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FeOOH的黄铁矿型高压形式

自然体积547，页面205 - 208 (2017）引用本文

主题

摘要

通过俯冲进入地球内部的水强烈地影响了火山活动和板块构造等动力学1，2，3.．最近的几项研究报告了含水矿物在代表地球内部深处的压力和温度条件下是稳定的，这意味着地表水可能被输送到核幔边界4，5，6，7，8．然而，最近又报道了α-FeOOH含水矿物针铁矿9在下地幔中部的条件下分解形成FeO2释放H2这表明了氢的向上迁移和地球系统内氧分布的巨大波动。本文根据第一性原理计算，研究了FeOOH相在深部地幔压力和温度条件下的稳定性原位x射线衍射实验。与之前的研究相反，FeOOH脱氢生成FeO2在下地幔的中间9，我们报道了FeO的黄铁矿型框架形成了新的FeOOH相6八面体，它比周围的地幔密度大得多，在地幔底部的条件下是稳定的。黄铁矿型FeOOH可与其他含水矿物在深俯冲板中稳定为固溶体，并可在俯冲带状铁地层中形成。深层黄铁矿型FeOOH最终解离为Fe2O3.释放H2当俯冲板块在地幔底部被加热时。这一过程可能导致氢通过形成氢化铁(FeH)进入外核x，在核幔边界还原环境下。

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图1:黄铁矿型FeOOH的晶体学性质。
图2:样品的典型XRD谱图原位观察。
图3:地球上的FeOOH行为。

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下载参考

确认

我们感谢Y. Ohishi和N. Hirao在BL10XU, SPring-8实验中的帮助(提案号2014B1363和2016A1476)。感谢T. Irifune的技术支持和讨论。本工作由MEXT/JSPS kakeni支持(授予编号JP15H05469、JP25220712和JP15H05829给m.n.， JP16H06285和JP26800274给y.k.， JP26400516给J.T.， JP26287137和JP15H05834给J.T.和T.T.)。这项研究也得到了MEXT的部分支持，称为“后k计算机的探索性挑战”(基础科学前沿:挑战极限)。本研究使用了日本理研所通过HPCI系统研究项目(项目ID: hp160251/hp170220)提供的K计算机的计算资源。

作者信息

作者及隶属关系

  1. 日本爱媛大学地球动力学研究中心，松山文教町2-5号，790-8577，爱媛

    西雅之，古山康弘，土屋俊和土屋拓

  2. 东京工业大学地球生命科学研究所，日本东京大九区Ookayama 2-2-1-IE-1, 152-8550

    Masayuki Nishi, Jun土屋和Taku土屋

  3. 东京大学理学院地球与行星科学系，日本东京文教区本乡7-3-1,113-0033

    Yasuhiro Kuwayama

作者
  1. 小松Nishi
    查看作者出版物

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  2. Yasuhiro Kuwayama
    查看作者出版物

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  3. 小君土屋
    查看作者出版物

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  4. 土屋塔
    查看作者出版物

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贡献

M.N.和Y.K.进行了实验。j。t。和t。进行了第一性原理计算。M.N.和J.T.设计了这项研究并撰写了手稿。所有作者都对结果的讨论和手稿的修改做出了贡献。

相应的作者

对应到小松Nishi或小君土屋．

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有相互竞争的经济利益。

额外的信息

审核人信息自然感谢F. Guyot和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。

出版商注:施普林格《自然》杂志对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

扩展的数据图形和表格

图1原位观察。

一个， 2000 K加热和2400 K >加热后94-98 GPa的XRD谱。使用x射线平板探测器获得数据。氯化钙结晶2类型SiO2来自SiO2在较高的温度下识别出玻璃压力介质。py，黄铁矿型FeOOH;FeHx, dhcp-FeHx；SiO2, CaCl2类型SiO2；ppv、铁2O3.post-perovskite;盟,黄金。b， 100-110 GPa加热时的XRD谱图。由于在< 1500 K的温度测量包含很大的不确定性，因此XRD图按激光功率增加的顺序显示。使用辐射光谱测量温度为1500 K，激光功率为35 W。使用x射线平板探测器获得数据。XRD峰对应dhcp-FeHx出现在黄铁矿型FeOOH生长之前。与FeOOH相比，Fe的快速成核速率可能导致dhcp-FeH的亚稳态增长x释放出的氧气可能扩散到压力介质中。

扩展数据图2 FeHx单元格体积(V/Z)由XRD谱图导出，并随室温压力的变化而变化。

填充的圆圈表示dhcp-FeH的体积x它们位于hcp-Fe和dhcp-FeH之间(实线)16．误差条反映了标准差(1σ)由黄金的各种状态方程推导而来。成分估计为FeH0.7在体积比较的基础上。

图3回收运行产物的背散射电子图像。

一个GPa为40,K为1223。b， 40 GPa和1513 K。两种CaCl2在颜色对比中观察到，生成了不同Fe/Al比例的型氢氧根。深灰色和浅灰色矿物分别代表富铝和富铁成分。白色表示Fe2O3.阶段。温度越高，固溶范围越宽，对比度越弱。

图4回收运行产物的XRD谱图。

一个GPa为40,K为1223。b， 40 GPa和1513 K。金胶囊的衍射峰与样品的衍射峰重叠。红色，富铁氢氧根ε-FeOOH;蓝色，富al氢氧根δ-AlOOH。

图5室温条件下ε-FeOOH和δ-AlOOH之间的固溶体体积随FeOOH组分的变化

FeOOH-AlOOH体系固溶范围较宽。

扩展数据表1计算哈伯德U低自旋铁磁FeOOH相随压力变化的参数
全尺寸表
扩展数据表2黄铁矿型FeOOH在300k下的细胞体积实验测定
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理论上确定了黄铁矿型FeOOH和ε-FeOOH在0 K时的细胞体积
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表4 dhcp-FeH的XRD图谱的指数峰x94 GPa, 300k
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表5 Fe的XRD图谱的指数峰2O3.后钙钛矿(a CaIrO3.-type阶段)，在98 GPa和300 K
全尺寸表

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引用本文

Nishi M.， Kuwayama Y.，土屋J.。et al。FeOOH的黄铁矿型高压形式。自然547， 205-208(2017)。https://doi.org/10.1038/nature22823

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