原创 吴忠庆 毛河光 等 元素和同位素地球化学 2024-06-11 05:53 陕西

一项由中国科学技术大学的吴忠庆教授、上海高压科学与技术研究中心的毛河光教授等科研人员合作完成的重要研究，于2024年4月15日在国际顶级学术期刊《美国科学院院刊》上发表，揭示了下地幔深处铁硅酸盐的全新面貌，为理解地球内部运作机制提供了关键证据。

地球深部的奥秘：铁镁硅酸盐的角色

地幔，作为地球体积占比超过80%的广阔地带，其主要成分铁镁硅酸盐的性质直接影响到地球的结构和动力学过程。然而，科学家们长期以来一直面临着一个挑战：如何准确描绘出这些关键矿物质在极高压力和温度条件下的变化规律，尤其是下地幔深部的情况。

科研突破：铁硅酸盐的相变探索

吴忠庆教授团队利用先进的高压实验技术，从合成的铁橄榄石出发，在模拟下地幔的极端P-T条件下，成功获得了铁硅酸盐的钙钛矿结构（Pv）相，这是首次在实验室条件下直接观察到该相变。化学分析揭示，这种Pv相中铁与硅的比例高达1.72，意味着其包含约25摩尔百分比的Fe₂O₃，具有独特的化学组成。进一步的，研究团队在超过95GPa的压力下，还发现了铁硅酸盐的后钙钛矿（PPv）结构。

图1. 从99 GPa和2,250 K恢复到环境条件的样品的微观图像。 激光加热点显示的是深色，与周围的未加热样品形成鲜明对比。此项研究的另一大亮点在于，计算出的铁硅酸盐Pv和PPv的声波速度（包括压缩波速度VP和剪切波速度VS）随着压力的变化趋势，与MgSiO₃的变化趋势基本一致，但它们是目前在下地幔P-T条件下已知最密集的硅酸盐相。这不仅意味着在解释下地幔低剪切速度异常时，必须考虑硅酸盐中高价铁的含量及其自旋状态变化，而且为地震学观测提供了新的视角，有助于我们更准确地理解地球内部的质量分布和动力学活动。

图2.铁硅酸盐钙钛矿和后钙钛矿的原位XRD和异位TEM表征。

对未来研究的启示

这项研究不仅解决了关于下地幔中铁硅酸盐相变的长期争议，还为地球深部的地球物理和地球化学模型提供了至关重要的约束条件。它提示研究者们在构建地球内部模型时，应更加关注高价铁的效应及其对物质物理性质的调控作用。随着这些新发现的深入应用，人类对地球深部的认识将迈进一大步，为探索地球的形成与演化历程打开一扇新的窗口。此次科研成果的发布，无疑是向地球科学领域的深海投下了一枚“探测器”，其涟漪效应将激发更多对于地球深部未知领域的探索热情，推动地球科学的发展迈向新的高度。

更多信息：

Yang, Z., Song, Z., Wu, Z. Wu, Z. Q. , Zhang, L. (2024). Iron silicate perovskite and postperovskite in the deep lower mantle. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 121(17), e2401281121. https://doi.org/10.1073/pnas.2401281121

矿物知识：钙钛矿

钙钛矿（Perovskite）和后钙钛矿（Post-perovskite）是地质学和材料科学中非常重要的两种矿物结构类型，它们在地球深部地幔的物质组成和地球动力学研究中扮演着核心角色。

钙钛矿

钙钛矿（Perovskite）这个词最初来源于自然界的矿物——钙钛矿（CaTiO₃），这是一种由钙（Ca）、钛（Ti）和氧（O）组成的矿物，于19世纪在乌拉尔山脉被发现，并以俄国矿物学家列夫·佩罗夫斯基（Lev Perovski）的名字命名。随着时间发展，“钙钛矿”这个术语扩展了含义，不再仅仅指代这一种特定矿物，而是泛指一类具有特定晶体结构的材料，即ABX₃结构，其中A、B、X代表不同种类的离子或分子团。

钙钛矿的应用

钙钛矿材料因其独特的光电性能而在多个领域展现出了巨大的应用潜力，尤其是在太阳能电池领域。钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）是近年来研究的热点之一，因为它们能在低成本、易于制备的同时，达到与传统硅基太阳能电池相当甚至更高的光电转换效率。这类电池的一个关键优势在于它们的带隙可以通过调整材料的化学成分来调节，这意味着可以优化电池吸收太阳光谱的能力，提高能量转换效率。

研究进展与挑战

尽管钙钛矿材料在光伏领域的应用前景光明，它们也面临着一些挑战，主要是稳定性和含铅问题。早期的钙钛矿太阳能电池存在稳定性不足和对环境敏感的问题，容易在潮湿、光照和热循环条件下降解。此外，铅的毒性也是人们关注的焦点，促使研究者开发无铅或低铅的钙钛矿材料。近年来，科学家们已经取得了显著进步，例如香港城市大学的研究团队开发出了高效稳定且大幅减少含铅物质外泄的钙钛矿太阳能电池，展示了钙钛矿材料在实际应用中的潜力。

后钙钛矿

后钙钛矿（Post-perovskite）是钙钛矿结构的一种高压相变形式，主要在地球深部下地幔的极高压力环境下形成。大约在地表下约660公里深处，地幔物质中的镁硅酸盐（如MgSiO₃）会从钙钛矿结构转变为后钙钛矿结构。这种转变伴随着矿物物理性质的显著变化，比如密度增加、刚性降低，这对理解地球内部的地震波传播速度和地幔对流模式至关重要。后钙钛矿的发现对地球科学领域是一大突破，因为它帮助科学家更好地理解地球内部的热力学状态和物质循环过程。

地球的内部，它被分成许多层，由不同的组成物质和晶体结构组成。

文献资料：

https://www.titech.ac.jp/english/public-relations/research/stories/hirose

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