硅酸盐-碳酸盐矿物晶体化学性质及压缩性的研究:Ca5(SiO4)2(CO3),Ca7(SiO4)3(CO3)和Ca5(Si2O7)(CO3)2
摘要
硅酸盐-碳酸盐体系一直是人们研究的热点,它不仅是探索地幔金刚石形成、碳酸盐岩起源的重要体系,而且还与石灰岩的接触变质作用和交代变质作用密切相关.石灰岩经高温变质作用可以形成多种矽卡岩矿物,其中灰硅钙石Ca5(SiO4)2(CO3),galuskinite Ca7(SiO4)3(CO3)和碳硅钙石Ca5(Si2O7)(CO3)2是同时含有硅酸根和碳酸根基团的代表性产物.灰硅钙石通常形成于石灰岩的浅成侵入体中,还可在高温变质岩中赋存,并伴随碳硅钙石的富集。galuskinite是近年在硅酸盐-碳酸盐捕掳体中被发现的,被认为是矽卡岩矿物水硅钙石的退变质产物,并且最终变质为灰硅钙石。本文在总结前人实验研究成果的基础上,用第一性原理方法计算了这三种矿物的晶体化学性质和压缩性特征,并与相关硅酸盐、碳酸盐的结构特点和压缩性进行了对比分析。从成分上讲,灰硅钙石和galuskinite属于正硅酸盐而碳硅钙石属于二矽酸盐,它们的结构与斜硅钙石β-Ca2SiO4(P21/n,Z=4)类似,均是由Ca多面体与Si多面体相互交织形成的层状结构,附加的[CO3]基团相当于“分解者”穿插在Ca-Si“聚合体”中,整体结构均属单斜晶系。通过三阶Birch-Murnaghan状态方程拟合体积-压力关系曲线,得到了三种矿物在常压下的体积(VO)、体弹模量(B0)及其随压力的一阶导数(B0'),灰硅钙石:V0=1003.3(4) .3,B0=71(1)GPa,B0'=5.4(2);galuskinite:V0=1360.3(7).3,B0=75(1)GPa,B0'= 5.4(1);碳硅钙石:V0=1168.9(7).3,B0=70(1) GPa,B0'= 4.0(1)。对比发现,三种矿物的B0值远远小于斜硅钙石, 但却与方解石CaCO3(B0=69.5(2.1)GPa,B0'=4(fixed),Fiquetet al.1994)的相近,较低的B0值表明这类矿物的压缩性较好。在定量分析B0值与[CO3]含量的关系后发现,成分中[CO3]的比例越高,矿物的B0值越低,即压缩性越好,进一步证明[CO3]基团在结构中起“分解者”的作用。在压力的作用下,Ca—O键键长明显缩短而Si多面体和[CO3]基团则显示较强的抵抗能力,表明体积的减小主要取决于Ca多面体的压缩。此外,三种矿物的各向异性也有所不同。在灰硅钙石和galuskinite中,b轴始终是最容易压缩的方向。灰硅钙石的各向异性与压力没有明显依赖关系,且轴角β随压力的增加均匀减小。但galuskinite的轴率b/a和b/c却在~20 GPa时开始变得平缓,表明a轴和c轴的相对压缩量开始增加,而且轴角也在同样的压力下由单调递减变为均匀递增。碳硅钙石的轴率变化更为复杂:在~6 GPa以下时,a轴最容易被压缩,而在6~20GPa之间时,b轴变为压缩量最大的方向,当压力高于~20 GPa时,c轴开始变得容易被压缩;轴角β在~6GPa时由递减变为递增。这些不连续的变化暗示着矿物的压缩机制发生了微小的变化,但是整体结构并未改变。