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1、分配系数与高温高压实验的结合我阅读的文章是关于固态和液态铁在深部地幔的分配问题（Solidliquid iron partitioning in Earths deep mantle），.本文是2012年7月19号发表在Nature上的一篇文章。本文的重要意义在于作者通过实验发现深部地幔在分异过程中，铁的分配系数在0.45-0.6之间，发现比前人实验测得的不相容性偏小，所以得出了在早期地球核-幔分异的时候，地球的热核促使核幔边界发生较大程度的部分熔融，而且形成的岩浆中Fe的含量比下地幔的少，所以其相对于地幔有向上的浮力，最终能够运移到地球表面，形成了地球初期的岩浆海事件，为早期地球的岩浆海假说
2、又提供了一条有力的证据。同时也为残留的固体地幔亏损不相容元素提高了解释。在高温高压条件下测定金属等成矿元素在岩浆和岩石乃至热液和岩石中的分配问题，我想是我们实验岩石学能够与生产实际结合起来的新方向，这些研究应该能为岩浆矿床、热液矿床以及沉积或者变质矿床中成矿物质的来源、成矿物质迁移的介质以及动力、以及最终的卸载成矿的研究提供一些线索。下面就简要介绍一下本文的研究。主要从研究背景和思路，实验材料和仪器，实验方法和实验结果及讨论这三方面介绍。本文研究背景是虽然上地幔的熔融产物研究得比较清楚了，但是靠近核幔边界的深部地幔的研究还存在很大争议。但是对于深部地幔熔融过程的研究又对研究被认为是热点火山物质
3、（比如夏威夷岛链）的提供者地幔柱的起源有重大影响，而且对于研究自从地球形成之后的地幔的地球化学和动力学演化有重要意义。本文研究思路是为了模拟深部部分熔融的地幔的动力学行为，我们首先要知道深部地幔固相和熔体相的密度对比。当熔体密度小于固体时，其浮力就会使熔体上升，导致地表的火山活动；而当熔体密度大于固体时，则其就会下沉而形成深部的岩浆海。而关于核幔边界附近有地震波速的异常低值表明那里存在着部分熔融。而控制着深部地幔熔体浮力的主要参数有：1 固体和熔体的原子排列充填方式的不同将导致熔体的体积增加3%-4%；2 Fe在固相和熔体间的分配系数；3熔体中 MgO/SiO2的值。而2又是最主要的，所以作者
4、就模拟下地幔条件下部分熔融球粒陨石物质的相之间的Fe的分配系数。本研究的实验材料是合成的(Ca,Mg,Al,Si,Fe)玻璃，这是模拟地核分离之后的原始地幔成分（与地幔岩相似，也是作者以前实验的材料）。材料中不包含少量和微量元素，因为它们在第一位近似上，在Fe的分配中的效果可以被忽略。实验仪器有金刚石砧室-红外激光装置、X射线衍射和X射线荧光仪以及电子探针射线显微分析。实验方法是在金刚石砧室中用红外激光使非常薄的样品（5-10微米）在40Gpa-120Gpa条件下发生熔融(图1)，熔融的条件是基于原位X射线衍射得到的。样品是夹在两个钨或者铼垫片间（为了加热），而外面再用两片和样品厚度差不多的N
5、aCl芯块夹着（使样品和盛样室绝热，从图2a可以看出）；另外，NaCl的状态方程还可以用来导出激光加热前后室温下的压力，从而进行压力校正。图1 a 光学显微镜图像；b 扫描电子显微图像 两者都是在高压下部分熔融之后冷却恢复得到的图像；样品（a）是在3,650K,78.5GPa下加热几秒钟（6个样品），样品（b）是在3200K,55Gpa下加热约一分钟（3个样品）采用两套不同的加热程序是为了评估在样品中产生化学扩散的重要性的需要样品恢复凝固之后我们用同步X射线衍射（XRD）和X射线荧光（XRF）进行分析(图2)，得到分辨率约为500nm（表1）的XRD和XRF图谱。我们还成功地从垫片上提取了一些
6、样品用电子探针分析其化学成分。本研究完成的9个实验的实验条件和结果概括在下表1中。图2 原始实验数据的举例图2所示是在样品冷却和压力释放之后，我们对几个样品进行了XRD测量。特征图谱（a）显示Mg-Pv(含镁钙钛矿，蓝色)、Fp（铁方镁石，橙色）和NaCl压力介质(绿色)的混合。同时我们也在样品的相同位置记录了XRT的测量值(b),这些可见峰由下面这些元素引起：NaCl中的Cl（蓝色）、样品中的Ca(浅绿色)和Fe(粉色)和垫片中的 W（深绿色）X射线衍射图（图3 b和d）展现了激光热点中心的环形区域。对每一个X射线衍射图案进行多相里特维德拟合获得在两个环形空间里各自分辨率的不同相的含量。X射
7、线荧光光谱也是在相同样品的相同区域记录的，也显示出了与XRD相似的特征在激光热点中心附近环绕着不同的化学区域（图3a,c）。图3 成样品在57.5GPa(a,b)和113GPa(c,d)Fe XDF强度的空间分布（a,c）和含Al的Mg-Pv含量（b,d）,颜色代表了Fe荧光性的成千上万的数据和标准化为1的Mg-Pv含量。样品呈现出清晰的化学和矿物的分区，最大Fe含量的区域和最大Mg-Pv含量的区域不重合。Fe的荧光强度在激光热点中心最高，那里也是液相的集中区。我们从在不同样品区域的Fe含量的对比得出在固相中Fe不相容性的程度。黑线圈出的区域是Fe XDF强度经平均后计算出的在液态和液相线下的
8、Fe含量。结果和讨论在液相线温度下，铁在熔体和固体间的分配系数公式为：和都指在固相和液相中Fe的摩尔含量，公式是从不同样品位置上Fe含量的变化推出来的。为了计算DFe，作者结合了XRD图和XRF图，分别从中提取出矿物和化学含量。在公称压力35Gpa-110Gpa下，DFe变化范围为0.60(5)-0.47(5)（表1，图4）。图4 硅酸盐熔体和Mg-Pv液相线的Fe分配系数随压力的变化本研究用的是XRF分析（红圆）和电子探针射线显微分析（红方块）我们的误差线代表代表标准差（见表1），我们也在图中显示了最近对橄榄石熔融取得的结果（浅绿圆），而彩色的方块对应于以前用大体积压入获得的数据。作者实验的
9、结果证实了在固相地幔中铁只是相对地不相容，而且得出的铁的分配系数比以往用多砧压力装置获得的数据都要高，本次研究与前人的其中两个研究取得了很好的一致关系。关于深部地幔，作者实验得出的铁的分配系数显著高于前面的实验所得。其中一个原因就是实验的初始材料成分差异：前面是橄榄石而现在是含铝的硅酸盐玻璃，例如在65GPa下，含铝和不含铝的分配系数分别为0.6和0.2。铝的存在可以解释系统差异，因为众所周知，Al的存在增加了钙钛矿中铁的相容性。在此基础上，橄榄石体系的铁的分配系数与深部地幔的熔融没有多大关系。作者的实验结果表明在下地幔的条件下，相比原先的只含镁的钙钛矿，那里的熔体会多1.6-2.1倍的铁，在
10、此基础上，作者模拟出了部分熔融的深部地幔的液固相关系。一个热解的或者球粒陨石的深部地幔（含约11 mol%FeO）的化学平衡液态体系应该对应于FeO含量约为15-20%。在最近的一个研究的热力学计算的基础上，作者计算出20%FeO含量的液体在下地幔条件下是有浮力的，如果液体的SiO2含量高于20 mol%的话。前人的研究报道了在33GPa下，SiO2含量约为40 mol%；在135GPa下，SiO2含量约为30 mol%。所以，在下地幔条件下，20 mol%SiO2含量太容易实现了，而且作者实验的铁分配系数支持在任何地幔深度条件下硅酸盐熔体都是有浮力的。而且如果熔体在相对更热的核幔边界产生的话
11、，增加的温度会使熔体向上的运移更加显著。当其他地质情形被考虑进来时作者也得出了相似的结论。在地球早期阶段，大部分的深部地幔完全熔融导致岩浆中FeO含量降低，但同时固相地幔中的FeO含量降低的程度小于熔体中FeO含量降低程度，最终熔体的密度还是小于固体密度从而熔体还是有上升的浮力。而深部地幔中的这种固体亏损不相容元素的行为又有力于分离结晶，因为亏损不相容元素增大了熔融温度。这种效果和深部 地幔的熔融曲线是与从底部向底部结晶的岩浆海的演化过程相一致的。这样结晶的结果又使地幔产生垂向分层，又与岩浆海的地球动力学模型相吻合。而与幕式的陨石撞击引起地幔的幕式熔融产生地球表面的岩浆海相比，这个模型产生的岩浆海是持续的，而且在很长的地质历史时期内都能够保持。所以此模式对于解释岩浆海的形成演化更合理。
