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摘要
碳酸盐是碳在地球内部的重要载体之一,其在地幔高温高压条件下的晶体化学是理解地球深部碳的赋存状态和循环过程的关键,而结构稳定性和相变是晶体化学最基本的研究内容。碳酸钠(Na2CO3)是一种常见的碱性碳酸盐矿物,在产自地幔过渡带-下地幔的金刚石中已发现含钠的碳酸盐矿物包裹体,这成为碳酸钠能够俯冲进入地幔深部的直接矿物学证据。前人利用拉曼光谱技术研究了Na2CO3在常温常压下的晶格振动模式,但其在高压下的稳定性和结构变化却鲜有报道。利用金刚石压腔装置结合先进的共聚焦拉曼光谱技术,以硅油作为传压介质,在准静水压力条件下,在0.001～27.53 GPa压力区间对Na2CO3粉末在600～1 200 cm-1波段的振动特征进行了细致地分析。本次实验重点分析了[CO3]2-基团振动模式在升压和卸压过程中的行为。结果表明,在0.001～11.88 GPa压力范围内,[CO3]2-基团对称伸缩振动γ1(1 088.06和1 070.76 cm-1)、反对称伸缩振动γ3(865.10和797.50 cm-1)和面内弯曲振动γ4(720.10和696.71 cm-1)都出现了振动峰的分裂。随着压力增加,所有振动峰都向高频率漂移,半高宽也逐渐增加。在13.40 GPa时,Na2CO3发生结构相变,具体表现为690.08 cm-1处出现1条新的拉曼峰,并且随着压力升高该峰的强度逐渐增大。同时反对称伸缩振动峰γ3以及面内弯曲振动峰γ4的强度持续减弱,半高宽也继续变大。这些现象表明Na2CO3结构相变源于[CO3]2-内部晶格变化。当压力卸载到4.18 GPa时,[CO3]2-的振动模式与常温常压下的完全吻合,相变出现的新峰也已经消失,表明该相变是由[CO3]2-基团畸变引起的并且具有可逆性。继续升压至27.53 GPa,拉曼光谱继续蓝移,Na2CO3的拉曼谱线再没有变化,说明高压相在这一压强范围内保持稳定。在整个加压过程中,反对称伸缩振动γ3和面内弯曲振动γ4处的拉曼峰出现强度减弱现象。同时也计算了各个峰频率对压力的依赖系数dγ/dP,结果显示[CO3]2-基团内各个振动模式对压力的响应是不同的,这很可能与C—O键的键长有关。最后,对比发现,对称伸缩振动γ1峰的强度比反对称伸缩振动γ3和面内弯曲振动γ4峰的强度大,并且[CO3]2-基团对称伸缩振动γ1受压力影响相对较小,可以用来区别不同种类的碳酸盐矿物。
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单位中国地震局地震预测研究所; 中国科学院地质与地球物理研究所; 中国工程物理研究院核物理与化学研究所; 中国工程物理研究院流体物理研究所; 岩石圈演化国家重点实验室; 防灾科技学院
