下地幔中 Fe 的价态和分配（ JGR 最新文章） （周春银 编译） 摘要 ：尽管 Fe 在上地幔和转换带中主要以二价铁 Fe 2+ 形式存在，但是下地幔中的主要矿物含 Al 的 (Mg,Fe)SO 3 钙钛矿（ Pv ）中却含有相当比例的三价铁（ Fe 3+ ）。研究已经证明 Fe 3+ 对 Pv 的物理化学性质具有重要的影响。另一方面，铁的置换机制以及后钙钛矿（ postperovskite ， PPv ）中铁的价态目前仍不清楚。本研究中我们利用电子能量损失近边结构光谱仪（ electron energy-loss near-edge structure spectroscopy ）测量结果，我们确定了不同 Al 3+ 含量的 PPv 中铁的价态。结果显示 PPv 含有少量的 Fe 3+ ，并且其不受 Al 3+ 含量的影响。这说明在地幔岩地幔（ pyrolitic mantle ）中 Pv-PPv 相变之上 Pv 中的 Fe 3+ 与共存的金属铁 Fe 重新结合形成二价铁 Fe 2+ 。这些 Fe 2+ 会优先分配进入到 (Mg,Fe)O 铁方镁石（ ferropericlase ， Fp ）中，从而导致 PPv 相对 Pv 来说亏损铁。铁价态的重大变化以及 PPv 中铁的亏损对下地幔底部地震波和对流特征具有重要意义。 Pv 向贫铁 PPv 相变压力范围比在固定铁含量条件下窄很多。 （ Introduction 部分对研究背景和结果进行了介绍，可作为相关基础知识了解，翻译如下：） 地幔岩下地幔主要由含 Al 的 (Mg,Fe)SO 3 钙钛矿（ Pv ）和少量的 (Mg,Fe)O 铁方镁石（ ferropericlase ， Fp ）和 CaSiO 3 钙钛矿组成。现在已经非常清楚 Pv 中 Fe 3+ 含量受 Al 3+ 含量控制（ McCammon,1997; Lauterbach et al.,2000; Frost and Langenhorst,2002 ）。因此地幔岩地幔中含 Al 的 Pv 含有相当量的 Fe 3+ ，这是由 Fe 2+ 的歧化反应形成的： 3 Fe 2+ →2 Fe 3+ + Fe 0 （金属）（ McCammon,1997,2005; Frost et al.,2004 ）。前人的研究也表明 Pv 中的 Fe 3+ 可以影响弹性常数（ Andrault et al.,2001; Catalli et al.,2010 ）、电 / 热导率（ Xu et al.,1998; Goncharov et al.,2008 ）和含水性（ Litasov et al.,2003 ）。铁的价态也会影响 Pv 和 Fp 之间 Fe 的分配（ Wood and Rubie,1996; Frost and Langenhorst,2002 ）。在含 Al 体系中 Fe 向 Pv 的分配会增强，因为 Fe 3+ 主要会进入到 Pv 中。 另一方面，最近发现的下地幔底部主要成分后钙钛矿（ postperovskite ， PPv ）（ Murakami et al.,2004; Oganov and Ono,2004; Hirose,2006 ）中 Fe 3+ 的含量仍有争议。最近 Jackson et al.(2009) 通 过 Mssbauer光谱仪 测量报道了富 F e 3+ 无 Al 的 PPv 与金属铁的共存现象。相反， Lin et al.(2008) 在相似的 Mssbauer 研究中无 Al 的 PPv 中的铁为 Fe 2+ ，与前人电子能量损失近边结构（ ELNES ）测量（ Sinmyo et al.,2008a ）结果一致。目前有关含 Al 的 PPv 中 Fe 3+ /ƩFe 比例的研究也非常有限（ Sinmyo et al.,2006; Zhang and Oganov,2006 ）。 理论（ Caracas and Cohen,2008 ）和实验（ Catalli et al.,2009; Andrault et al.,2010 ）研究均表明，在 MgSiO 3 -FeSiO 3 体系中 Pv 和 PPv 可以在较宽的压力范围内共存，在可能的铁含量条件下（ 10 mol% FeSiO 3 ）相当于 300 km 厚的区域。因此有人认为 D " 层是一个混相区，并且 D " 不连续面处剪切波的突变是化学成因（ Catalli et al.,2009; Andrault et al.,2010 ）。 但是含 Al 的 PPv 中 Fe 3+ /ƩFe 比例可能控制着 PPv 和 Fp 之间的 Fe 分配，这将会影响 Pv+PPv 两相共存区的压力范围或者 Pv-PPv 相变的相平衡条件。 在本研究中，我们利用激光加热金刚石压砧（ LHDAC ）技术在高温高压条件下合成了含 Al 的 Pv 和 PPv 。回收样品 Pv 和 PPv 中的 Fe 3+ /ƩFe 比例在透射电镜（ TEM ）下利用 ELNES 光谱仪测量确定。结果显示在深部下地幔条件下 Pv 中 Fe 3+ /ƩFe 比例随 Al 3+ 含量的升高而增大，这与前人在相对低压条件下的多面砧（ multianvil ）实验结果（ McCammon,1997; Lauterbach et al.,2000; Frost and Langenhorst,2002 ）是一致的。另一方面， PPv 中的铁主要是 Fe 2+ 形式，即使当 Al 3+ 含量很高时。这说明铁的价态在 Pv-PPv 相变中变化极大。这对于下地幔底部的 Fe 分配、相变和弹性 / 对流特征具有重要意义。 Pv 向贫铁 PPv 相变压力范围比在等化学相变条件下窄很多。 下地幔底部构想图（Hirose，2006） （参考文献见原文，PDF文档下载请点击下面的附件另存为） 2011-JGR-The valence state and partitioning of iron in the Earth's lowermo.pdf
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