《Science》,从地球深处的钻石中,发现一种从未见过的矿物！

硅酸盐钙钛矿CaSiO₃，可以说是下地幔中最重要的地球化学阶段，因为它富集了上地幔中不相容的元素，包括产生热量的钍和铀，它们的半衰期比地球的地质历史还要长。

在此，来自美国内华达大学的研究者发现在一颗形成于地幔深处的钻石中含有一种我们在自然界中从未见过的矿物质：CaSiO₃-钙钛矿，一种经认证的矿物(IMA2020-012a)，名称为davemaoite。相关论文以题为“Discovery of davemaoite, CaSiO3-perovskite, as a mineral from the lower mantle”发表在Science上。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8568

硅酸钙(CaSiO₃)有多种天然和合成的晶型。低压硅灰石是一种常见的变质矿物。在金刚石中发现了一种中压型的布雷钇矿。在地球过渡带(420 ~ 660 km)和下地幔(LM；(660 ~2700 km)，CaSiO₃呈钙钛矿结构。钙钛矿型CaSiO₃是由Liu和Ringwood首次合成的，在LM压力和温度下，它是玄武岩和橄榄岩体组成的液相，实验表明它含有许多上地幔矿物中不相容的元素。这些元素包括稀土元素(REEs)、大离子亲石元素(LILEs)；K, Sr, Ba)，Ti, U和Th。换句话说，在含有少量CaSiO₃-钙钛矿的LM矿物组合中，这些元素是相容的。因此，LM中该相的组成和丰度是制约稀土、LILEs和具有丰富放射性同位素(K、U、Th)的元素收支和分布的关键，这些元素对地幔热有重要贡献。通过这些参数，CaSiO₃钙钛矿为地球深部循环地壳的命运、热化学异常和地幔底部岩浆海洋的存在提供了必要的限制。研究发现，纯CaSiO₃合成的钙钛矿相具有立方或四方对称，属于陶钙石(SrTiO₃)型钙钛矿，与GdFeO₃型钙钛矿(如桥锰矿和CaTiO₃矿物)的结构变形机制和晶体化学约束完全不同，实际上叫钙钛矿。

在自然界中寻找CaSiO₃-钙钛矿的困难，在于其在仅高于20 GPa压力下的稳定性，以及低的反转化成低压晶型的动力学障碍。这个势垒比桥锰矿低，尽管桥锰矿的稳定性仅高于23 GPa，但它在高冲击陨石中被发现是罕见的现象。

在这里，研究者报道了CaSiO₃钙钛矿的发现，它是国际矿物学协会(IMA)新矿物、命名和分类委员会(CNMNC)认证的一种新矿物。这种新矿物[IMA2020-012a]被命名为davemaoite，以纪念Dave (Ho-kwang) Mao在深地幔地球物理和岩石学领域的杰出贡献。这种类型的物质——来自博茨瓦纳奥拉帕的一颗钻石中的内含物——被保存在洛杉矶自然历史博物馆(目录编号NHMLA 74541，原加州理工学院矿物收藏品GRR1507)。

在8~9 GPa残余压力下，Davemaoite与斜方晶碳质α-铁和wüstite(Fe_0.8Mg_0.2)O共存(图1)。同一颗钻石中钛铁矿、铁和冰-VII的单独包裹体的残余压力分别为7 GPa和8-9 GPa。Davemaoite的X射线衍射(XRD)图是一个立方体钙钛矿(图1)，在2.5%的体积或更小或更大的情况下，材料的最大贡献小于5 vol%，而晶格的整体畸变可以根据反射强度排除(图1)。立方体ABO₃钙钛矿没有内部结构自由度，只包含一个化学式单元。因此，即使在有多个相贡献的衍射图中，这一相的识别也是明确的(图1)。

图1 davemaoite的X射线衍射图和Rietveld细化。

图2 钻石在光束上的反射光像。

以上研究结果表明，尖晶石后相(Ca,Na,K)(Al,Si)₂O₄至少在下地幔上部不需要作为钙、碱和铝的主相。有可能是尖晶石后逆行形成的(Ca,Na,K)(Al，Fe³⁺，Si)₂O₄+ Fe⁰→(Ca，Na，K)(Al，Si)O₃+ FeO，但在这一过程中，人们预期共生过程中存在残余尖晶石，但没有观察到。在深部地幔中，davemaoite的作用与上地幔中石榴石的作用相似。

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