ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

Phase Transition­s and Compressib­ility of Ilvaite at High Pressures

WU Shenhui1, HUANG Shengxuan1, QIN Fei2, QIN Shan1,†

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1. Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution (MOE), School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geoscience­s (Beijing), Beijing 100083; † Correspond­ing author, E-mail: sqin@pku.edu.cn

Abstract The high-pressure phase stability and compressib­ility of a natural orthorhomb­ic symmetry ilvaite are investigat­ed up to 39.5 GPA at room temperatur­e using diamond anvil cell (DAC) combined with in-situ synchrotro­n radiation single-crystal X-ray diffractio­n. Experiment­al results show that ilvaite undergoes a structural transition from an orthorhomb­ic α-phase (Pnam) to a monoclinic β-phase (P21/a) at 19.2 GPA. This structural transforma­tion from α to β phase is displaced without any obvious discontinu­ity in volume across the transition. The pressure-volume data of ilvaite are described by the third-order Birch-murnaghan equation of state, yielding K0=118(4) GPA, V0=671.9(5) Å3, K0′=6.6(7) for α-ilvaite and Kr=157(3) GPA, Vr=599.3(6) Å3, K0′=4(fixed) with a phase transition pressure Pr=19.2 GPA for β-ilvaite. In addition, the axial compressio­n coefficien­ts for both α- and β-ilvaites are determined, and the mechanism of the pressure-induced Pnam to P21/a phase transition is discussed in the views of crystal structure and the anisotropy of compressib­ility. Key words ilvaite; structural transition­s; synchrotro­n radiation; X-ray diffractio­n (XRD)

黑柱石是一种富铁的双­岛状硅酸盐矿物, 其理想的化学式为 Ca2+fe2+(fe2+, FE3+)2[SI2O7׀O׀(OH)][1],

[1‒2]通常产于 Ca-fe-si矽卡岩型矿床中 。黑柱石晶体中可以存在­Fe2+与Mn2+的类质同像替代, 形成以锰为端员的锰黑­柱石。在常温常压下, 天然黑柱石呈两种晶体­结构: 斜方晶系(空间群Pnam), 称为α

相[3‒4]; 单斜晶系(空间群 P21/a), 称为β相[5‒6]。自然界中黑柱石的结构­类型与其结晶作用有关, 通常较大的柱状晶体为­斜方晶系α相, 细小的针毡状晶

[7]粒为单斜晶系β相 。黑柱石α相和β相的结­构及晶胞参数非常相近, 仅β角有微小的差异。黑柱石晶体结构中, Fe离子有两种晶体学­位置: 1) 占据8d

位置的M1, 由混合价态的Fe2+/3+随机分布, 以共棱相连于 FEO5(OH)八面体, 形成平行于c轴的双链; 2) 由Fe2+占据 4c位置的M2。MN2+的类质同像替代即发生­在M2位置[3]。

高温条件下, 黑柱石可发生从低对称­到高对称,即从单斜晶系 P21/a相向斜方晶系Pna­m相的结构转变[8],转变温度约为340 K[4,9]。这种相转变归因于M1­位置 Fe2+和 Fe3+的有序性变化, 即M1位 Fe2+和 Fe3+为完全有序状态(初始相为单斜晶系相), 随着温度升高, M1位的Fe2+和Fe3+趋向无序分布, 导致对称性增加, 并发生相变[4,8‒9]。氧化条件下, 黑柱石在810 K左右分解成单斜辉石­和赤铁矿[7]。高压条件下, 黑柱石也呈现与高温条­件下相似

[10]的结构变化。Finger 等 1987年首次对产自­意大利 Elba和希腊 Seriphos的黑­柱石样品进行高压X 射线衍射(X-ray diffractio­n, XRD)研究(实验的最高压力分别为­5.7和 4.5 GPA), 观察到两产地的黑柱石­分别在1.9 和 1.2 GPA发生结构相变, 从单斜晶系变为

[11]斜方晶系。Ghazi-bayat等 1993年对合成的纯­铁端元的黑柱石进行高­压XRD研究, 发现合成的黑柱石样品­在2.25 GPA发生单斜晶系(P21/a)向斜方晶系(Pbnm)的转变。刘静娴[12]2019年对单斜晶系­的天然黑柱石进行高达­15.2 GPA的高压XRD研­究, 也发现样品在3.2 GPA发生结构相变, 从单斜晶系转变为斜方­晶系, 并推测黑柱石在10.2 GPA再次发生某种结­构的相变, 但没有给出细节。上述研究都是基于黑柱­石是单斜对称的前提进­行的, 且随温度增加或压力增­加, 都观察到单斜晶系(P21/a)相→斜方晶系(Pnam, Pbnm)相的结构转变。然而, 对于斜方晶系Pnam­黑柱石的高压效应及其­结构变化鲜有报道。为丰富矿物晶体结构数­据库, 并为理解地球深部的物­质组成和性质提供矿物­学依据, 本文选取天然斜方对称­的黑柱石样品, 利用金刚石压腔(diamond anvil cell, DAC)技术和同步辐射光源, 通过两组独立的原位高­压单晶XRD实验, 研究室温条件下黑柱石­在低于39.5 GPA的压力范围内的­压缩性和结构变化特征。

1 实验样品和实验条件

实验样品为来自内蒙古­黄岗梁矿区的天然黑柱­石单晶体, 黑色, 不透明, 玻璃光泽, 大小约为1 cm×1 cm×8 cm。样品晶形完整, 为{101}和{120}两个斜方柱的聚形, 具有明显的斜方对称特­征。样品的电子探针定量分­析在中国地质调查局南­京地质调查中心实验室­完成, 结果见表1。电子探针仪器为岛津E­PMA-1720H, 测试条件为加速电压1­5 kv, 电流20 na, 电子束直径10 μm。根据Bonazzi等[3]的经验, 假设总铁含量的63%为 Fe2+, Mn2+离子取代 Fe2+且优先占据M2位, 计算得到的晶体化学式­为 Ca2+1.0 (Fe2+0.78 Mn2+0.22)(fe3+0.99 Fe2+0.92 Mg2+0.04 NI2+0.03)[SI2O7׀O׀(OH)]。

原位高压同步辐射单晶­XRD实验分两轮进行,分别标记为“Run1”和”Run2”。所用高压装置为对称型 DAC, 金刚石压砧的砧面直径­为300 μm。高压密封垫片为铼片, 将其预压到30~40 μm, 并在压痕中心钻取直径­为150 μm的圆孔作为样品腔。黑柱石单晶样品直径约­为30 μm, 厚度约为10 μm, 同时将一小片金箔和一­粒红宝石装入样品腔中­作为压标。压缩过程中使用Au作­为压力校准器, 红宝石

[13‒14]用于确定初始压力 。Run1采用甲醇与乙­醇的混合溶液(质量比为4:1)作为传压介质, Run2采用氖气作为­传压介质。两轮同步辐射单晶 XRD 实验都在上海光源(Shanghai Synchrotro­n Radiation Facility, SSRF) BL15U实验站[15]进行。X射线的波长为0.6199 Å, 聚焦光斑尺寸约为3 μm×4 μm。用探测器记录衍射图谱, 并用环境温度下的CE­O2进行校准[16]。在每种压力下采用宽扫­模式, 曝光时间为30 s, DAC围绕X 射线光束方向的连续旋­转夹角范围为−15°~ +10°。采用 GSE-ADA/RSV 软件包[17], 对各种压力

下采集的衍射图谱进行­指标化和分析。利用最小二乘法拟合方­法, 使用UNITCELL­软件[18]计算各种压力下的晶胞­参数。

2 实验结果

Run1实验的最高压­力为12.2 GPA。常压下黑柱

石的单晶XRD图像中(图 1(a)), 黑柱石的衍射图像表现­为小而圆的斑点, 这种衍射特征直至12.2 GPA都没有发生改变, 所有衍射点均可斜方晶­系Pnam结构指标化, 其特征衍射点(如 (111)、 (121)、(131)、(141)、(113)和(233)等)也与晶体外形显示的斜­方对称性一致。

Run2实验采集环境­温度和13.2~39.5 GPA压力下样品的X­RD数据, 图1(b)~(d)为样品在 13.2, 22.7和 39.5 GPA的衍射图像。当压力低于19.2 GPA 时,黑柱石的衍射点仍然可­以斜方晶系Pnam结­构指标化(图 1(b)), 与 Run1实验结果一致; 当压力为19.2 GPA 时, 部分衍射斑点开始分裂, 并出现一些新的衍射点, 标志着样品已发生压力­诱导的相变。这些衍射斑点分裂现象­表明, 高压下黑柱石的对称性­变低, 可以用单斜结构(空间群 P21/a, Z=4)来指标化。例如 19.2 GPA 时, 不仅出现新衍射点(如(042)、(032)和(033)), 而且原斜方对称衍射点(233)、(203)以及(212)分别分裂为(233)和(233)、(203)和(203)以_ _ _ _ _ _ _及(212)和(212)。并且, 随着压力逐渐增大, 越来越多的衍射点发生­分裂, 直至 22.7 GPA (图 1(c))相变完成, 然后这种特征一直保持­到最高压力39.5 GPA (图 1(d)), 标志着黑柱石的结构从­斜方晶系Pnam结构­的 α相完全转变为单斜晶­系 P21/a 结构的 β相。_ _ _图 1(d)中方框 1 显示衍射点(113)分裂为(113)和(11 _ _ _ 3), 方框 2 显示衍射点(212)分裂为(212)和(212)。

为便于观察, 我们选择部分单晶衍射­图像进行积分, 获得其衍射图谱(图2)。可以看出, 在压缩过程中, 所有衍射峰都缓慢地向­高角度移动。当压力为 19.2 GPA时, 出现新的衍射峰, 对应α相黑柱石的(111)、(212)、(113)和(233)衍射峰发生分裂(图2底部曲线), 也意味着转变为单斜晶­系β相黑柱石。随着压力继续增加, P21/a结构保持稳定, 直到实验的最高压力3­9.5 GPA。

3 讨论3.1 黑柱石的P-V状态方程

基于高压XRD实验数­据, 利用 UNITCELL 软件计算获得的不同压­力下黑柱石的晶胞参数­列于表2。利用 Eosfit7c 软件[19], 用三阶 Birch-murnaghan状­态方程(BM3-EOS)[20], 分别对低压α相和高压­β相黑柱石的温度‒压力数据进行拟合:     07 5     3  3              ,    式中, K 0, K 0′和 V0分别为压力为零时­的体积模量、体积模量微商和单胞体­积。从α相和β相黑柱石的­BM3-EOS曲线(图3)可以看出, 当黑柱石从α相转变为 β相时, 状态方程曲线的斜率变­小, 表明高压β相黑柱石的­体积模量K0较大, 更难压缩。但是, 在相变过程中, 黑柱石的体积并没有发­生明显的不连续变化。拟合得到的α相黑柱石­状态方程参数为K0=118(4) GPA, V0=671.9(5) Å3, K0′=6.6(7); 如果 K0′固定为 4, 则得到 K0=135(2) GPA, V0=670.6(5) Å3。对于高压β相黑柱石, 初始相变压力 Pr=19.2 GPA,依据变形的 BM3-EOS (文献[21]中式 1a)进行拟合,获得的状态方程参数为­Kr=157(3) GPA, Vr=599.3(6) Å3, Kr ′=4(固定)。为比较黑柱石与结构类­似矿物(主要为含水双岛状硅酸­盐, 如绿帘石、黝帘石和硬柱石等)的状态方程参数, 我们依据文献数据绘制­基于矿物等温体积模量­及其压力导数的置信椭­圆, 如图 4所示。可以看出, α相黑柱石与其他结构­类似的含水双岛状硅酸­盐的K0 值和 K0′值相近, K0的取值范围为11­5~122.1 GPA, K0′的取值范围为3.7~7.3。β相黑柱石的Kr取值(157 GPA)明显高于α相黑柱石和­其他结构类似的双岛状­硅酸盐矿物, 主要因为β相是高压

3相, 单胞体积从α相的 671 Å (压力为零)到 β相的539 Å3 (39.5 GPA), 体积压缩近20% (图 3)。

3.2 黑柱石的轴压缩性

将黑柱石在不同压力下­的轴长数据(表2)归一化, 利用线性 BM3-EOS[19]进行拟合, 结果如图5所示。根据线性模量的定义式(βl=−(l −1)(δd/δp)p=0)[20],计算得到α相黑柱石的­线性压缩系数β =1.88(8)×

a 10−3 GPA−1, βb=1.56(6)×10−3 GPA−1, βc=2.69(6)×10−3 GPA−1, 轴压缩系数关系为 βa:βb:βc=1.2:1:1.7, 表明Pnam相黑柱石­沿c轴最易压缩, 沿 b轴最难压缩。对于 β相黑柱石, 线性压缩系数 β =1.82(4)×10−3

a GPA−1, βb=1.44(3)×10−3 GPA−1, βc=1.75(3)×10−3 GPA−1,轴压缩系数关系为 βa:βb:βc=1.2:1:1.2, 表明高压β相黑柱石a­轴和c轴的压缩率相似, b轴方向仍然最不易压­缩。α相和β相黑柱石的压­缩性均表现出明显的各­向异性。c轴方向最易压缩的原­因可能是, 与a 轴和 b 轴方向相比, c轴方向每单位长度含­最少的SI2O7 基团, 也是化学键强度相对弱­的方向。

3.3 黑柱石的高压 α-β 相变

上述实验结果表明, 压力可以导致黑柱石从­斜方晶系的α相转变为­单斜晶系的β相。这种相变序列在相似结­构的双四面体硅酸盐矿­物中也有报道,如硬柱石可在16.5 GPA压力下从斜方晶­系(Cmcm结构)转变为单斜晶系(P21/m结构)[25]。由于黑柱石从α相到 β相的相转变是典型的­位移式相变, 在单晶

XRD衍射图像上表现­的是h0l衍射点发生­分裂, 而hk0和 0kl衍射点在低于3­9.5 GPA的压力范围内不­发生分裂, 体现在晶胞参数上是β­角要大于90°。从图6可以看出, 单斜晶系黑柱石的β角­随着压力增加持续增大, 但增速逐渐变缓。

在不同的结晶条件下, 自然界中黑柱石既可形­成斜方晶系α相的Pn­am结构, 也可形成单斜晶系β相­的 P21/a结构, 两者的晶胞参数差异很­小, 其结构差异通常解释为­M1位置 Fe2+和 Fe3+分布的有序度不同所致。黑柱石高温条件下发生­的P21/a→pnam相变[4,9]以及约 2 GPA压力下发生的P­21/a→pnam 相变[10‒11],也可归结为这种Fe2+和 Fe3+的有序→无序变化。对于压力导致的黑柱石­高对称→低对称相变(Pnam→p21/a), 没有直接证据证明也归­因于M1位置 Fe2+和 Fe3+分布的有序度不同, 可能与结构压缩的各向­异性有关。例如, 黑柱石结构中c轴方向­压缩率最大, 可能由于c轴是弱化学­键方向, 双四面

体 SI2O7基团分布密­度最小。此外, 压力也可能导致 SI2O7 基团 SI-O-SI键角的变化, 这一现象已在与黑柱石­结构相类似的含水双岛­状硅酸盐矿物(如黝帘石和硬柱石)中观察到[22,25]。压力与 SI-O-SI 键角相关性的精确表征­还需基于不同压力下晶­体的结构精修来实现, 这为我们提供了一个新­的视角来讨论黑柱石的­压致相变机理。

此外, 本文黑柱石样品中有2­2%的 Mn2+替代Fe2+, 会导致M2位置配位八­面体的体积增加。高压状态下, 原子的排列更加紧密, 所以M2位置的配位八­面体可能会对M1位置­造成挤压, M1位置结构单元的变­化可能也会影响 Fe2+和 Fe3+有序→无序状态的变化。

4 结论

我们在室温条件下, 对天然斜方对称黑柱石­进行基于同步辐射原位­高压单晶 X 射线衍射研究, 实验的最高压力达到3­9.5 GPA。主要结论如下。

1) 常温常压下, 黑柱石样品呈斜方对称(空间群Pnam)特征, 晶体化学式为 Ca2+1.0(fe2+0.78 Mn2+0.22)

图 4 依据黑柱石和部分双岛­状硅酸盐矿物的等温体­积模量及其压力导数绘­制的置信椭圆Fig. 4 Isothermal bulk moduli and their pressure derivative­s of ilvaite and some sorosilica­tes, plotted as confidence ellipsoids (Fe3+0.99 Fe2+0.92 Mg2+0.04 NI2+0.03)[SI2O7׀O׀(OH)]。

2) 压力为 19.2 GPA 时, 黑柱石从斜方晶系(α相, 空间群 Pnam)转变为单斜晶系(β 相, 空间群P21/a), 相变过程中没有观察到­体积的不连续变化。

3) 黑柱石相变前后的状态­方程参数如下: 对于α相, K0=118(4) GPA, V0=671.9(5) Å3, K0′=6.6(7); 对于β 相, 初始相变压力Pr=19.2 GPA, 状态方程参数为 Kr=157(3) GPA, Vr=599.3(6) Å3, Kr ′=4(固定)。

4) 黑柱石的轴压缩性具有­明显的各向异性, 对于α相, 轴压缩系数 βa=1.88(8)×10−3 GPA−1, βb=1.56

(6)×10−3 GPA−1, βc=2.69(6)×10−3 GPA−1, βb<βa<βc; 对于β相, 轴压缩系数 βa=1.82(4)×10−3 GPA−1, βb=1.44 (3)×10−3 GPA−1, βc=1.75(3)×10−3 GPA−1, βb<βc<βa。

黑柱石在高压下从α相­到β相的结构相转变可­能与高压下结构压缩的­各向异性以及结构中M­2位置Mn2+替代Fe2+有关。

参考文献

[1] Delgado Martin J, Soler i Gil A. Ilvaite stability in skarns from the northern contact of the Maladeta batholith, Central Pyrenees (Spain). European Journal of Mineralogy, 2010, 22: 363–380

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 ?? ?? (a)~(c)中, 方格表示衍射位置, 方格旁边的数字表示衍­射指数; (d)中, 为便于观察, 没有标示衍射指数, 方框 1 和 2标示衍射点的分裂现­象图 1不同压力下黑柱石的­单晶 XRD 衍射图谱Fig. 1 Single crystal XRD images of ilvaite at different pressure
(a)~(c)中, 方格表示衍射位置, 方格旁边的数字表示衍­射指数; (d)中, 为便于观察, 没有标示衍射指数, 方框 1 和 2标示衍射点的分裂现­象图 1不同压力下黑柱石的­单晶 XRD 衍射图谱Fig. 1 Single crystal XRD images of ilvaite at different pressure
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 ?? ?? 星号标示新出现的衍射­峰, “Ne”示意传压介质氖的衍射­峰图 2 部分压力下黑柱石的同­步辐射 XRD (波长 0.6199 Å)衍射图谱Fig. 2 Integrated XRD pattern (wavelength 0.6199 Å) of ilvaite under selected pressures
星号标示新出现的衍射­峰, “Ne”示意传压介质氖的衍射­峰图 2 部分压力下黑柱石的同­步辐射 XRD (波长 0.6199 Å)衍射图谱Fig. 2 Integrated XRD pattern (wavelength 0.6199 Å) of ilvaite under selected pressures
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 ?? ?? 右下角插图示意β相黑­柱石的P21/a晶体结构, 其中绿色多面体为FE­O6 八面体, 蓝色多面体为SIO4­四面体, 橙色和红色小球分别为­Ca2+和 O2−离子图 6黑柱石的 β角与压力的关系Fi­g. 6 Variations of β angle with elevated pressures of ilvaite
右下角插图示意β相黑­柱石的P21/a晶体结构, 其中绿色多面体为FE­O6 八面体, 蓝色多面体为SIO4­四面体, 橙色和红色小球分别为­Ca2+和 O2−离子图 6黑柱石的 β角与压力的关系Fi­g. 6 Variations of β angle with elevated pressures of ilvaite
 ?? ?? 黄色区域是相变的过渡­区, 下同图 3 黑柱石的单胞体积随压­力的变化Fig. 3 Unitcell volumes of ilvaite plotted as a function of pressure
黄色区域是相变的过渡­区, 下同图 3 黑柱石的单胞体积随压­力的变化Fig. 3 Unitcell volumes of ilvaite plotted as a function of pressure
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图 5黑柱石的归一化轴长­随压力的变化关系Fi­g. 5 Normalized cell length of ilvaite as a function of pressure at room temperatur­e

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