｒｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＥａｒｔｈ’ｓｉｎｔｅｒｉｏｒｓ．Ｗｉｔｈｄｉａｍｏｎｄａｎｖｉｌｃｅｌｌ（ＤＡＣ），ｏｎｅｋｉｎｄｏｆｓｔａｔｉｃｕｌｔｒａ  ｈｉｇｈ  ｐｒｅｓｓｕｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ａｖａｒｉｅｔｙｏｆｓｔｕｄｉｅｓｈａｖｅｂｅｅｎａｂｌｅｔｏａｃｈｉｅｖｅａｎｅｘｔｅｎｄｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｒａｎｇｅｔｈａｔｃｏｖｅｒｓｔｈｅｅｎｔｉｒｅＥａｒｔｈ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｍｕｌｔｉｐｌｅｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ＤＡＣｉｓｕｔｉｌｉｚｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｄｅｅｐＥａｒｔｈａｎｄｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｙｐｉｃａｌｍａｎｔｌｅｍｉｎｅｒａｌｓｕｎｄｅｒｔｈｅｓｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙｅｎｒｉｃｈｅｓｏｕｒｋｎｏｗｌｅｄｇｅｏｆｍａｎｔｌｅｍｉｎｅｒａｌｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ＤＡＣｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｉｔｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｎｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｓｔｕｄｙｉｎｇｐｈｙｓｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｓｏｆｔｙｐｉｃａｌｍａｎｔｌｅｍｉｎｅｒａｌｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐａｓｔｆｉｖｅｙｅａｒｓｉｓｍａｉｎｌｙｓｐｅｃｉｆｉｅｄ（１）ｔｈｅｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｓｏｆｗａｔｅｒｉｎｔｏｏｌｉｖｉｎｅａｎｄｐｙｒｏｘｅｎｅａｎｄｔｈｅｉｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ，（２）ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｎｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｏｌｉｖｉｎｅ，ｇａｒｎｅｔ，ｓｔｉｓｈｏｖｉｔｅ，ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ，ｅｔｃ．ＦｉｎａｌｌｙｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆＤＡＣｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｉａｍｏｎｄａｎｖｉｌｓｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．犓犲狔狑狅狉犱狊ｄｉａｍｏｎｄａｎｖｉｌｃｅｌｌ；ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈ  ｐｒｅｓｓｕｒｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｍａｎｔｌｅｍｉｎｅｒａｌｓ；ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ０引言对地球的认识是人类探索未知世界的重要内容之一．地球内部精细结构与地球物理场特征、物质组成和各圈层的耦合是地球物理学的研究主题（滕吉文，２００８）．目前，对地球内部的探测方法主要包括两大类直接和间接探测．直接探测包括地质学观测和大陆科学钻探，地质学观测的主要对象是地表获得的各种岩石和矿物（包括陨石和幔源物质的捕掳体）；科学钻探能够直接获取地球内部样品，但目前最深的钻探不超过１３ｋｍ，无法与地球平均半径６３７１ｋｍ相提并论．间接探测方法包括全球性地球物理观测、数值模拟以及高温高压实验等．地球物理观测是获取地球深部信息的主要途径，如大地电磁测深和地震探测．大地电磁测深利用天然电磁场在地球内部的传播，获得地下地质结构和构造信息（张乐天等，２０１１）；地震探测通过分析地震波场在地下的传播规律，了解地球内部的速度和密度结构等，进而研究地球内部演化规律，例如通过地震各向异性解释壳幔变形机制（李永东等，２０１３；张洪双等，２０１３）．然而，地球物理数据的多２０１４，２９（１）徐志双，等金刚石压腔与地幔矿物物性研究（ｗｗｗ．ｐｒｏｇｅｏｐｈｙｓ．ｃｎ）解性及模型的不确定性困扰着地球深部结构和物质状态的解析（金振民，１９９７）．数值模拟强烈依赖于设定的条件，其正确与否还需实验来验证．高温高压实验可模拟地球深部的高温高压环境，原位获得地球材料的物性数据，克服了基于２００ｋｍ捕掳体建立的地幔物性向地球内部外延的问题（朱日祥等，１９９７）．利用物性参数建立地质、地球物理模型，并与综合观测信息相互补充、相互约束，是探测地球内部物质组成和变化的有力手段（杨辉等，２００２）．目前，地球内部物质物性的研究常借助于静态超高压实验，实验设备包括大腔体高压装置（ＬａｒｇｅＶｏｌｕｍｅＰｒｅｓｓ，ＬＶＰ）和金刚石压腔装置（ＤｉａｍｏｎｄＡｎｖｉｌＣｅｌｌ，ＤＡＣ）．ＬＶＰ又分为多顶砧装置（Ｍｕｌｔｉ  ａｎｖｉｌＡｐｐａｒａｔｕｓ）和活塞圆筒装置（Ｐｉｓｔｏｎ  ｃｙｌｉｎｄｅｒＡｐｐａｒａｔｕｓ）等，常用的多顶砧装置有四面顶砧装置、六面顶砧装置、八面顶砧装置和Ⅱ级６～８型装置．ＬＶＰ常用于岩石性质的研究，而ＤＡＣ主要用于矿物物性的研究．１金刚石压腔装置及其特点１．１金刚石压腔的组成金刚石压腔又称金刚石对顶砧，主要由金刚石压砧、支撑加压部分和外部机械装置三部分组成（见图１）（谢鸿森，１９９７）．图１Ｍａｏ  Ｂｅｌｌ型金刚石压腔Ｆｉｇ．１Ｍａｏ  Ｂｅｌｌ  ｔｙｐｅｄｉａｍｏｎｄａｎｖｉｌｃｅｌｌ目前使用的金刚石压砧有含氮的Ｉ型和极少含氮或几乎不含氮的ＩＩ型金刚石．Ｉ型金刚石可用于Ｘ射线衍射、Ｒａｍａｎ等谱学研究，但对某些谱线吸收比较强；ＩＩ型金刚石对红外光谱吸收极少，所以可用于高压红外实验．压砧的台面通常加工为正八边形或正十六边形，台面边缘可磨出７～１０的倒角，以获得１００ＧＰａ以上的高压并改善砧面压力分布（孙樯和郑海飞，２００５），美国劳伦斯利弗摩尔国家实验室（ＬａｗｒｅｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ）的ＪｏｎＨ．Ｅｇｇｅｒｔ等甚至采用双倒角来获得更高压力并有效保护金刚石．金刚石压腔中的样品放置在两个金刚石压砧之间的垫片（常用Ｔ  ３０１型不锈钢片）中，用激光打孔、电火花打孔或手动钻孔等，在垫片中央打出一个直径约２０～２００μｍ的小孔，实验时上、下顶砧压住小孔即构成封闭的样品室．在ＤＡＣ中进行高压实验，特别是静态高压实验时，要选用适当的传压介质以确保压力品质和保护金刚石砧面．固、液、气体均可作为传压介质，常用的有ＮａＣｌ、甲醇＋乙醇＋水（１６３１）、硅油、氩气和氦气等．Ｋｏｃｈ  Ｍｌｌｅｒ等（２０１１）认为传压介质引起的非静水压条件影响样品的分子振动，特别是对于结构高度对称的晶体，他们用ＣｓＩ粉末、制冷的液氩和８．６ＧＰａ、１２０℃条件下淬火的制冷液氩三种物质作为传压介质，对含水γ相橄榄石的ＯＨ振动进行观察，结果表明若氩气不在８ＧＰａ以上进行热淬火，它与ＣｓＩ、ＫＢｒ等固态传压介质一样，都会产生强烈的非静水压环境，使实验结果受应力影响．常用的ＤＡＣ装置包括活塞圆筒型和四柱夹板型（见图２）等，实验时可通过旋转加压螺钉获得高压，也可通过外部机械装置产生高压，如气动加压．图２四柱夹板型金刚石压腔（马麦宁等，２００４）Ｆｉｇ．２４  ｐｉｎｆｌａｔＤＡＣ（Ｍａ犲狋犪犾．，２００４）１．２金刚石压腔的特点金刚石具有很高的强度和良好的透光性，所以ＤＡＣ中不仅能够获得很高的压力，而且可以实现多种谱学的原位测量，如拉曼（Ｒａｍａｎ），红外（Ｉｎｆｒａｒｅｄ，ＩＲ），Ｘ射线（包括衍射（Ｘ  ｒａｙＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ＸＲＤ）、发射（Ｘ  ｒａｙＥｍｉｓｓｉｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，５３地球物理学进展ｗｗｗ．ｐｒｏｇｅｏｐｈｙｓ．ｃｎ２０１４，２９（１）ＸＥＳ）、吸收精细结构（Ｘ  ｒａｙＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＦｉｎｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＸＡＦＳ）等），布里渊散射（ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ，ＢＳ），中子散射（ＮｅｕｔｒｏｎＳｃａｔｔｅｒｉｎｇ）和衍射（ＮｅｕｔｒｏｎＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ），以及穆斯堡尔谱（Ｍ  ｓｓｂａｕｅｒＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ＭＳ）等；同时ＤＡＣ还能与超声波速度测量、电导率测量等技术相结合，获得地球物质在极端温度或压力条件下的各种物理和化学参数，因此ＤＡＣ已经成为地球深部物质研究中不可或缺的实验装置．此外，金刚石压腔小巧，便于携带，可以在装好样的情况带到不同的实验室中进行物性测量，这是大腔体装置所无法比拟的．１．３压力的标定金刚石压腔中压力的标定方法有矿物谱学法（包括红宝石荧光光谱、石英拉曼光谱（郭宁和郑海飞，２０１０）等）、状态方程法、相变法等，其中，利用红宝石荧光光谱的偏移和ＮａＣｌ、Ｐｔ、Ａｕ等的状态方程标定压力，是目前常用的标压方法（孙樯和郑海飞，２００５）．１．４加温方式与温度标定金刚石压腔中的加温方式有外加温和内加温两种类型．外加温主要利用各种电阻丝、不锈钢金属片或者石墨管等制成的电炉对样品进行加温，用热电偶测量温度．Ｆａｎ等（２０１０）提出通过金刚石边部和腔内的两个温度作比较并进行修正，可使温度测量更为准确．外加温获得的温度均一而稳定（ＤｕｂｒｏｖｉｎｓｋａｉａａｎｄＤｕｂｒｏｖｉｎｓｋｙ，２００３），然而一般限制在１０００℃以下，并且加温会降低金刚石的强度，甚至引起金刚石的石墨化，所以高温实验中需对金刚石采取保护措施．内加温是利用各种激光器（如ＣＯ２、ＹＬＦ、ＹＡＧ激光器等）照射样品，样品吸收激光光束而被加温，温度测量的理论基础是Ｐｌａｎｃｋ黑体辐射定律，由此获得的温度可达６０００Ｋ．由于激光斑聚集在样品中心，而不是加热整个样品，所以在进行光谱测量时，光谱斑点必须小于激光斑点．另外，激光加温系统对于１３００Ｋ以下的温度测量误差较大（ＤｕｂｒｏｖｉｎｓｋａｉａａｎｄＤｕｂｒｏｖｉｎｓｋｙ，２００３）．按加温方式的不同，金刚石压腔也可分为激光加温ＤＡＣ（Ｌａｓｅｒ  ｈｅａｔｅｄＤｉａｍｏｎｄＡｎｖｉｌＣｅｌｌ，ＬＨＤＡＣ）（Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ犲狋犪犾．，２０１２；Ｍｕｒａｋａｍｉ犲狋犪犾．，２０１２）和外加温ＤＡＣ（Ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ  ｈｅａｔｅｄＤｉａｍｏｎｄＡｎｖｉｌＣｅｌｌ，ＥＨＤＡＣ）（Ｍａｏ犲狋犪犾．，２０１２；Ｙａｎｇ犲狋犪犾．，２０１２）．近年来发展的热液金刚石压腔（ＨｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌＤｉａｍｏｎｄＡｎｖｉｌＣｅｌｌ，ＨＤＡＣ）也属于外加温类型，它可用于地壳乃至上地幔温度压力条件下的成矿模拟实验和进行原位谱学测量（Ｍｙｓｅｎ，２０１０；汤化伟和李珍，２０１２）．２地幔矿物物性研究目前对上地幔矿物的组成，地球物理学家提出了两种成分模型地幔岩模型（ＰｙｒｏｌｉｔｅＭｏｄｅｌ）和榴辉岩模型（ＰｉｃｌｏｇｉｔｅＭｏｄｅｌ），给出的上地幔主要矿物相均为橄榄石（ｏｌｉｖｉｎｅ）、斜方辉石（ｏｒｔｈｏｐｙｒｏｘｅｎｅ）、单斜辉石（ｃｌｉｎｏｐｙｒｏｘｅｎｅ）、石榴子石（ｇａｒｎｅｔ）等（谢鸿森，１９９７；Ａｎｄｅｒｓｏｎ，２００７）．地幔过渡带（ＭａｎｔｌｅＴｒａｎｓｉｔｉｏｎＺｏｎｅ，ＭＴＺ）的稳定矿物相主要有β相（ｗａｄｓｌｅｙｉｔｅ）和γ相橄榄石（ｒｉｎｇｗｏｏｄｉｔｅ）、石榴子石固溶体（ｇａｒｎｅｔｓｏｌｕｔｉｏｎ）及少量的辉石（ｐｙｒｏｘｅｎｅ）和斯石英（ｓｔｉｓｈｏｖｉｔｅ）等（Ａｎｄｅｒｓｏｎ，２００７；Ｌｉｔａｓｏｖ犲狋犪犾．，２００７）．关于下地幔的化学组成，从橄榄岩到球粒陨石成分，尚存争议．一般认为有两个下地幔成分模型（１）由（Ｍｇ，Ｆｅ）ＳｉＯ３钙钛矿组成的富Ｓｉ下地幔；（２）Ｍｇ／Ｓｉ比值约为１．５的橄榄岩下地幔．Ｋｏｍａｂａｙａｓｈｉ等（２０１０）计算表明它们都能解释ＰＲＥＭ模型给出的下地幔密度，但橄榄岩的化学组成和矿物比例、下地幔温度曲线和相应的岩石密度曲线之间更自洽．下地幔压力条件下可能存在的矿物相包括镁方铁矿（ｍａｇｎｅｓｉｏｗｓｔｉｔｅ）、钙钛矿（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）、后钙钛矿（ｐｏｓｔ  ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）、斯石英和后斯石英（ｐｏｓｔ  ｓｔｉｓｈｏｖｉｔｅ）等（Ａｎｄｅｒｓｏｎ，２００７；Ｎｏｍｕｒａ犲狋犪犾．，２０１０）．在ＤＡＣ装置中模拟地幔温压条件，并原位测试这些矿物相的物性，不仅可以验证已存物质组成模型的可靠性，而且能够为建立合理化的地球物理模型提供物性数据．２．１橄榄石橄榄石（ｏｌｉｖｉｎｅ，化学式（Ｍｇ，Ｆｅ）２ＳｉＯ４）是上地幔含量最丰富的矿物，属于名义无水矿物（ＮｏｍｉｎａｌｌｙＡｎｈｙｄｒｏｕｓＭｉｎｅｒａｌｓ，ＮＡＭｓ），亦即化学式中不含Ｈ，但能以缺陷的形式赋存一定量的水．Ｓｈｉｎｏｚａｋｉ等（２０１１）提出上地幔Ｈ２Ｏ  ＣＨ４ Ｈ２流体中，Ｈ２可能是主要成分，所以不能断定含水橄榄石是Ｈ２Ｏ还是Ｈ２与橄榄石反应得到的；他们利用ＬＨＤＡＣ在９．８～１３．２ＧＰａ和约１０００Ｋ条件下研究了镁橄榄石Ｍｇ２ＳｉＯ４（ｆｏｓｔｅｒｉｔｅ，Ｆｏ）与Ｈ２分子的反应，在淬火到常压的过程中，３ＧＰａ时晶胞体积出现大幅增加，Ｒａｍａｎ光谱表明体积变化并非由于Ｈ原子结合成ＯＨ，而是Ｈ２以分子形式存在于橄榄石结构中；但其实验温度１０００Ｋ比典型的地温线低得多，所以这种Ｈ２结合机制是否在地幔发生有待进一步研究．Ｃｈｅｎ等（２０１１）将含水和不含水ＳａｎＣａｒｌｏｓ橄榄石样品置于同一ＤＡＣ中，测量了二者在常温高压下的弹性变化，结论是含水０．４ｗｔ．％使得橄榄石体积模量降低５％．Ｍａｏ等（２０１０）给出含水０．４ｗｔ．％的Ｆｏ在４１０ｋｍ深处，犞Ｐ和犞Ｓ分别降低３．８％和４．８％．水对橄榄石物性的影响还可能与地幔存在的一些低速高导层有关（彭伟等，２０１２）．对Ｆｏ和Ｆａ（铁橄榄石，ｆａｙａｌｉｔｅ）固溶体系列的研究，有利于了解地幔中橄榄石的性质．Ｎｅｓｔｏｌａ等（２０１１ａ，２０１１ｂ）对Ｆｏ９２Ｆａ８、Ｆｏ８０Ｆａ２０、Ｆｏ７１Ｆａ２９、Ｆｏ６２Ｆａ３８橄榄石进行了最高８ＧＰａ的常温单晶ＸＲＤ实验，得到Ｆｏ９２Ｆａ８～Ｆｏ６２Ｆａ３８组成范围内的橄榄石固溶体的单一状态方程，给出等温零压体积模量犓Ｔ０＝１２４．７ＧＰａ，其对压力的导数犓′ ＝５．３，这与常见地幔橄榄石组分的热力学计算结果相一致．Ｆｅ含量的增加使橄榄石体积模量增加，剪切模量和弹性波速（犞Ｐ和犞Ｓ）减小，Ｍｎ２＋、Ｃａ２＋、Ｎｉ２＋等成分对橄榄石的弹性模量也有重要影响（朱国臣等，２０１３）．上地幔的含水岩石发生反应的过程中，橄榄石可能水化形成水镁石，Ｍａ等（２０１３）用ＤＡＣ研究了水镁石高压下的结构变化．（Ｍｇ０．９Ｆｅ０．１）２ＳｉＯ４在大约１４ＧＰａ（约４１０ｋｍ深度）相变为密度和速度更大的β相，但地震波观测到的波速跃变比相变预测值小得多（Ｃｈｅｎ犲狋犪犾．，２０１１）． β相橄榄石，即瓦兹利石（ｗａｄｓｌｅｙｉｔｅ），又称畸变的尖晶６３２０１４，２９（１）徐志双，等金刚石压腔与地幔矿物物性研究（ｗｗｗ．ｐｒｏｇｅｏｐｈｙｓ．ｃｎ）石（ｍｏｄｉｆｉｅｄｓｐｉｎｅｌ）相橄榄石，是过渡带上部４１０～５２０ｋｍ范围内含量最多的矿物．Ｄｅｏｎ等（２０１０）在ＤＡＣ中获得β相高达１５．４ＧＰａ的ＦＴＩＲ（ＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍＩｎｆｒａｒｅｄ）光谱，利用ＯＨ振动带随压力的变化信息确定了β相结构中Ｈ主要与Ｍ３八面体Ｍｇ空位上的配位氧原子结合．Ｙｅ等（２０１０）用ＤＡＣ结合ＸＲＤ对含水２．８ｗｔ．％的β Ｍｇ２ＳｉＯ４进行了直至６３．１ＧＰａ的常温实验（常温下动力不足以克服相变势垒，所以不会发生相变），发现水含量在２．８ｗｔ．％以下时，水每增加１ｗｔ．％，犓Ｔ０降低１２ＧＰａ．Ｃｈｅｎ等（２０１１）提出水进入α相和β相使得地幔岩模型在４１０ｋｍ的波速跃变降低；而β相水含量随深度增加而降低，这可能增大地幔岩模型中ＭＴＺ的速度梯度；水的这两个作用使地幔岩模型与地震学观测更为吻合；另外，含水β相被上升热柱带到上地幔时相变为α 相，热柱脱水引发部分熔融，含水熔体密度介于熔体和α相橄榄石之间，所以可能存在于ＭＴＺ顶部成为所谓的滤水层，这也为地震学观测中发现的ＭＴＺ顶部的低速层提供一个可能的解释．另外，也有学者将水的影响与温压条件相联系．Ｙａｎｇ等（２０１２）用外加温ＤＡＣ得到了含水Ｍｇ２ＳｉＯ４的Ｒａｍａｎ光谱，发现β相橄榄石中Ｈ和Ｆｅ对Ｍｇ／Ｓｉ的置换，在常温常压下对晶格结构影响不大，而高压下晶格结构发生显著变化，高温高压条件下拉曼光谱出现新峰，说明在研究过渡带的β相橄榄石和其它矿物的动力学性质时，除了Ｈ和Ｆｅ，温度和压力的影响也必须考虑在内．过渡带的温度异常导致橄榄石α ～β相变的变化引起过渡带厚度发生变化，并影响到俯冲岩石层的密度分布和俯冲板片产生的负浮力（臧绍先和宁杰远，２００１；徐强等，２００９）．相变动力学计算的结果也表明除了水含量以外，温度对β相橄榄石相变速率有较大影响（王曙光等，２０１１）．压力增大到１９ＧＰａ（约５２０ｋｍ）时， β相转变为γ相，密度和波速进一步增加，但不如α ～β相变明显． γ相橄榄石，即林伍德石（ｒｉｎｇｗｏｏｄｉｔｅ），又称尖晶石（ｓｐｉｎｅｌ）相橄榄石，是过渡带下部５２０～６６０ｋｍ深度范围内最主要的矿物．晶体结构为立方晶系，骨架结构是立方紧密堆积的氧，区别于橄榄石中六方紧密堆积的氧（Ｂｅｎｍｏｒｅ犲狋犪犾．，２０１１）．Ｍａｏ等（２０１２）用Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ散射结合ＸＲＤ在外加温ＤＡＣ中对单晶含水γ相橄榄石进行了实验，提出６６０ｋｍ不连续面的速度异常和深度下降可能是热学条件变化和０．１ｗｔ．％水含量的共同影响．Ｙｅ等（２０１２）测量了含水２．５ｗｔ．％的γ相Ｍｇ２ＳｉＯ４的常温压缩性和１４０～７４０Ｋ的热膨胀性，提出水含量小于２ｗｔ．％时，Ｍｇ２ＳｉＯ４主要通过Ｍｇ空位电价补偿（２Ｈ＋～Ｍｇ２＋）而以羟基形式赋存一定量的水，而在水含量较高时，水的结合方式以４Ｈ＋～Ｓｉ４＋（可能还有Ｍｇ２＋＋２Ｈ＋～Ｓｉ４＋）为主；他们还给出犓Ｔ０＝１６２ＧＰａ，犓′ ＝６．２，且犓′随水含量增加而变大；在５８６Ｋ，Ｍｇ２ＳｉＯ４发生不可逆的晶胞膨胀，其中Ｓｉ的体积增大最明显，可能是少量Ｍｇ２＋位的Ｈ＋转移到Ｓｉ４＋位所致． γ相也可视为Ｍｇ２ＳｉＯ４ Ｆｅ２ＳｉＯ４固溶体，Ｇｒｅｅｎｂｅｒｇ等（２０１１）提出高压下Ｆｅ２＋存在于两个不同的位，分别是４个Ｏ１和２个Ｏ２组成的畸变的八面体上的Ｆｅ１，以及含６个Ｏ１的对称八面体上的Ｆｅ２，含量为３１；当体积模量的压力导数犓′ ＝４．８时，Ｍｇ端员组分比Ｆｅ端员组分的可压缩性大１３％，压缩性随Ｆｅ含量增加而降低，但在高压下差异减小．相反地，Ｇａｎｓｋｏｗ等（２０１０）和Ｎｅｓｔｏｌａ等（２０１０）认为（Ｍｇ，Ｆｅ）２ＳｉＯ４中Ｍｇ／Ｆｅ取代作用对等温体积模量影响不大．Ｎｅｓｔｏｌａ等（２０１１ｃ）进一步对合成的Ｆｅ２ＳｉＯ４尖晶石进行ＸＲＤ实验，证实了与Ｍｇ２ＳｉＯ４端员组分相比，Ｆｅ进入尖晶石结构，只会引起配位多面体的压缩率和八面体的形变有微小改变．在过渡带底部，约２３．５ＧＰａ（６６０ｋｍ），γ相橄榄石分解为钙钛矿和镁方铁矿．如果认为这是过渡带和下地幔分界面成因，亦即６６０ｋｍ是相变界面，相应的下地幔成分模型为Ｍｇ／Ｓｉ比值约为１．５的橄榄岩下地幔；但也有学者提出６６０ｋｍ不连续面可能是化学界面，或者说热学界面，因为上地幔亏损的Ｓｉ可能在下地幔富集，且（Ｍｇ，Ｆｅ）ＳｉＯ３先从岩浆海中结晶成为深部地幔，也就形成了（Ｍｇ，Ｆｅ）ＳｉＯ３钙钛矿组成的富Ｓｉ下地幔（Ｋｏｍａｂａｙａｓｈｉ犲狋犪犾．，２０１０）．２．２辉石辉石（ｐｙｒｏｘｅｎｅ，（Ｍｇ，Ｆｅ）２Ｓｉ２Ｏ６）是上地幔除橄榄石以外含量最多的矿物，包括斜方辉石（Ｏｐｘ）和单斜辉石（Ｃｐｘ）两个亚族，分别以天然产出的顽火辉石（ｅｎｓｔａｔｉｔｅ）ＭｇＳｉＯ３和透辉石（ｄｉｏｐｓｉｄｅ）（Ｃａ，Ｍｇ）２Ｓｉ２Ｏ６为代表．Ｇａｖｒｉｌｅｎｋｏ等（２０１０）对透辉石ＣａＭｇＳｉ２Ｏ６进行研究，发现水单独存在时对单斜辉石结构影响很小，但水在辉石中主要的结合机制是Ｈ＋＋Ａｌ３＋～Ｓｉ４＋，水可能增加Ａｌ的溶解，而Ａｌ使单斜辉石硬度和密度变大，波速增大，这与水对橄榄石物性的影响相反；由于水对橄榄石和辉石弹性性质的影响小并且可能相互抵消，所以上地幔水含量的变化不太可能由Ｐ波速度的变化检测出来，Ｐ波的变化可能主要受温度和主量元素的控制．上地幔存在一些局域性的地震波不连续面，如２６０～３３０ｋｍ深度范围内波速急剧增大的Ｘ不连续面，可能与斜方辉石到单斜辉石的相变有关（谢彩霞等，２０１２）．Ｊａｃｏｂｓｅｎ等（２０１０）提出水的作用使得单斜顽火辉石的相变压力降低，相变深度变浅，这可能解释Ｘ不连续面的形成；另外，通过不连续面的研究而获得上地幔水含量的约束条件是比较灵敏的，因为低压矿物储水能力较低，它们向高压相的转变受水的影响更大．Ｚｈａｎｇ等（２０１２）在ＤＡＣ中进行的ＸＲＤ实验表明，含Ｆｅ的斜方辉石可能是上地幔上部的稳定相，在３００～４００ｋｍ深度相变生成一个新的高压单斜顽火辉石的中间相．周春银等（２０１０）文章中指出上地幔辉石在高温条件下相变为超硅石榴子石（或镁铁榴石，ｍａｊｏｒｉｔｅ，Ｍｊ），而低温条件下相变为β 相橄榄石和斯石英，然后在更高压力条件下继续转变成γ相橄榄石（这与张宝华等（２０１０）电导率实验观测相一致）和斯石英；另外，因为辉石中含有较多Ｃａ、Ａｌ，使得相变发生在一个较宽的压力范围，这可能对４１０ｋｍ不连续面和过渡带的密度和波速梯度产生影响（周春银等，２０１０）．有研究表明，在一定温度压力条件下，辉石晶格中可能包含一定量的Ａｌ２Ｏ３而成为富铝的顽火辉石，富铝顽火辉石在高压下可相变为镁铝榴石；而不含Ａｌ２Ｏ３的辉石很难形成石榴子石结构相（谢鸿森，１９９７）．２．３石榴子石石榴子石也是地幔中的典型矿物，主要端员组分有镁铝７３地球物理学进展ｗｗｗ．ｐｒｏｇｅｏｐｈｙｓ．ｃｎ２０１４，２９（１）榴石（ｐｙｒｏｐｅ）Ｍｇ３Ａｌ２Ｓｉ３Ｏ１２、铁铝榴石（ａｌｍａｎｄｉｎｅ）Ｆｅ３Ａｌ２Ｓｉ３Ｏ１２、钙铝榴石（ｇｒｏｓｓｕｌａｒ）Ｃａ３Ａｌ２Ｓｉ３Ｏ１２、钙铁榴石（ａｎｄｒａｄｉｔｅ）Ｃａ３Ｆｅ３＋２Ｓｉ３Ｏ１２、锰铝榴石（ｓｐｅｓｓａｒｔｉｎｅ）Ｍｎ３Ａｌ２Ｓｉ３Ｏ１２等，天然石榴子石可表示为这些端员组分按一定比例组成的混合物（Ｒｉｃｋｗｏｏｄ，１９６８；Ｎｅｓｔｏｌ