林伍德石（ringwoodite）作為地球地幔過渡帶下部（520-660公裡深度範圍）的主要造岩礦物，其物理-化學性質對構建地球地幔礦物學模型、探讨地球内部主要地震波不連續面成因等有重要意義。此外，林伍德石作為強沖擊變質作用的标志性礦物，也廣泛出現在球粒隕石、月球隕石和火星隕石中，可以有效指示沖擊的溫壓條件、持續時間、沖擊規模等，結合宇宙年代學等資料，可以很好地揭示太陽系的早期演化曆史。林伍德石的重要性引發了科學界的廣泛關注，但由于樣品的稀缺性、結構的不穩定性等特點，至今仍頗多争議。

林伍德石具有典型的尖晶石型結構（spinel structure）。通常來說，尖晶石型礦物中的離子易于發生位置交換，在高溫-高壓條件下能夠達到完全無序狀态。在過去半個多世紀中，林伍德石中離子占位的有序-無序問題一直備受關注，但不論是理論還是實驗研究都表明其能夠達到的無序程度幾乎可以忽略。換言之，到目前為止科學家們還沒有明确地觀察到林伍德石中的無序現象，即六次配位的矽。同為尖晶石結構，為何其有序-無序行為差别如此之大？是否有外在因素的幹擾？已有研究表明，随着溫度-壓力的降低，高溫高壓條件下達到的離子占位無序狀态有可能被快速抹去，結構變得有序。由于林伍德石四面體和八面體的大小相差較大，在溫度-壓力降低過程中，其無序狀态有可能很難保存下來。相對應地，鎂鋁尖晶石中鎂和鋁的離子半徑差别要小一些，高溫高壓下的無序狀态易于保存，因此鎂鋁尖晶石可作為一個研究林伍德石中離子占位無序狀态的重要媒介。另一方面，相關理論研究表明，林伍德石中離子占位的有序-無序程度對其熱膨脹性、體彈模量、剪切模量、地震波波速等物理-化學性質有極大影響；例如，12.5%的矽無序就能降低地震波波速~3-5%。由于林伍德石中離子占位的無序程度可達66.7%，因此，林伍德石中離子占位問題具有重要地學意義，亟待深入研究。

為進一步研究林伍德石中離子占位的有序-無序問題，beat365地球與空間學院的劉曦研究員、碩士研究生劉麗萍等在中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、中國科學技術部國家重點研發計劃項目、中國科學技術部國家科技基礎條件平台項目的支持下，創造性地設計了一系列的高溫高壓實驗，在不同的溫壓條件下（3-6GPa, 1500-1650 ℃）成功合成了不同矽含量的鎂鋁尖晶石。同時把天然的無矽鎂鋁尖晶石及石英、高壓下合成的無矽鎂鋁尖晶石、柯石英、斯石英和鎂橄榄石等設為對照組。拉曼光譜分析揭示：含矽尖晶石中出現了一系列的新峰（~610, 823, 856 和968 cm-1），這些峰與鎂橄榄石中矽氧四面體的峰幾乎完全一緻；在較低的溫壓條件下（≤~3-4 GPa, 1500℃），尖晶石中的矽呈四次配位，而當溫壓升高時（≥~5-6 GPa, 1630-1650℃）矽進入八面體位置，并達到完全無序的狀态。依據含矽鎂鋁尖晶石中矽的無序現象，可推斷出同為尖晶石型結構的林伍德石也極有可能存在類似的矽占位無序情況，隻不過這種矽的高無序狀态在降溫降壓過程中沒有保存下來。

如果地幔過渡帶中的林伍德石呈高度無序狀态，那麼目前流行的上地幔礦物學模型、520及660公裡的地震波不連續面等都需要重新考量。同時，由于林伍德石離子占位的有序-無序程度是溫度-壓力的函數，隕石中林伍德石的有序-無序程度可以反映天體碰撞過程的溫度、壓力、碰撞天體的大小與運行速度，為研究太陽系的早期演化等提供重要約束條件。

圖1 合成含矽尖晶石及對照組拉曼光譜特征

圖2合成含矽尖晶石矽氧四面體拉曼相對峰強變化

以上研究成果受到評審專家的高度評價，并已于2018年5月12号正式發表在國際礦物學新銳雜志Minerals上。該成果受到國際地學界的廣泛關注（通過Minerals網站浏覽的次數已達166次，通過Research Gate網站浏覽的次數已達75次；2018年5月14号數據）。

本研究受中國科學院戰略性先導科技專項（B類）“地球内部過程與表層系統的聯系”（No. XDB 18000000），中國科學技術部國家重點研發計劃項目“燕山期重大地質事件的深部過程與資源效應”（No. 2016YFC0600408），和中國科學技術部國家科技基礎條件平台項目（2013FY110900-3）的資助。

論文信息：

Liping Liu, Xi Liu, XinjianBao, Qiang He, Wei Yan, Yunlu Ma, Mingyue He, Renbiao Tao, RuqiangZou, 2018. Si-disordering in MgAl2O4-spinel at high P-T conditions, with implication to Si-Mg disorder in Mg2SiO4-ringwoodite. Minerals, 8, 210; doi:10.3390/min8050210.

論文鍊接：

http://www.mdpi.com/2075-163X/8/5/210/htm