最近，北京大学高温高压实验室博士生马云璐在导师刘曦研究员的指导下，在知名SCI期刊《Molecules》和《Solid Earth Sciences》上发表系列论文（Ma and Liu, 2019; Ma et al., 2021, 2022），报导了一种利用拉曼光谱获得镁铝尖晶石中镁-铝离子占位信息、计算镁-铝离子交换反应封闭温度、以帮助反演相关地质体热演化历史的方法，建立了一种适用范围广（从岩浆温度到流体温度、从岩浆岩到变质岩）、使用简便（仅需获取拉曼光谱）、对样品要求低（无需与特定矿物共生、无需高质量单晶）的地质温度计。
地球内部是一个高温环境，如何准确获取地球组成物质的温度信息是地学研究的重要内容。为更好地获得温度方面的信息，科学家们主要依据岩石体系中主量元素、微量元素、同位素等成分特点与温度之间的函数关系，建立了多种类型的地质温度计，然后利用这些地质温度计来估算相关岩石体系的温度及热演化历史。然而，这些温度计也存在一些局限性：从适用温度范围来讲，多数温度计仅适用于一个较小的温度范围，要么适用于岩浆温度，要么适用于变质温度，很少有适用于从岩浆温度到变质温度的情况；从使用便利性来讲，这些温度计的应用通常需要针对特定的岩石体系及特定的矿物组合，并需要利用昂贵仪器、通过冗长的分析过程而获取相关成分数据。建立跨岩性、跨矿物组合、分析简便、适用范围广的地质温度计，成为重要研究课题。
为了给这些问题提供一种可能的解决方法，马云璐将目光聚焦于镁铝尖晶石中镁铝离子的占位交换反应。镁铝尖晶石是尖晶石相地幔以及玄武岩中重要矿物尖晶石的主要组分，也可以直接从相关岩浆中结晶，并广泛存在于各种变质岩中。镁铝尖晶石可以在室温至两千余度的温度范围内稳定存在。在温度较低时，其镁离子主要占据四面体位置、铝离子主要占据八面体位置；当温度升高时，四面体上的镁与八面体上的铝会发生一定的位置互换。由于这种位置互换程度与温度呈单调的函数关系，因此该离子占位交换反应可以标定为地质温度计。尤其重要的是，镁铝尖晶石中的离子互换导致其拉曼光谱特性发生显著改变，这意味着，在一定实验标定的基础上，可以用拉曼光谱方法快速确定离子占位情况，进而获得温度信息。
具体地，首先，马云璐对已有热力学实验数据进行了深入细致的分析、评估、筛选，建立了可靠的离子互换程度（x）与温度（T）关系数据库（Ma and Liu, 2019）。然后在常压、773-1123 K下进行离子交换热力学平衡实验（最长实验时间长达360天; Ma et al., 2021），通过单晶XRD方法获取不同温度下镁铝尖晶石的x值，从而拓宽x-T关系数据范围（图1）、建立适用温度范围更广的温度计（图2）。接着，马云璐对大量镁铝尖晶石进行了实验处理，使其具有不同的x值（由单晶XRD方法测定），并采集这些样品的拉曼光谱（图3），系统建立拉曼光谱特性与镁铝尖晶石x值之间的关系（图4），从而达到利用拉曼光谱快速、无损获得镁铝尖晶石x值及温度的目的（Ma et al., 2022）。
图1 镁铝尖晶石的x值与温度的关系以及实验数据标定的三种最常用的Mg-Al离子交换热力学模型
图2 镁铝尖晶石Mg-Al离子交换封闭温度计
图3 镁铝尖晶石样品的代表性拉曼光谱
图4 镁铝尖晶石的 x 值与 I~766/I~722值
马云璐的研究工作，充分利用了拉曼光谱的快速、原位、微区、对样品要求低且不损害样品的分析优势，极大简化了确定镁铝尖晶石x值、进而估算地质温度的过程。由于镁铝尖晶石可以在不同岩石中广泛存在，且稳定温度范围大，该单矿物地质温度计的建立，具有重要的地学意义。目前该方法还仅适用于含其它组分少、近似纯镁铝尖晶石的情况。
该研究受到科技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）、中科院战略性先导科技专项（No. XDB 18000000和No. XDB42000000）、科技部国家科技基础条件平台项目“国家岩矿化石标本资源共享平台”（No. 2013FY110900-3）等项目资助。
相关论文信息：
1）Yunlu Ma, Xi Liu (2019). Kinetics and Thermodynamics of Mg-Al Disorder in MgAl2O4-Spinel: A Review. Molecules 24, 1704.
论文链接：https://www.mdpi.com/1420-3049/24/9/1704
2）Yunlu Ma, Xinjian Bao, Xi Liu (2021). Thermodynamics of Mg–Al Order–Disorder Reaction in MgAl2O4-Spinel: Constrained by Prolonged Annealing Experiments at 773–1123 K. Molecules 26, 872.
论文链接：https://doi.org/10.3390/molecules26040872
3）Yunlu Ma, Xinjian Bao, Zhaoyang Sui, Xuwei Zhao, Xi Liu (2022). Quantifying Mg-Al cation distribution in MgAl2O4-spinel using Raman spectroscopy: An experimental calibration, Solid Earth Sciences 7, 60-71.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.sesci.2021.09.002
