地幔橄欖石中鐵的氧化態及其熱力學模型研究取得進展

　　橄欖石是鎂鐵硅酸鹽礦物。橄欖石不僅是基性、超基性巖的主要造巖礦物，而且是地幔巖、隕石的主要組成礦物，是地幔中最主要的指向性礦物相。對橄欖石的地球化學研究，對于探討地幔不連續面成因，以及整個地幔物質的組成、演化、對流，俯沖板片深源地震等地球深部動力學問題具有重要意義，并對宇宙中其他類地行星類似地幔物質的起源具有重要的指示作用。橄欖石中鐵的氧化作用對其物理化學特征具有重要影響，從而控制地球深部過程。然而，學界無法準確限定地幔條件下鐵的氧化態及其隨地質條件的變化情況。

　　中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室研究員張飛武帶領的計算礦物物理團隊，與美國寶石學院博士Michael Jollands合作，建立了復雜地質條件下橄欖石中鐵的氧化態及其賦存狀態的熱力學計算模型，開展了關于橄欖石中鐵的氧化態Fe3+/ΣFe、氧化途徑、賦存狀態等與地球深部環境【活性硅（αSiO2）、溫度（T）、壓力（P）、氧逸度（fO2），含水量（H2O）等】的定量關系研究。

　　研究表明，欖石中鐵的氧化態與深部環境具有復雜的制約關系，很難使用常規的阿倫尼烏斯（Arrhenius）公式和有限條件下的實驗結果來簡單推演。研究發現，不含水橄欖石中鐵的氧化態Fe3+/ΣFe偏低，并隨著深度表現出不規律變化，100km處最大值0.003，含水（500ppmw）橄欖石中，Fe3+/ΣFe增加至0.03。雖然上地幔條件下三價鐵的濃度較低，但伴隨著Fe3+的Mg/Si空位缺陷濃度及其相關的擴散，流變特性卻是鐵氧化態的函數。研究預計，這些特性在上地幔的深度范圍內會發生多個數量級的變化。該研究進一步揭示了橄欖石在地球深部環境中具有更加復雜的結構與過程。

　　研究礦物中缺陷元素微觀尺度的賦存狀態和分離機理，是剖析關鍵金屬礦床元素循環和礦床形成的地質-物理-化學過程的關鍵。該研究建立的熱力學計算模型，通過精確模擬礦物體系的成分即壓力、溫度、計算關鍵金屬元素在礦物體系中的分配，以及分餾、擴散、聚集、耦合和分離等內生動力的細節，為解決關鍵金屬元素“稀”“伴”“細”導致的難示蹤、難辨識、難探測的基礎科學問題，特別是為解決找礦過程向深部發展難度激增問題提供了理論支撐，并進一步為高效清潔利用礦產資源提供了智力支持。

　　相關研究成果發表在（Journal of Geophysical Research: Solid Earth上。