本研究由Jennifer M. Jackson（通讯作者）、Emily A. Hamecher和Wolfgang Sturhahn合作完成，作者单位包括加州理工学院地质与行星科学系（Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology）和阿贡国家实验室先进光子源（Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory）。研究成果发表于《European Journal of Mineralogy》2009年第21卷，标题为《Nuclear resonant X-ray spectroscopy of (Mg,Fe)SiO₃ orthoenstatites》。
学术背景
该研究属于高压矿物物理学领域，聚焦地球上部地幔代表性组分——斜方辉石（orthoenstatite）的核共振X射线光谱分析。地震波速是解析地球内部化学与热力学性质的关键参数，但传统声速测量方法（如布里渊散射、超声波干涉等）在极端条件下存在局限性。核共振非弹性X射线散射（Nuclear Resonant Inelastic X-ray Scattering, NRIXS）和同步辐射穆斯堡尔谱（Synchrotron Mössbauer Spectroscopy, SMS）技术可突破这些限制，直接获取铁原子局域振动信息及超精细结构参数。研究目标包括：（1）通过NRIXS测定斜方辉石的声速及部分声子态密度（Partial Phonon Density of States, PDOS）；（2）结合SMS解析铁位点的电子环境；（3）验证NRIXS在低对称性矿物研究中的适用性。
研究流程
样品制备
- 研究对象：合成了三种不同铁含量的斜方辉石粉末样品（Mg,⁵⁷Fe）SiO₃，铁含量分别为20%、13%和7% FeSiO₃（摩尔分数）。
- 合成方法：采用活塞圆筒装置（1.5 GPa, 1000°C, 48小时）制备，原料为⁵⁷Fe₂O₃（95%富集）、SiO₂和MgO。通过X射线衍射（XRD）和电子探针（EMPA）验证样品纯度和结构（空间群Pbca）。
NRIXS实验
- 实验条件：在阿贡国家实验室APS光源3-ID-B线站完成，室温常压。
- 技术细节：使用多重晶体布拉格反射单色器（带宽1 meV）和Kirkpatrick-Baez聚焦系统（光斑6×6 μm²）。能量扫描范围±80 meV至+100 meV（步长0.25 meV），以⁵⁷Fe核共振能量14.4125 keV为中心。
- 数据分析：通过傅里叶变换自散射中间函数提取PDOS，采用准谐模型计算德拜声速（vd），并结合已知密度（ρ）和体弹模量（Ks）推导纵波（vp）、横波速度（vs）及剪切模量（μ）。
SMS与常规穆斯堡尔谱
- 实验设计：对Fe含量13%的样品（Mg₀.₈₇⁵⁷Fe₀.₁₃）SiO₃进行SMS测试，辅以常规穆斯堡尔谱（Co(Rh)源）验证。
- 参数提取：通过CONUSS软件拟合时间谱，获得四极矩分裂（QS）和同质异能移（IS），解析铁位点占位及自旋态。
主要结果
声速与弹性参数
- NRIXS测定的德拜声速（vd≈5.08–5.12 km/s）与布里渊散射和超声波结果一致（误差%）。
- 铁含量对声速影响不显著，但PDOS高频区（>10 meV）随铁含量增加而软化，导致平均力常数（d）从195 N/m（7% Fe）降至165 N/m（20% Fe）。
热力学参数
- 从PDOS推导出振动比热（Cv≈2.74–2.77 kB/atom）、Lamb-Mössbauer因子（flm≈0.709–0.730）等参数，表明铁原子振动熵（Svib）随铁含量增加而升高。
铁位点解析
- SMS揭示斜方辉石中存在两个铁位点：主要位点（M2，93% Fe²⁺，QS=2.22 mm/s，IS=1.15 mm/s）和次要位点（M1，7% Fe²⁺，QS=2.46 mm/s，IS=1.19 mm/s），与常规穆斯堡尔谱结果高度吻合。
结论与价值
科学意义
- 证实NRIXS可精确测定低对称性矿物的声速及局域振动特性，为地球深部物质建模提供关键热力学数据。
- 铁在M1/M2位点的占位偏好与晶体场理论一致，支持斜方辉石在地幔中的化学稳定性解释。
方法创新
- 首次将NRIXS应用于低铁含量（<20%）斜方辉石，拓展了该技术在地球科学中的应用范围。
- 结合SMS与常规穆斯堡尔谱，建立了铁超精细参数的多方法验证框架。
研究亮点
- 跨尺度关联：将原子尺度振动（PDOS）与宏观弹性（vp/vs）直接关联， bridging微观-宏观性质鸿沟。
- 极端条件适应性：NRIXS技术为后续高压/高温实验奠定基础，尤其适用于金刚石压砧等微小样品场景。
- 数据开放性：公开PDOS原始数据（图3）及拟合代码（CONUSS），促进同行验证与应用。
其他价值
研究指出，PDOS的高能区变化可能影响铁同位素分馏系数（β因子）的计算，为后续同位素地球化学研究提供新思路。此外，M1位点铁占比（7%）低于传统认知（~15%），暗示斜方辉石固溶体可能存在成分-占位非线性关系，需进一步实验验证。