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尖晶石是一类广泛存在于地球和宇宙天体各类岩石中的常见氧化物矿物。具有尖晶石类型晶体结构的硅酸盐矿物(如瓦士利石和林伍德石)组成了地球深部从400公里-660公里范围内地幔过渡带的主要造岩矿物。四十多年前,科学家通过实验证实具有尖晶石结构的硅酸盐矿物在地幔过渡带温度压力条件下稳定存在,此后一直试图了解在更高压力条件下可能出现的、比尖晶石结构密度更大的超尖晶石结构相。尽管铁镁硅酸盐尖晶石(如林伍德石等)后来被证明在实验高温高压条件下只发生分解成为简单的氧化物,也确有一些实验表明这些分解后的简单氧化物在高压下会重新组合成为CaFe2O4
(CF) 或CaTi2O4(CT)
结构类型的相,但在过去几十年中,既没有在自然界发现高密度的"超尖晶石"相、也没有硅酸盐钙钛矿被证实为天然矿物。
中国科学院广州地球化学研究所陈鸣在国家自然科学基金资助下,首次在自然界发现了晶体结构密度比尖晶石更大的两个超尖晶石高压相,并通过实验证实了这两个相形成的温度和压力条件。在一个经受过宇宙撞击事件和强烈冲击变质的球粒陨石中,发现原来的尖晶石铬铁矿在高温高压条件下转变成为两个密度更高的、具有斜方晶系晶体结构的超尖晶石相。这两个新矿物的化学成分与原来的尖晶石铬铁矿相同,但晶体结构完全不同,CF相密度比原铬铁矿高9.4%,而CT相密度比原铬铁矿高9.6%。在实验室利用激光加热和金刚石压砧超高压技术,研究证实了在2000摄氏度高温时,当压力大于12.5万大气压时铬铁矿转变成一个具有CF结构类型的高密度相,而当大于20万大气压时则转变成为另一个具有CT结构类型的高密度相。实验证明了这两个超尖晶石结构类型新矿物的高温高压起源和形成的温度压力条件。
新矿物的发现是固体地球科学探索的重要内容,该项研究为自然界矿物家族添加了二个重要成员。研究结果表明了一种重要矿物晶体结构类型从地表到深部随着压力和温度的增加的变化规律,这将有助于进一步探索和完善地幔的矿物组成模型。铬铁矿尖晶石是宇宙和地球普遍存在的矿物,超尖晶石相的发现提供了一种可用于判别和标定自然界撞击事件和来源于地球深部岩石的温度和压力历史的重要标准。
该项目还通过对发生天然冲击变质的球粒陨石的研究在橄榄石中还发现了具有两种类型结晶方位的林伍德石片晶,并揭示了受冲击陨石和俯冲板块中橄榄石/林伍德石相的转变机制。有关成果2003、2004年先后以第一作者论文发表在"美国科学院院报"(PNAS)上。 |