最近，国际地学－矿物学领域杂志《Minerals》正式发表了北京大学高温高压实验室刘曦研究员课题组、德国拜罗伊特大学（University of Bayreuth）费宏展研究员课题组及中国地质大学（武汉）叶宇教授课题组关于含水林武德石（hydrous ringwoodite）的红外光谱及其结构中离子有序－无序状态的合作研究成果 （Liu et al., 2020）。论文指出，作为地幔转换带中的主要矿物，林武德石可能具有较高的离子占位无序状态，具有与以往认知非常不同的物理－化学性质。
林伍德石是地球地幔转换带下部（520-660公里深度范围）的主要造岩矿物，其结构、物理－化学性质对构建地球地幔矿物学模型、探讨地球内部主要地震波不连续面成因等有重要意义。传统观点认为，林伍德石具有正尖晶石型结构（normal spinel structure），其中2+ Mg (Fe)离子占据八面体位置，4+ Si离子占据四面体位置，两种离子互换位置的几率接近零，可以忽略。2018年，北京大学高温高压实验室刘曦研究员课题组通过研究镁铝尖晶石中少量Si的占位情况，发现尖晶石结构中的4+ Si可以在八面体与四面体之间完全无序分布，暗示林伍德石中的4+ Si离子在合适的温度－压力条件下也可能呈高无序状态，并指出以往所有研究中使用的样品可能受淬火过程改造，相关研究结果不可靠（Liu et al., 2018）。
此次联合研究小组运用高压实验技术，在地球内部约600公里深的温度－压力条件下合成了高、中、低含水量的三种林伍德石，并对它们进行系统的热处理和详细的红外光谱特性研究。结果表明，含水林伍德石在淬火过程中确实发生了显著的结构变化（图1），其高温－高压条件下的赋水机制应该主要为[VMg(OH)2MgSiSiMg]（图2），因此，含水林伍德石必须同时具有一定的Mg、Si离子占位无序度。目前唯一来自地球内部的林武德石样品含有约1.5 wt%的水（Pearson et al., 2014），这要求该林武德石具有~12.5%左右的离子占位无序度。
另一方面，相关理论研究表明，林伍德石中离子占位的有序—无序程度对其热膨胀性、体弹模量、剪切模量、地震波波速等物理－化学性质有极大影响，~12.5%离子占位无序能降低地震波波速~3－5%。此次联合研究工作首次在实验方面给出了初步的数据。研究结果表明，林伍德石中离子占位无序对其体积、热膨胀性都有非常大的影响（图3）。在这些结果的基础上，我们完全可以推测，体弹模量、剪切模量、地震波波速等物理-化学性质都会有极大的改变。因此，如果地幔过渡带中的林伍德石果真呈离子占位高无序状态，那么目前广泛接受的上地幔矿物学模型、520及660公里的地震波不连续面等都需要重新考量。
目前，无水林伍德石中离子占位的有序—无序情况还有待进一步深入研究。
本研究受中国科学院战略性先导科技专项（B类）“地球内部过程与表层系统的联系”（No. XDB 18000000）、中国科学技术部国家重点研发计划项目“燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应”（No. 2016YFC0600408）的资助。
论文链接：
https://www.mdpi.com/2075-163X/10/6/499
图1 不同温度下热处理后的含水林武德石的红外光谱特征
图2 含水林武德石中水与离子占位关系
图3 含水林武德石中离子有序－无序对其体积及热膨胀性质的影响
参考文献
Liu, L.; Liu, X.; Bao, X.; He, Q.; Yan, W.; Ma, Y.; He, M.; Tao, R.; Zou, R. Si-disordering in MgAl2O4-spinel under high P-T conditions, with implications for Si-Mg disorder in Mg2SiO4-ringwoodite. Minerals 2018, 8, 210, doi:10.3390/min8050210.
Liu, X.; Sui, Z.; Fei, H.; Yan, W.; Ma, Y.; Ye, Y. IR features of hydrous Mg2SiO4-ringwoodite, unannealed and annealed at 200-600 oC and 1 atm, with implications to hydrogen defects and water-coupled cation disorder. Minerals 2020, 10, 499, doi:10.3390/min10060499.
Pearson, D.G.; Brenker, F.E.; Nestola, F.; McNeill, J.; Nasdala, L.; Hutchison, M.T.; Matveev, S.; Mather, K.; Silversmit, G.; Schmitz, S.; Vekemans, B.; Vincze, L. Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond. Nature 2014, 507, 221–224, doi:10.1038/nature13080.
