地幔含水相Phase E的温度压力稳定区域与晶体结构研究

Phase E is a significant hydrous phase in the Earth’s deep interior. As an important water carrier in subducting slabs, Phase E transports water to the mantle transition zone. According to previous studies, Phase E (Mg2.27Si1.26H2.4O6) can be observed in the system MgO-SiO2-H2O at subduction slab geotherms up to 1100゜C and 17 GPa. In CaO-MgO-FeO-Al2O3-TiO2-SiO2-H2O system, Phase E can be observed at average mantle geotherm or near average mantle geotherm (15.5 GPa, 1400゜C; 19 GPa, 1400゜C). However, the stability field of Phase E in this system is still unknown. To understand the stability of Phase E in the lower transition zone (20-22 GPa，1500-1550゜C), we plan to conduct synthetic experiments in CaO-MgO-FeO-Al2O3-TiO2-SiO2-H2O system. In addition, for Fe, Al-bearing Phase E, crystal structure parameters and Raman spectra collected with increasing pressures will be analyzed. The impacts of Fe and Al on stabilizing Phase E at mantle geotherm in the transition zone will be discussed based on the experimental results of X-ray diffraction and Raman spectroscopy. This project is expected to better our understanding on hydrated region of the mantle transition zone.

Phase E是地球深部的重要含水相之一，是俯冲板块将水带入地幔转换带的重要载体。前人研究表明，在水饱和MgO-SiO2体系中，Phase E只能在俯冲板块较低的地温梯度下稳定。在水饱和CaO-MgO-FeO-Al2O3-TiO2-SiO2体系中，含Fe, Al的Phase E则被发现可在正常地温梯度下稳定。然而在该体系中，Phase E稳定的最高温度和压力条件还没有得到实验研究的约束。本项目拟通过高温高压实验，研究Phase E在地幔转换带下部存在的可能性；拟通过X射线单晶衍射和高压拉曼光谱实验，研究Fe, Al对Phase E晶体结构和拉曼光谱特征的影响，并论证Fe, Al 在稳定Phase E晶体结构方面所发挥的作用。本项目的研究结果将对地幔转换带的矿物组成，以及水在地幔转换带的赋存形式提供新的认识。

Phase E是地球深部的重要含水相之一，是俯冲板片将水带入地幔转换带的重要载体。本项目使用多面砧压机、电子探针、X射线单晶衍射仪、DAC装置以及拉曼光谱等多种实验研究手段对Phase E在地幔转换带的温度压力稳定范围、化学特征、晶体结构特征、金属元素离子赋存的影响、以及Phase E的晶体结构在原位高压条件下的变化进行了系统性的实验约束。此外，本项目研究还通过相关实验手段约束了含Fe共生瓦兹利石在地幔转换带中部的部分热稳定性质。其中，高温高压实验部分在18-19 GPa，1400 °C的温度压力条件下合成了与瓦兹利石、单斜辉石、石榴石及少量Phase δ-H共生的含铁Phase E，以及与林伍德石、石榴石及少量Phase δ-H共生的含铁Phase E ，指示结构中含铁的Phase E可以在地幔转换带中部含水俯冲板片之外的接近正常地幔地温梯度的条件下存在。X射线单晶衍射实验证明含铁Phase E的晶体结构各个位置均存在较多空位，而铁主要赋存于含铁Phase E的M1八面体位置，其赋存机制为Fe2+等价替换M1八面体中心的Mg2+。共生瓦兹利石的X射线单晶衍射实验指示出Fe2+在瓦兹利石晶体结构中的三组八面体（M1, M2和M3）位置的占位度存在差异，导致含Fe瓦兹利石的位形熵要显著低于完全无序排布状态下的理想值，指示出Fe的赋存对该区域瓦兹利石的热稳定性存在影响。高压拉曼光谱分析显示，含铁Phase E的拉曼光谱在0-19 GPa范围内未出现主要散射峰强度及半峰宽变化，且所有观测到的散射峰均呈现随压力升高向高波数段线性平稳移动的趋势，指示出含铁Phase E的晶体结构在0-19 GPa的原位压力条件下未出现相变或结构突变。

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