地球内部的矿物组成、化学反应及相变

地球内部特别是地幔条件下发生的各种化学反应和相变可以采用高温高压技术进行模拟。它可以提供地球深部主要元素存在状态、部分熔融时元素的固液相分配及矿物相变的条件等许多重要信息。现代高温高压技术已可达到下地幔深度的温压状态。因此，这项技术是了解地球深部物理化学环境、揭示地球内部化学演化的必不可少的手段。

矿物组成与相变

地球内部岩石的矿物组成、化学反应和相变，由浅至深，据目前取得的资料，主要是：

1）在 10kb 以内，斜长石和似长石类矿物是稳定的。这一区间内的主要矿物组合是斜长石、似长石类矿物、单斜辉石、斜方辉石和橄榄石。在含水的情况下可出现云母和角闪石等含水矿物。

2）10～20kb，斜长石变得不稳定，将产生以下的反应形成含铝辉石、硬玉和尖晶石等。

CaAl2Si2O8＋2MgSiO3—→CaMgSi2O6＋MgAl2SiO6＋SiO2 NaAlSi3O8＋NaAlSiO4—→2NaAlSi2O6( 硬玉 ) CaAl2Si2O8＋2(Mg，Fe)2SiO4—→(Mg，Fe)Al2O4(尖晶石)

＋Ca(Mg，Fe)Si2O6＋(Mg，Fe)2Si2O6 (Mg,Fe)2Si2O6＋(MgFe)Al2O4—→(Mg,Fe)Al2SiO6

＋(Mg，Fe)2SiO4

这些反应和相变主要发生在麻粒岩相变质作用和形成尖晶石二辉橄榄岩。

3）在 25kb 以上，主要相变为含铝的辉石逐渐开始消失，形成石榴子石，其矿物组合大致有橄榄石（57％），含铝的单斜辉石（12％）和斜方辉石（17

％）以及石榴子石（14％）。主要反应是： (Mg,Fe)2Si2O6+(Mg,Fe)Al2SiO6—→(Mg,Fe)3Al2Si3O12

CaAl2SiO6＋2MgSiO3—→CaMgAl2Si3O12

这些相变主要发生在榴辉岩相变质作用和石榴子石二辉橄榄岩的形成。4）100～250kb（相当于 400km 至 670km）压力下，橄榄石和辉石变成更

紧密堆积矿物。Mg2SiO4 在 150kb 时变成β相尖晶石型结构，体积减少 7.3％，在 220kb 时转变成真正的尖晶石型结构，体积又减少 2.3％。钙铁石榴子石变成钙钛矿型结构和钛铁矿型固熔体。斜方辉石变成β相，最后分解成斯石英和尖晶石型结构的（Mg，Fe）2SiO4。因此推测的主要矿物组成是 57％的β 型橄榄石与尖晶石型橄榄石，以及 43％的β型斜方辉石和斯石英。

5）250kb 以上，尖晶石型 Mg2SiO4 分解成方镁石（MgO）和 MgSiO3，体积

减少 9.3％。再变为方镁石和斯石英。推测其主要矿物组合为方镁石（29％），

斯石英（22％），钛铁矿型固熔体（Mg，Fe）SiO3·Al2O3（24％），钙钛矿型固熔体（Ca，Fe）SiO3（23％）以及铁酸钙结构的 NaAlSiO4（2％）。

干熔融与湿熔融

上节指出，地球内部不同矿物组合的岩石在部分熔融提取岩浆时，含水体系和不含水体系的矿物熔点有很大的差别。

不含水体系熔融时，矿物的熔点随压力增加而增加。在地幔条件下矿物的熔融顺序是：首先为硬玉、尖晶石和石榴子石（如（30kb 下硬玉的熔点约1300℃），其次是单斜辉石，30kb 时熔点为 1700℃，再次是斜方辉石，最后熔融的是橄榄石。在低压下斜长石的熔点甚至比橄榄石还要高。

在含水体系熔融时，对不含水的矿物，其熔融温度随压力的增加而下降。但对含水矿物，其熔融温度随压力增加而增加（图 8.5）。然而在一定的更高压力下，含水矿物（黑云母、白云母、角闪石等）将分解出水，变成不稳定矿物。斜长石在有水压条件下，其熔点将急剧下降，在约 10kbar 水压时就成为最易熔的矿物。这种情况如图 8.5 所示。（Mg，Fe）2SiO4—（Mg，Fe） SiO3 体系在含水时部分熔融可提取更多的 SiO2，使得提取的岩浆从碱性玄武岩浆变为拉斑玄武岩浆。

主元素行为

Al 是中等离子半径元素（0.57A），和氧离子半径（1.32A）之比为 0.43。近似地位于配位数为 4 和 6 的界限数值（0.415）。因而决定了 Al 有两种配位的可能。因此 Al 在低压下为四次配位，形成长石类矿物。在中等压力下具有六、四二种配位，形成含 Al 的辉石类矿物。在高压下主要成六次配位，形成石榴子石。

SiO2 在高压干体系下可从矿物中分离出来，如斜长石分解成硬玉、铝辉石和二氧化硅。在高压含水体系提取岩浆时，SiO2 受到斜方辉石、水和氧逸度等的控制。斜方辉石和水的存在可使提取的岩浆富 SiO2，使橄榄石沉淀。而氧逸度的增加可以使 FeO 变成磁铁矿，岩浆由不饱和变成饱和。

碱金属 Na，K 在高压下主要受硬玉的控制。高压下 Na，K 从长石进入硬

玉，而部分熔融提取岩浆时，硬玉最先熔融，因此低程度的部分熔融必然富K，Na，形成碱性玄武岩浆。