下地幔温压下(Mg,Fe)SiO3钙钛矿的相稳定性——对冲击回收样品的微观分析

 在60~110 GPa冲击压力（估算温度为2 300~4 800 K）范围内进行了5发原始样品为(Mg_0.92,Fe_0.08)SiO₃顽火辉石的冲击压缩回收实验，对回收样品进行的X射线衍射（XRD）和红外吸收光谱（IR）分析结果表明：（1）回收样品的主相均是单链状结构硅酸盐，而非钙钛矿结构；（2）回收样品中均未观察到氧化物SiO₂和(Mg_0.92,Fe_0.08)O的XRD 和IR特征谱线；（3）回收样品的XRD、IR特征谱线变得简略，并发现了与原始样品有某些不同的特征谱线，随冲击压力增加，这种变化趋于明显；（4） 通过对比冲击压力在85 GPa以下和97 GPa以上回收样品的XRD、IR特征谱线，没有观察到明显的新谱线特征出现。结合先前的冲击Hugoniot状态方程实验数据分析，可以认为：在冲击压缩过程中样品处于钙钛矿结构，在冲击卸载过程中样品发生了由钙钛矿结构向单链状结构的逆转相变；特别是，在实验的温度压力范围内，不可能发生由(Mg_0.92,Fe_0.08)SiO₃向SiO₂和(Mg_0.92,Fe_0.08)O的化学分解相变，顽火辉石的高压相——钙钛矿结构是稳定的。回收样品和原始样品的谱线差异可能对应于高压加载或卸载过程引起的某种晶格畸变，而高压加载导致钙钛矿型顽火辉石晶格畸变的可能性更大。这一结果将对下地幔矿物学模型的建立和下地幔地震波探测结果的解释提供基础物理依据。     

顽火辉石(Mg0.92,Fe0.08)SiO3的冲击相变和高压状态方程及其地球物理意义

 用阻抗匹配法和电探针技术在48~140 GPa冲击压力范围内对化学组分为(Mg_0.92, Fe_0.08)SiO₃、初始密度为3.06 g/cm³的天然顽火辉石进行了冲击压缩实验。根据本工作13发实验数据，结合McQueen等人的数据可以看出，(Mg_0.92, Fe_0.08)SiO₃顽火辉石在冲击压缩过程中，大约经历三个明显区域：低压相区，压力范围为0~40 GPa；混合相区，压力范围为40～67 GPa；高压相区，压力范围为68～140 GPa。在低压相区，D-u关系已由McQueen给出；而在高压相区（68～140 GPa），可由本实验数据得到。由叠加原理计算得到的混合物(Mg_0.92, Fe_0.08)O(Mw)+SiO₂(St)的D-u关系及p-ρ关系曲线明显偏离了实验数据的拟合曲线，从而排除了在高达140 GPa冲击压力下，钙钛矿结构的(Mg_0.92, Fe_0.08)SiO₃发生向氧化物化学分解相变的可能性。对高压相区的实验数据进行拟合，可以得到(Mg_0.92, Fe_0.08)SiO₃钙钛矿的Grüneisen参数γ。通过三阶Birch-Murnaghan有限应变状态方程，由冲击波实验数据得到了零压等熵体积模量K_0S=259.6(9) GPa及其对压力的一阶偏导数K′_0S=4.20(5)，其ρ₀=4.19 g/cm³。(Mg_0.92, Fe_0.08)SiO₃钙钛矿冲击压缩下的密度数据与PREM密度剖面吻合很好，支持钙钛矿为主要成分的下地幔模型。     

镁橄榄石和顽辉石的高温高压合成

 用国产六面顶压机，在温度为1 000～1 500 ℃和压力为2～5 GPa的高温高压条件下，对氧化镁（MgO）和二氧化硅（SiO₂）混合粉末样品进行了处理。通过对所得产物的观察与X射线衍射分析结果表明，在较宽的压力范围内，可以得到镁橄榄石（Mg₂SiO₄）单晶体和顽辉石（MgSiO₃）单晶体。讨论了地幔物质镁橄榄石（Mg₂SiO₄）和顽辉石（MgSiO₃）的生成条件、生长特性及相变关系。     

铝硅酸盐钙钛矿的晶格参数

 本文根据MgSiO₃－CaSiO₃－Al₂O₃系统在高温超高压下（p>40 GPa，T~1 500 ℃）合成铝硅酸盐钙钛矿的实验结果，并通过(Mg,Al)(Si,Al)O₃钙钛矿和(Mg,Fe)SiO₃钙钛矿的对比，研究组分对钙钛矿的晶格常数、畸变和稳定性的影响。查明在650 km的地震波速度不连续面以下的地幔中，Al₂O₃和CaO的存在形式。     

Sr1-xLaxTiO3的高温高压合成及XPS研究

 利用高温高压方法合成了有稀土元素La掺杂的钙钛矿氧化物Sr_1-xLa_xTiO₃。XRD测试表明，在x≤0.5时，样品基本为单相，呈立方相；晶胞体积随x的增加而增加，在x=0.4时开始减小。XPS测量发现，样品中存在Ti离子的变价。讨论了Ti离子价态的变化对晶格参数的影响。     

0212型Ca3Cu2O4+δCl2-y化合物高温高压合成与研究

 利用“顶角氧掺杂”机制，即以二价氧部分替代顶角一价氯，用Ag₂O做氧源，在高温高压下制备了单相的Ca₃Cu₂O_4+δCl_2-y样品。X射线衍射分析发现，随着Ag₂O含量的增加，Ca₃Cu₂O_4+δCl_2-y样品的晶格常数a逐渐变小，c逐渐增大，体现了空穴掺杂的本质。进行了电阻率和磁化率测量，没有发现超导性，可能是空穴载流子没有达到合适的浓度所致。     

钙钛矿（GaTiO3）高压相变及等温压缩

 高温高压条件下对钙钛矿（Perovstsite）多晶进行了研究，在金刚石压砧设备上压力条件最高达38 GPa，YAG莱塞加热温度近1 000 ℃以上，用红宝石荧光校压系统进行压力标定。实验结果表明静水压条件X射线就位测量，GaTiO₃(Ⅰ)由斜方晶系在10 GPa时直接向六方GaTiO₃(Ⅱ)结构相变，体积变化为1.6％；1 000 ℃加热及其非静水压条件下GaTiO₃(Ⅰ)由斜方晶系首先转变为四方晶系GaTiO₃(Ⅲ)转变压力为8.5 GPa，体积变化为0％，继续增加压力导15 GPa，GaTiO₃(Ⅲ)向GaTiO₃(Ⅱ')转化成六方晶系，体积变化亦为1.6％。三种高压相，在压力降到一个大气压时都会消失，所以是逆转化的非淬火相。等温压缩在标准静水压条件下进行，压力应小于10.4 GPa，K₀'=5.6时，K₀=(210±7)GPa，此数据是根据Birch-Murnaghan状态方程求得的体模量。     

TiN/TiB2纳米复合材料的合成与性能

 结合高能球磨和高温高压实验技术，制备了块体TiN/TiB₂纳米复合材料。通过X射线衍射和拉曼光谱对材料的微观结构进行了研究。结果表明，采用金属Ti和六方BN为原料，在球磨过程和高温高压实验过程中，TiN先于TiB₂形成，球磨70 h后有少量的纳米晶TiN开始形成。在高温高压实验中，在样品腔的合成温度低于1 300 ℃时，没有TiB₂出现；当温度达到1 300 ℃后，合成出了TiN和TiB₂的复合材料。对所合成的块状材料的热膨胀性和导电性能进行了测试。     

用同步辐射和高温DAC装置研究Fe2SiO4的γ→α相变动力学过程

 通过对γ-Fe₂SiO₄样品在常压和温度分别为894、926、948和993 K时转变为α相的实验的具体描述，介绍了采用同步辐射和高温DAC装置及高压高温原位X光衍射技术进行高温高压相变动力学过程研究的一般方法。     

高压高温下B2O3与Mg和Li3N的反应

 通过B₂O₃与Mg和Li₃N分别在不同温度压力条件下的反应，用X射线方法研究了生成物的物相。当采用Mg与B₂O₃为原料时，其产物是Mg₃B₂O₆；用Li₃N与B₂O₃反应时，产物中除了Li₃BO₃，还有立方氮化硼（cBN）生成。这表明，当原料中含有相同数量B₂O₃时，用Mg和Li₃N分别作触媒合成立方氮化硼，将得到不同的结果。     

MgSiO_3钙钛矿高温高压特性的第一性原理研究

本文采用第一性原理方法,计算了MgSiO_3钙钛矿在零温和0～150 GPa静水压范围内的晶体结构和弹性模量,并利用准简谐近似Debye模型,拟合三阶Birch-Murnaghan物态方程得到了其高温高压下的热力学性质.通过与现有的理论和实验的结果数据比较,确认在0～2000 K的温度区间内,第一性原理计算结合Debye模型能够较可靠地模拟在下地幔压力范围内MgSiO_3钙钛矿的热力学性质.     

Spin-state crossover and hyperfine interactions of ferric iron in MgSiO(3) perovskite

Using density functional theory plus Hubbard U calculations, we show that the ground state of (Mg,Fe)(Si,Fe)O(3) perovskite, the major mineral phase in Earth's lower mantle, has high-spin ferric iron (S=5/2) at both dodecahedral (A) and octahedral (B) sites. With increasing pressure, the B-site iron undergoes a spin-state crossover to the low-spin state (S=1/2) between 40 and 70 GPa, while the A-site iron remains in the high-spin state. This B-site spin-state crossover is accompanied by a noticeable volume reduction and an increase in quadrupole splitting, consistent with recent x-ray diffraction and M?ssbauer spectroscopy measurements. The anomalous volume reduction leads to a significant softening in bulk modulus during the crossover, suggesting a possible source of seismic-velocity anomalies in the lower mantle.     

Development of micro‐XANES mapping in the diamond anvil cell

Energy‐dispersive X‐ray absorption spectroscopy is now a well established method that has been applied to a broad range of applications. At the energy‐dispersive EXAFS beamline of the ESRF, ID24, the recently achieved 5 × 5 µm focal spot combined with fast acquisition has allowed complex and non‐uniform samples to be mapped and images to be obtained where each pixel contains full XAS information. This method has been applied to a study under extreme conditions of pressure and temperature in a diamond anvil cell in transmission mode. The case study was the investigation of the Fe K‐edge XANES of (Mg,Fe)SiO₃‐perovskite and (Mg,Fe)O‐ferropericlase on decomposition of the spinel‐structured olivine [γ‐(Mg,Fe)₂SiO₄] at 78 (3) GPa after laser heating at 2200 (100) K.     

高压下顽火辉石的相态用其地球物理意义

利用Birch-Murnahan有限应变状态方程和Gru neisen　状态方程,计算了钙钛矿型((Mgo. 86Fe     

高压下钙钛矿结构MgSiO3的分子动力学研究

利用分子动力学方法,研究了高温高压下钙钛矿结构MgSiO3的状态方程.研究表明,分子动力学模拟结果很好地再现了广泛温度和压强范围内钙钛矿结构MgSiO3的摩尔体积.温度300 K压强上升到120 GPa模拟的钙钛矿结构MgSiO3状态方程和有效的实验结果基本一致.在更高温度和更高压强下模拟的钙钛矿结构MgSiO3状态方程和他人的计算值吻合的很好.另外,还分别计算了温度300 K,900 K,1500 K和2500 K压强上升到120 GPa时MgSiO3的体积压缩率.     

下地幔压力条件下(Mg0.97, Fe0.03)O方镁铁矿的光学性质

本文采用第一性原理方法, 计算了(Mg_0.97, Fe_0.03) O方镁铁矿的理想晶体和含镁-氧离子双空位点缺陷晶体在下地幔压力条件下的光学性质. 吸收光谱数据表明, 方镁铁矿理想晶体的结果与晶体场等理论预测的结果相似:压力诱导铁自旋态的转变将导致方镁铁矿吸收谱有巨大蓝移, 并在近红外光区出现了透明现象. 然而, 在方镁铁矿中含有点缺陷时, 其结果与晶体场等理论预测结果存在本质差异:铁自旋态的转变将导致在近红外光区的吸收性显著增强. 含点缺陷晶体折射率的计算结果表明, 压力、波数及铁自旋态的转变对(Mg_0.97, Fe_0.03) O方镁铁矿的折射率有较明显地影响. 本文结果不仅对探索下地幔方镁铁矿在高压下的光学性质有重要的参考价值, 而且还指明高压吸收光谱的测量可能是准确获得铁自旋态信息一个好的手段.     

Fe2+取代对MgSiO3钙钛矿高温高压物性的影响

(Mg, Fe)SiO₃钙钛矿是下地幔中最主要的候选矿物成分之一, 关于其高温高压特性的研究对于深层地幔状态的理解和地震波变化规律的探索具有重要意义. 应用第一性原理计算了MgSiO₃和(Mg_0.75, Fe_0.25)SiO₃在0–140 GPa静水压范围内的晶体结构和弹性模量, 并由Voigt-Reuss-Hill方程计算了地震波速随压力的变化, 利用准简谐近似下的Debye模型模拟了高温效应, 分析了Fe²⁺取代Mg²⁺后镁铁钙钛矿弹性和热学性质的变化, 推断Fe²⁺取代行为软化了MgSiO₃等含镁的地球深部矿物的地震波速. 为解释地幔中某些区域的地震波速软化现象提供了一个有力的理论依据. 关键词： 钙钛矿 铁 高压 波速     

Review on Application of Optical Scattering Spectroscopy for Elastic Wave Velocity Study on Materials in Earth's InteriorSCIEI北大核心CSCD

In-situ experimental results on the elastic wave velocity of Earth materials at high pressure and high temperature in combination with data from seismic observation can help to inverse the chemical composition, state and migration of materials in Earth's interior, providing an important approach to explore information of deep earth. Applying the Brillouin scattering into the Diamond Anvil Cell (DAC) to obtain the in situ elastic wave velocities of minerals, is the important approach to investigate elastic properties of Earth's Interior. With the development of DAC technology, on the one hand, the high temperature and high pressure experimental environment to simulate different layers of the earth can be achieved; on the other hand, the optical properties of DAC made many kinds of optical analysis and test methods have been widely applied in this research field. In order to gain the elastic wave velocity under high temperature and high pressure, the accurate experimental pressure and heating temperature of the sample in the cavity should be measured and calibrated first, then the scattering signal needs to dealt with, using the Brillouin frequency shift to calculate the velocity in the sample. Combined with the lattice constants obtained from X ray technique, by a solid elastic theory, all the elastic parameters of minerals can be solved. In this paper, firstly, application of methods based on optical spectrum such as Brillouin and Raman scattering in elasticity study on materials in Earth's interior, and the basic principle and research progress of them in the velocity measurement, pressure and temperature calibration are described in detail. Secondly, principle and scope of application of two common methods of spectral pressure calibration (fluorescence and Raman spectral pressure standard) are analyzed, in addition with introduce of the application of two conventional means of temperature calibration (blackbody radiation and Raman temperature scale) in temperature determination. Lastly, geophysical applications of mineral elasticity are discussed on the basis of the recent research results derive from Brillouin scattering system of wave velocities for major minerals in Earth's lower mantle (perovskite, ferropericlase, etc.), and the future research work is inspected.     

MgSiO3状态方程的分子动力学模拟

利用分子动力学方法,研究了高温高压下钙钛矿结构MgSiO_3的状态方程。研究表明,分子动力学模拟结果精确地再现了广泛温度和压强范围内MgSiO_3的摩尔体积。在300 K压强上升到140 GPa模拟的MgSiO_3状态方程和有效的实验值、他人的拟合值以及基于局域密度近似的第一原理计算结果基本一致。并且更高温度和更高压强下模拟的MgSiO_3状态方程和他人的计算值吻合的很好。另外,还分别计算了300、900、2000和3000 K压强上升到120 GPa时MgSiO_3的体积压缩率。