含铁无铝地幔硅酸盐钙钛矿中 Fe3+ 的起源
地球与行星天体物理
2016-07-12 v1
摘要
我们利用基于第一性原理计算的热力学模型，研究了与下地幔相关的压力 (P)、温度 (T) 和氧逸度 (fO2) 条件下，无 Al 含铁 Mg-硅酸盐钙钛矿 (Mg-Pv) 中的亚铁 (Fe2+) 和铁 (Fe3+) 浓度。我们考虑了氧化反应和电荷歧化反应，二者均能在 Mg-Pv 中产生 Fe3+。该模型在 Fe3+/{\Sigma}Fe ({\Sigma}Fe = 体系总铁)、自旋跃迁和状态方程方面与现有实验数据定性吻合良好。我们预测，在下地幔条件下，由电荷歧化决定的 Fe3+/{\Sigma}Fe 在无 Al Mg-Pv 中估计为 0.01-0.07，表明在最上部的 pyrolitic 地幔（其中 majoritic 石榴石含有大部分 Al）以及整个下地幔的 harzburgitic 不均一中，低 Al Mg-Pv 含有极少的 Fe3+。我们发现 B 位 Fe3+ 的自旋跃迁导致的体积减小，使得 Mg-Pv 中的 Fe3+/{\Sigma}Fe 在中地幔压力处出现最小值。模型表明构型熵是产生 Fe3+ 的关键驱动力，因此 Fe3+ 含量对温度高度敏感。这种温度敏感性可能导致在核-幔边界区域的暖区（如大型低剪切波速省 (LLSVPs)）中 Mg-Pv 的 Fe3+/{\Sigma}Fe 出现最大值，可能改变不均一体的物理（如体模量）和输运（如热和电导率）性质。
引用
@article{arxiv.1607.02777,
title = {Origin of Fe3+ in Fe-containing, Al-free Mantle Silicate Perovskite},
author = {Shenzhen Xu and Sang-Heon Shim and Dane Morgan},
journal= {arXiv preprint arXiv:1607.02777},
year = {2016}
}