尖晶石综述

研究现状：MgAl2O4尖晶石作为上地幔的重要组成部分，因此它在地球物理学的研究中占有重要的地位，也是许多理论和实验研究的热点题目. 1915年Bragg [1]指出尖晶石MgAl2O4的群结构为Fd3m，1969年Reid和Ringwood [2]预测MgAl2O4的后尖晶石相结构应该类似于CaFe2O4- 或者CaMn2O4-. Grimes [3, 4]在1971年和1973年通过实验验证认为MgAl2O4的群结构应该为F4-3m. Liu[5]在1975年利用利用金刚石压腔通过持续加热观测到MgAl2O4在18GPa，温度为1000~1400 ℃分解为MgO和Al2O3. Rouse et al [6]在1976年利用中子衍射验证MgAl2O4的群结构为Fd3m. 而在1977年Mishra和Thomas [7] 指出一种新的低温低对称性的晶体相F4-3m-MgAl2O4在450 ℃左右转变为Fd3m- MgAl2O4. Liu [8]又在1978年利用金刚石压腔通过持续加热到1000 ℃，压腔达到25 GPa时观测到MgAl2O4转变成另一种密度更大的ε相尖晶石. Schafer et al [9]在1983年.通过电子发射显微镜(TEM)观测MgAl2O4在25.5 GPa和50 GPa下的冲击回收实验的样品，得出回收产物很可能不是ε相尖晶石. Irifune et al [10]在1991年通过实验得出在25 GPa下MgAl2O4转变成一种新的密度更大的高压相(钙铁型结构). Catti et al [11]在1994年利用DFT-LDA方法计算得出在0 K条件下尖晶石加压为11 GPa分解为MgO和Al2O3. 1994年Irifune et al [12]和Kesson et al [13]以及2001年Ono et al[14] 指出CaFe2O4-MgAl2O4是较深层地幔的重要组成部分.1997年Kruger et al[15] 利用静态X射线衍射观测金刚石腔中的尖晶石样品发现在0~65 GPa下尖晶石结构并没有发生变化.1998年Funamori et al [16]利用X衍射和电子发射显微镜观测金刚石腔中的尖晶石样品得出尖晶石首先分解分解为MgO和Al2O3，再转变为CaFe2O4-MgAl2O4，最后在转变为CaTi2O4- MgAl2O4. 1999年Akaogi et al [17]通过高温高下下的实验得出MgAl2O4在15~16 GPa，温度为1200 ℃分解为MgO 和Al2O3, 在温度为1600 ℃压强为26.5 GPa时混合物又转变成CaFe2O4-MgAl2O4，而且得出了MgAl2O4分解的临界线方程P (GPa)=12.3+0.0023T (°C). 2001年Catti [18] 通过DFT-LDA和DFT-B3LYP两种方法预测出Cmcm-MgAl2O4即CaTi2O4- MgAl2O4的形成分别在39 GPa和57 GPa. 2002年Irifune et al [19] 利用同步衍射和金刚石对砧方法研究了在温度高达1600 ℃，压强在22-38 GPa条件下MgAl2O4的相变，得出在25 GPa时MgAl2O4分解为MgO和Al2O3，在更高温度下，压强下相应的氧化物混合物转化为钙铁型结构的尖晶石.而之前的ε相和钙钛型尖晶石结构并没有出现. 2002年Gracia et al [20] 通过研究65GPa下立方尖晶石MgAl2O4和另外两种高压相的状态方程以及相图得出相应的氧化物(Mg+Al2O3), 钙铁相，钙钛相分别在15 GPa, 35 GPa和62 GPa比立方尖晶石MgAl2O4更加稳定. 2003年Sekine et al [21] .通过扫描电子显微镜观测冲击波下的MgAl2O4变化，认为在超过130 GPa时MgAl2O4可能转变为CaTi2O4-MgAl2O4. Ono et al [22]在2005年指出CaTi2O4-MgAl2O4认为在压强超过120 GPa时才能形成. 2006年Wdowik et al [23] 通过密度泛函理论局域密度近似(DFT-LDA)研究了MgAl2O4在30 GPa下的弹性性质以及其他高压性质。

得出尖晶石体弹模量为202.18GPa体积压缩率可以表示为各多面体压缩率的代数和，而且得出尖晶石在14GPa时分解为MgO和Al2O3. 2006年Ono et al [24] 通过激光加热金刚石腔和同步X射线衍射发现CaTi2O4- MgAl2O4在45~117 GPa时能够稳定存在，而且在40~45 GPa时发现了ε相尖晶石. 2008年Ono et al [25] 指出MgAl2O4→MgO+Al2O3→CaFe2O4-MgAl2O4→CaTi2O4-MgAl2O4的相变压分别为13.7 GPa,45 GPa, 68 GPa. Zhang et al [26]在2008年指出MgAl2O4→MgO+Al2O3→CaFe2O4-MgAl2O4的相变压分别为12 GPa, 27 GPa, 但他同时指出CaTi2O4-MgAl2O4可能在超过100 GPa时才能稳定存在. Yin et al [27]在2009年阐述了CaFe2O4-MgAl2O4→CaTi2O4-MgAl2O4的相变压为50 GPa. Eomoto et al [28]在2009年通过高压试验得出MgO和Al2O3的混合物在26-27 GPa和1400-2000 ℃时转变成CaFe2O4-MgAl2O4,而当温度超过2000 ℃，压强低于25.5 GPa时，生成另一种新的相Mg2Al2O5. Kojitani et al [29]在2010年利用高压设备实验指出MgAl2O4在温度超过2100 ℃,压强为20 GPa时直接转化为Mg2Al2O5，并且这种新相在压强为20到25 GPa，温度超过2000 ℃时能够稳定存在.调研文献：[1] Bragg W H. The structure of magnetite and the spinels. Nature 95 (1915) 561-562.[2] Reid AF, Ringwood AE. (1969) Newly observed high-pressure transformations in Mn3O4, CaAl2O4, and ZrSiO4. Earth Planer Sci Lett 6,3:205-208.[3] Grimes N W 1971 Structural distortions in MgCr2O4. J. Phys. C: Solid st. Phys. 4 (16): L342-344.[4] Grimes N W 1973 Antiferroelectricity among compounds with spinel structure? J. Phys. C:Solid st. Phys. 6 (5): L78-L79[5] Liu LG (1975) Disproportionation of MgAl2O4spinel at high pressures and temperatures. Geophys Res Lett (Geophysical Research Letters) vol 2, 1: 9-11.[6] Rouse K D, Thomas M W, Wills B T M, Space group of the spinel structure: A neutron diffraction study of MgAl2O4. J. Phys. C: Solid State Phys (Journal of Physics C: Solid State Physics), vol.9, 9 (1976): L231-L233.[7] R K Mishra, G Thomas. Structural phase transition in the spinel MgAl2O4. Acta. Cryst. (1977). A33(4): 678-678.[8] Liu LG (1978) A new high-pressure phase of spinel. Earth Planet Sci Lett (Earth and Planetary Science Letters) vol41, 4: 398-404.[9] Schafer H, Muller WF, Hornemann U (1983) Shock effects in MgAl2O4-spinel. Phys Chem Miner vol9, 6: 248-252.[10] Irifune T, Fujino K, Ohtani E, 1991, A new high-pressure form of MgAl2O4. Nature349: 409-411[11] M. Catti, G. Valerio, R. Dovesi, M. Causa, Phy. Rev. B49,20, (1994)14179-14187. Quantum-mechanical calculation of the solid-sate equilibrium MgO+α-Al2O3→MgAl2O4 (spinel) versus pressure.[12] Irifune T, Ringwood AE, Hibberson WO(1994) Subduction of continental crust and terrigenous and pelagic sediments: an experiment study. Earth Planet Sci Lett 126, 4: 351-368. [13] Kesson SE, FitzGerald JD, Shelley JM (1994) Mineral chemistry and density of subducted basaltic crust at lower-mantle pressures. Nature 372: 767-769.[14] Ono S, Ito E, Katsura T (2001) Mineralogy of subducted basaltic crust (MORB) from 25 to 37 GPa, and chemical heterogeneity of the lower mantle. Earth Planet Sci Lett 190: 57-63. [15] M. B. Kruger, J. H. Nguyen, W. Caldwell and R. Jeanloz. Equation of state of MgAl2O4 spinel to 65 GPa. 1997, Phys. Rev. B56, 1,1-4.[16] Funamori N, Jeanloz R, Nguyen JH, Kavner A, Caldwell W A, Fujino K, Miyajima N, Shinmer T, Tomioka N (1998) High-pressure transformations in MgAl2O4. J Geophys Res (Jornal of Geophusical Research) 103, B9: 20813-20818.[17] Akaogi M, Hamada Y, Suzuki T, Kobayashi M, Okada M (1999) High-pressure transitions in the system MgAl2O4-CaAl2O4: a new hexagonal aluminous phase with implication for the lower mantle. Phys Earth Planet Inter (Physics of the Earth and Planetary Interiors) 115, 1: 67-77. [18] Catti M (2001) High-pressure stability, structure and compressibility of Cmcm-MgAl2O4: an ab initio study. Phys Chem Miner vol28, 10: 729-736.[19] T. Irifune, H. Naka, T. Sanehira, T. Inoue, K. Funakoshi In situ X-ray observations of phase transitions in MgAl2O4 spinel to 40 GPa using multianvil apparatus with sintered diamond anvils. Phy. Chem. Minerals (2002) 29(10):645-654.[20] L. Gracia, A. Beltran, J. Aandres, R. Franco, J.M. Recio, Phys. Rev. B66, 22, (2002)224114-224120. Quantum-mechanical simulation of MgAl2O4 under high pressure. [21]. T Sekine, X Li, T Kobayashi, Y Yamashita, P Patel, J W McCauley. Aluminum oxynitride at pressures up to 180 GPa. J. Appl. Phys. 94(8), (2003): 4803-4806.[22] Ono S, Ohishi Y, Isshiki M, Watanuki T (2005) In situ X-ray observations of phase assemblages in peridotite and basalt compositions at lower mantle conditions: implication for density of subducted oceanic plate. J Geophys Res 110: B02208[23] 2006. Journal of Physics and Chemistry of Solids 67 (2006) 1477-1483. Elastic propertiesand high-pressure behavior of MgAl2O4 from ab initio calculations. U.D. Wdowik, K. Parlinski, and A. Siegel.[24] S. Ono, T. Kikegawa, Y. Ohishi, The stability and compressibility of MgAl2O4 high-pressure polymorphs. Phys Chem Minerals (2006) 33, 3: 200-206.[25] Ono S, Brodholt JP, Price GD. First-principles simulation of high-pressure polymorphs in MgAl2O4. Phys Chem Miner (2008), 35(7):381-386[26] First-principle Simulation of Magnesium-aluminum Spinel (MgAl2O4) Zhang W, Seagle C T, Zhou H, Heinz D L. American Geophysical Union, Fall Meeting 2008.[27] First principles study on phase relations of MgAl2O4 spinel polymorphs at mantle conditions. Yin K, Zhou H, Xu S. American Geophysical Union, Falling Meeting 2009[28] A Eomoto, H Kojitani, M Akaogi, H Miura, H Yusa. High-pressure transitions in MgAl2O4 and a new high-pressure phase of Mg2Al2O5. Journal of Solid State Chemistry. 182, 2(2009): 389-395.[29] H Kojitani, A Eomotw, S Tsukamoto, M Akaogi, H Miura, H Yusa. High-pressure high-temperature phase relations in MgAl2O4. Journal of Physics: Conference Series (J. Phys.: Conf. Ser.) 2010, 215(1): 012098.。