分配系數(shù)與高溫高壓實(shí)驗(yàn)的結(jié)合

1、分配系數(shù)與高溫高壓實(shí)驗(yàn)的結(jié)合我閱讀的文章是關(guān)于固態(tài)和液態(tài)鐵在深部地幔的分配問題（Solidliquid iron partitioning in Earths deep mantle），<Denis Andrault1, Sylvain Petitgirard2, Giacomo Lo Nigro1, Jean-Luc Devidal1, Giulia Veronesi2, Gaston Garbarino2& Mohamed Mezouar2>.本文是2012年7月19號(hào)發(fā)表在Nature上的一篇文章。本文的重要意義在于作者通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)深部地幔在分異過程中，鐵的分配系數(shù)在

2、0.45-0.6之間，發(fā)現(xiàn)比前人實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不相容性偏小，所以得出了在早期地球核-幔分異的時(shí)候，地球的熱核促使核幔邊界發(fā)生較大程度的部分熔融，而且形成的巖漿中Fe的含量比下地幔的少，所以其相對(duì)于地幔有向上的浮力，最終能夠運(yùn)移到地球表面，形成了地球初期的巖漿海事件，為早期地球的巖漿海假說又提供了一條有力的證據(jù)。同時(shí)也為殘留的固體地幔虧損不相容元素提高了解釋。在高溫高壓條件下測(cè)定金屬等成礦元素在巖漿和巖石乃至熱液和巖石中的分配問題，我想是我們實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)能夠與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合起來的新方向，這些研究應(yīng)該能為巖漿礦床、熱液礦床以及沉積或者變質(zhì)礦床中成礦物質(zhì)的來源、成礦物質(zhì)遷移的介質(zhì)以及動(dòng)力、以及最終的卸載成礦

3、的研究提供一些線索。下面就簡(jiǎn)要介紹一下本文的研究。主要從研究背景和思路，實(shí)驗(yàn)材料和儀器，實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論這三方面介紹。本文研究背景是雖然上地幔的熔融產(chǎn)物研究得比較清楚了，但是靠近核幔邊界的深部地幔的研究還存在很大爭(zhēng)議。但是對(duì)于深部地幔熔融過程的研究又對(duì)研究被認(rèn)為是熱點(diǎn)火山物質(zhì)（比如夏威夷島鏈）的提供者地幔柱的起源有重大影響，而且對(duì)于研究自從地球形成之后的地幔的地球化學(xué)和動(dòng)力學(xué)演化有重要意義。本文研究思路是為了模擬深部部分熔融的地幔的動(dòng)力學(xué)行為，我們首先要知道深部地幔固相和熔體相的密度對(duì)比。當(dāng)熔體密度小于固體時(shí)，其浮力就會(huì)使熔體上升，導(dǎo)致地表的火山活動(dòng)；而當(dāng)熔體密度大于固體時(shí)，則其就會(huì)下

4、沉而形成深部的巖漿海。而關(guān)于核幔邊界附近有地震波速的異常低值表明那里存在著部分熔融。而控制著深部地幔熔體浮力的主要參數(shù)有：1 固體和熔體的原子排列充填方式的不同將導(dǎo)致熔體的體積增加3%-4%；2 Fe在固相和熔體間的分配系數(shù)；3熔體中 MgO/SiO2的值。而2又是最主要的，所以作者就模擬下地幔條件下部分熔融球粒隕石物質(zhì)的相之間的Fe的分配系數(shù)。本研究的實(shí)驗(yàn)材料是合成的(Ca,Mg,Al,Si,Fe)玻璃，這是模擬地核分離之后的原始地幔成分（與地幔巖相似，也是作者以前實(shí)驗(yàn)的材料）。材料中不包含少量和微量元素，因?yàn)樗鼈冊(cè)诘谝晃唤粕希贔e的分配中的效果可以被忽略。實(shí)驗(yàn)儀器有金剛石砧室-紅外激光

5、裝置、X射線衍射和X射線熒光儀以及電子探針射線顯微分析。實(shí)驗(yàn)方法是在金剛石砧室中用紅外激光使非常薄的樣品（5-10微米）在40Gpa-120Gpa條件下發(fā)生熔融(圖1)，熔融的條件是基于原位X射線衍射得到的。樣品是夾在兩個(gè)鎢或者錸墊片間（為了加熱），而外面再用兩片和樣品厚度差不多的NaCl芯塊夾著（使樣品和盛樣室絕熱，從圖2a可以看出）；另外，NaCl的狀態(tài)方程還可以用來導(dǎo)出激光加熱前后室溫下的壓力，從而進(jìn)行壓力校正。圖1 a 光學(xué)顯微鏡圖像；b 掃描電子顯微圖像 兩者都是在高壓下部分熔融之后冷卻恢復(fù)得到的圖像；樣品（a）是在3,650K,78.5GPa下加熱幾秒鐘（6個(gè)樣品），樣品（b）是在

6、3200K,55Gpa下加熱約一分鐘（3個(gè)樣品）采用兩套不同的加熱程序是為了評(píng)估在樣品中產(chǎn)生化學(xué)擴(kuò)散的重要性的需要樣品恢復(fù)凝固之后我們用同步X射線衍射（XRD）和X射線熒光（XRF）進(jìn)行分析(圖2)，得到分辨率約為500nm（表1）的XRD和XRF圖譜。我們還成功地從墊片上提取了一些樣品用電子探針分析其化學(xué)成分。本研究完成的9個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果概括在下表1中。圖2 原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的舉例圖2所示是在樣品冷卻和壓力釋放之后，我們對(duì)幾個(gè)樣品進(jìn)行了XRD測(cè)量。特征圖譜（a）顯示Mg-Pv(含鎂鈣鈦礦，藍(lán)色)、Fp（鐵方鎂石，橙色）和NaCl壓力介質(zhì)(綠色)的混合。同時(shí)我們也在樣品的相同位置記錄了XR

7、T的測(cè)量值(b),這些可見峰由下面這些元素引起：NaCl中的Cl（藍(lán)色）、樣品中的Ca(淺綠色)和Fe(粉色)和墊片中的 W（深綠色）X射線衍射圖（圖3 b和d）展現(xiàn)了激光熱點(diǎn)中心的環(huán)形區(qū)域。對(duì)每一個(gè)X射線衍射圖案進(jìn)行多相里特維德擬合獲得在兩個(gè)環(huán)形空間里各自分辨率的不同相的含量。X射線熒光光譜也是在相同樣品的相同區(qū)域記錄的，也顯示出了與XRD相似的特征在激光熱點(diǎn)中心附近環(huán)繞著不同的化學(xué)區(qū)域（圖3a,c）。圖3 成樣品在57.5GPa(a,b)和113GPa(c,d)Fe XDF強(qiáng)度的空間分布（a,c）和含Al的Mg-Pv含量（b,d）,顏色代表了Fe熒光性的成千上萬的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化為1的Mg-P

8、v含量。樣品呈現(xiàn)出清晰的化學(xué)和礦物的分區(qū)，最大Fe含量的區(qū)域和最大Mg-Pv含量的區(qū)域不重合。Fe的熒光強(qiáng)度在激光熱點(diǎn)中心最高，那里也是液相的集中區(qū)。我們從在不同樣品區(qū)域的Fe含量的對(duì)比得出在固相中Fe不相容性的程度。黑線圈出的區(qū)域是Fe XDF強(qiáng)度經(jīng)平均后計(jì)算出的在液態(tài)和液相線下的Fe含量。結(jié)果和討論在液相線溫度下，鐵在熔體和固體間的分配系數(shù)公式為：和都指在固相和液相中Fe的摩爾含量，公式是從不同樣品位置上Fe含量的變化推出來的。為了計(jì)算DFe，作者結(jié)合了XRD圖和XRF圖，分別從中提取出礦物和化學(xué)含量。在公稱壓力35Gpa-110Gpa下，DFe變化范圍為0.60(5)-0.47(5)（表

9、1，圖4）。圖4 硅酸鹽熔體和Mg-Pv液相線的Fe分配系數(shù)隨壓力的變化本研究用的是XRF分析（紅圓）和電子探針射線顯微分析（紅方塊）我們的誤差線代表代表標(biāo)準(zhǔn)差（見表1），我們也在圖中顯示了最近對(duì)橄欖石熔融取得的結(jié)果（淺綠圓），而彩色的方塊對(duì)應(yīng)于以前用大體積壓入獲得的數(shù)據(jù)。作者實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了在固相地幔中鐵只是相對(duì)地不相容，而且得出的鐵的分配系數(shù)比以往用多砧壓力裝置獲得的數(shù)據(jù)都要高，本次研究與前人的其中兩個(gè)研究取得了很好的一致關(guān)系。關(guān)于深部地幔，作者實(shí)驗(yàn)得出的鐵的分配系數(shù)顯著高于前面的實(shí)驗(yàn)所得。其中一個(gè)原因就是實(shí)驗(yàn)的初始材料成分差異：前面是橄欖石而現(xiàn)在是含鋁的硅酸鹽玻璃，例如在65GPa下，含

10、鋁和不含鋁的分配系數(shù)分別為0.6和0.2。鋁的存在可以解釋系統(tǒng)差異，因?yàn)楸娝苤?，Al的存在增加了鈣鈦礦中鐵的相容性。在此基礎(chǔ)上，橄欖石體系的鐵的分配系數(shù)與深部地幔的熔融沒有多大關(guān)系。作者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在下地幔的條件下，相比原先的只含鎂的鈣鈦礦，那里的熔體會(huì)多1.6-2.1倍的鐵，在此基礎(chǔ)上，作者模擬出了部分熔融的深部地幔的液固相關(guān)系。一個(gè)熱解的或者球粒隕石的深部地幔（含約11 mol%FeO）的化學(xué)平衡液態(tài)體系應(yīng)該對(duì)應(yīng)于FeO含量約為15-20%。在最近的一個(gè)研究的熱力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，作者計(jì)算出20%FeO含量的液體在下地幔條件下是有浮力的，如果液體的SiO2含量高于20 mol%的話。前人

11、的研究報(bào)道了在33GPa下，SiO2含量約為40 mol%；在135GPa下，SiO2含量約為30 mol%。所以，在下地幔條件下，20 mol%SiO2含量太容易實(shí)現(xiàn)了，而且作者實(shí)驗(yàn)的鐵分配系數(shù)支持在任何地幔深度條件下硅酸鹽熔體都是有浮力的。而且如果熔體在相對(duì)更熱的核幔邊界產(chǎn)生的話，增加的溫度會(huì)使熔體向上的運(yùn)移更加顯著。當(dāng)其他地質(zhì)情形被考慮進(jìn)來時(shí)作者也得出了相似的結(jié)論。在地球早期階段，大部分的深部地幔完全熔融導(dǎo)致巖漿中FeO含量降低，但同時(shí)固相地幔中的FeO含量降低的程度小于熔體中FeO含量降低程度，最終熔體的密度還是小于固體密度從而熔體還是有上升的浮力。而深部地幔中的這種固體虧損不相容元素的行為又有力于分離結(jié)晶，因?yàn)樘?/p>