下地幔的主要矿物之一的 CaSiO₃钙钛矿与最丰富的布里奇曼石结构成分相近，是否存在混溶的可能以及其潜在地质影响尚未明确。下地幔可能存在的杂质元素对混溶的影响也尚不明确。这些问题的解决有助于厘清下地幔物质结构和属性，对研究地球形成和演化过程提供强有力的限制，是目前地球科学研究中亟待解决的关键科学问题。中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室张飞武研究员带领课题组的博士后Joshua Muir联合英国伦敦大学学院（UCL）Andrew Thomson博士在国际权威期刊《Earth and Planetary Science Letters》上发表了题为 “The miscibility of calcium silicate perovskite and bridgmanite: A single perovskite solid solution in hot, iron-rich regions”的研究成果。

该研究利用理论地球化学分子模拟方法系统研究了高温高压条件下，CaSiO₃钙钛矿与布里奇曼石混溶及下地幔可能存在的杂质元素对两相混溶的影响。同时探究CaSiO₃钙钛矿与布里奇曼石混溶相的地震学影响。研究发现在125 GPa压力条件下，1% Ca溶解到布里奇曼石中需要2042 K；5% Ca溶解到布里奇曼石中需要2588 K；10% Ca溶解到布里奇曼石中需要2675 K；50% Ca溶解到布里奇曼石中则需要2743 K。该研究建立了一个测试其他元素影响CaSiO₃钙钛矿与布里奇曼石的混溶的理论模型，结果表明，足够浓度(>1at.%)的其它元素有利于混溶的发生。这些下地幔可能存在的元素中，二价铁能促进两相混溶，而铝则抑制两相混溶。三价铁高压下可以增加混溶但是低压下却减少混溶。对下地幔矿物组成的模拟表明，玄武岩的岩石将始终保留两种钙钛矿成分，而单一钙钛矿固溶体可能更适合存在于下地幔底部附近的热/或富铁的成分中。同时，研究还表明CaSiO₃钙钛矿-布里奇曼石混溶相固溶体与两个独立的钙钛矿组合相比具有更低的密度(？0.14–0.25%)，S波波速（？1.5–3.5%），P波波速（？0.5–1.2%）以及更高的体波速（+0.00–0.75%）。这一结果与下地幔存在的波速异常区大范围低剪切波速省（LLSVPs）的特征相似。因此大范围低剪切波速省（LLSVPs）具有促进单一钙钛矿相形成的条件。

本研究得到国家自然科学基金面上项目，中国科学院PIFI项目的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.116973

Joshua M.R. Muir, Andrew R.Thomson, Feiwu Zhang, 2021.“The miscibility of calcium silicate perovskite and bridgmanite: A single perovskite solid solution in hot, iron-rich regions”566,116973

图左：计算得到的含有各种杂质元素的地幔岩混合物的混合温度的投影图

图右：计算得到的CaSiO₃钙钛矿-布里奇曼石混溶相与两个钙钛矿组合相比S波、P波和体波波速的变化

（矿床室 张飞武课题组/供稿）