矽酸鹽鈣鈦礦CaSiO3，可以說是下地幔中最重要的地球化學階段，因為它富集了上地幔中不相容的元素，包括產生熱量的釷和鈾，它們的半衰期比地球的地質歷史還要長。
在此，來自美國內華達大學的研究者發現在一顆形成於地幔深處的鑽石中含有一種我們在自然界中從未見過的礦物質：CaSiO3-鈣鈦礦，一種經認證的礦物(IMA2020-012a)，名稱為davemaoite。相關論文以題為“Discovery of davemaoite, CaSiO3-perovskite, as a mineral from the lower mantle”發表在Science上。
論文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8568
矽酸鈣(CaSiO3)有多種天然和合成的晶型。低壓矽灰石是一種常見的變質礦物。在金剛石中發現了一種中壓型的佈雷釔礦。在地球過渡帶(420 ~ 660 km)和下地幔(LM；(660 ~2700 km)，CaSiO3呈鈣鈦礦結構。鈣鈦礦型CaSiO3是由Liu和Ringwood首次合成的，在LM壓力和溫度下，它是玄武岩和橄欖岩體組成的液相，實驗表明它含有許多上地幔礦物中不相容的元素。這些元素包括稀土元素(REEs)、大離子親石元素(LILEs)；K, Sr, Ba)，Ti, U和Th。換句話說，在含有少量CaSiO3-鈣鈦礦的LM礦物組合中，這些元素是相容的。因此，LM中該相的組成和豐度是制約稀土、LILEs和具有豐富放射性同位素(K、U、Th)的元素收支和分佈的關鍵，這些元素對地幔熱有重要貢獻。透過這些引數，CaSiO3鈣鈦礦為地球深部迴圈地殼的命運、熱化學異常和地幔底部岩漿海洋的存在提供了必要的限制。研究發現，純CaSiO3合成的鈣鈦礦相具有立方或四方對稱，屬於陶鈣石(SrTiO3)型鈣鈦礦，與GdFeO3型鈣鈦礦(如橋錳礦和CaTiO3礦物)的結構變形機制和晶體化學約束完全不同，實際上叫鈣鈦礦。
在自然界中尋找CaSiO3-鈣鈦礦的困難，在於其在僅高於20 GPa壓力下的穩定性，以及低的反轉化成低壓晶型的動力學障礙。這個勢壘比橋錳礦低，儘管橋錳礦的穩定性僅高於23 GPa，但它在高衝擊隕石中被發現是罕見的現象。
在這裡，研究者報道了CaSiO3鈣鈦礦的發現，它是國際礦物學協會(IMA)新礦物、命名和分類委員會(CNMNC)認證的一種新礦物。這種新礦物[IMA2020-012a]被命名為davemaoite，以紀念Dave (Ho-kwang) Mao在深地幔地球物理和岩石學領域的傑出貢獻。這種型別的物質——來自波札那奧拉帕的一顆鑽石中的內含物——被儲存在洛杉磯自然歷史博物館(目錄編號NHMLA 74541，原加州理工學院礦物收藏品GRR1507)。
在8~9 GPa殘餘壓力下，Davemaoite與斜方晶碳質α-鐵和wüstite(Fe0.8Mg0.2)O共存(圖1)。同一顆鑽石中鈦鐵礦、鐵和冰-VII的單獨包裹體的殘餘壓力分別為7 GPa和8-9 GPa。Davemaoite的X射線衍射(XRD)圖是一個立方體鈣鈦礦(圖1)，在2.5%的體積或更小或更大的情況下，材料的最大貢獻小於5 vol%，而晶格的整體畸變可以根據反射強度排除(圖1)。立方體ABO3鈣鈦礦沒有內部結構自由度，只包含一個化學式單元。因此，即使在有多個相貢獻的衍射圖中，這一相的識別也是明確的(圖1)。
圖1 davemaoite的X射線衍射圖和Rietveld細化。
圖2 鑽石在光束上的反射光像。
以上研究結果表明，尖晶石後相(Ca,Na,K)(Al,Si)2O4至少在下地幔上部不需要作為鈣、鹼和鋁的主相。有可能是尖晶石後逆行形成的(Ca,Na,K)(Al，Fe3+，Si)2O4 + Fe0→(Ca，Na，K)(Al，Si)O3 + FeO，但在這一過程中，人們預期共生過程中存在殘餘尖晶石，但沒有觀察到。在深部地幔中，davemaoite的作用與上地幔中石榴石的作用相似。（文：水生）
本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯絡，未經許可謝絕轉載至其他網站。
