δ-(Al,Fe)OOH 的高壓相變

王寶云，肖萬生，宋茂雙

（1. 中國科學院廣州地球化學研究所同位素國家重點實驗室，廣東 廣州 510640；2. 中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049；3. 中國科學院廣州地球化學研究所礦物學與成礦學重點實驗室，廣東 廣州 510640；4. 中國科學院深地科學卓越創新中心，廣東 廣州 510640）

俯沖板片中形成的含水礦物被認為是將水輸送到地球內部的潛在載體。這些含水礦物發生脫水反應時會釋放大量的水，可以顯著影響圍巖的物理化學性質，如熔融溫度、流變強度和電導率[1-4]。基于先進的高溫高壓設備，前人研究了不同化學成分的含水巖石體系的相關系和相穩定性，包括俯沖板片中的沉積質層、玄武質層和地幔巖層，識別出多種將水攜帶至俯沖帶不同深度的含水礦物，如云母、蛇紋石、硬柱石和高密度鎂硅酸鹽等[5-7]。在這些含水礦物中， δ-AlOOH 因其寬廣的溫壓穩定域而備受關注。研究表明， δ-AlOOH 可在約140 GPa、2 400 K 的溫壓條件下穩定存在，因此被認為是將水輸運到地球核-幔邊界的潛在載體[8-10]。Suzuki 等[11]首先在21 GPa、1 000 ℃條件下通過Al(OH)3脫水反應合成了 δ-AlOOH。隨后，研究者們基于不同的初始物提出了多種合成途徑，包括硬水鋁石（ α-AlOOH）、相Egg（AlSiO3OH）、含水橄欖巖和含水玄武巖[12-15]。值得注意的是，Wirth 等[16]在超深來源的金剛石中發現了相Egg 的納米包裹體。另外，最近的研究顯示，含鋁的布里奇曼石或硅酸鈣鈣鈦礦會與水發生反應產生貧鋁的布里奇曼石和硅酸鈣鈣鈦礦，析出的鋁與水結合形成δ-AlOOH[17-18]。這些結果進一步暗示在地球內部可能存在δ-AlOOH。

δ-AlOOH 晶體結構屬于正交晶系，具有P21nm空間群[19]。它由沿c軸延伸的共棱AlO6八面體鏈組成，這些鏈由平行于a-b平面的氫鍵（O―H???O）連接，如圖1(a)所示。鑒于δ-AlOOH 在地球深部水循環中的重要意義，其在高壓下的結構行為引起了人們的廣泛關注。通過X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）方法，前人在約10 GPa 壓力處觀察到軸比a/c和b/c對壓力的依賴關系發生了反轉，對應于從P21nm結構到Pnnm結構的相變[20-22]。晶胞體積和壓力數據的狀態方程擬合顯示Pnnm相的體彈模量比P21nm相高約50%，表明相變后晶體變得較難壓縮[22]。通過布里淵散射測量，Mashino 等[23]發現δ-AlOOH 粉末集合體的聲速在結構相變壓力區域內急劇增大。同時，高壓紅外光譜顯示，與氫原子振動相關的振動模式的頻率隨壓力變化的斜率在10 GPa 左右發生了改變[24]，而高壓拉曼散射光譜也出現新的拉曼峰[23]。最近的中子衍射研究[25]進一步表明，該相變與Pnnm結構中的氫原子無序化相關，即氫鍵束縛的相鄰氧原子連線上的兩個對稱的氫位置半滿占據氫原子（見圖1(b)）；另外在18.1 GPa 壓力下，Pnnm結構中發生氫鍵對稱化，此時氫原子位于氫鍵束縛的兩個相鄰氧原子連線的中心位置（見圖1(c)）。有趣的是，前人的XRD 或晶格振動研究并未在氫鍵對稱化壓力附近觀察到晶體壓縮性或光譜特征等異常變化[21-24]。另外，第一性原理計算也被用于研究δ-AlOOH 的結構轉變及其對物理性質的影響。這些理論計算較好地重現了一些主要的實驗現象，如軸比對壓力的斜率在相變附近的反轉、低壓相和高壓相不可壓縮性（體彈模量）的變化以及相變過程中聲速急劇增加等[26-31]。但是，大多數理論計算的氫鍵對稱化壓力（約30 GPa）比實驗值（約18 GPa）高，而且計算中沒有考慮結構演化路徑中氫原子無序Pnnm相的存在，因此一些異常的結構行為被歸因于氫鍵對稱化，這與最近的中子衍射研究所支持的相變機理[25-31]不一致。盡管仍然沒有十分完整的物理模型，但是最近的兩項理論計算表明，當考慮熱和核量子效應時，可以較好地描述δ-AlOOH 中氫原子無序Pnnm相，并得到合理的氫鍵對稱化壓力[32-33]。

圖1 δ相的晶體結構：(a)非對稱氫鍵P21nm 相，(b)氫原子無序Pnnm 相，(c)對稱氫鍵Pnnm 相（大半徑銀色球、中等半徑紅色球和小半徑白色球分別為Al、O 和H 原子）Fig. 1 Crystal structures of δ phase: (a) P21nm phase with asymmetric hydrogen bonds, (b) disordered Pnnm phase, (c) Pnnm phase with symmetric hydrogen bonds (Large silver, medium red and small white spheres represent Al, O and H atoms, respectively.)

研究表明， δ-AlOOH 與ε-FeOOH 能形成固溶體[34]，Liu 等[15]基于含水MORB 通過高溫高壓生成的δ相固溶體也含有摩爾分數為3%的鐵。常溫常壓下，ε-FeOOH 和δ-AlOOH 都具有P21nm結構，另外FeOOH 的低壓相針鐵礦（ α-FeOOH）與AlOOH 的低壓相硬水鋁石（ α-AlOOH）的結構也有對應關系[35]。在約18 GPa， ε-FeOOH 中會出現軸比a/c和b/c壓縮反轉現象，高壓紅外光譜也在對應的壓力范圍內出現與氫原子相關的振動模式頻率隨壓力演變關系的改變，這些特征與δ-AlOOH 類似[36]。盡管沒有中子衍射實驗證據，但是考慮到ε-FeOOH 的高壓相與δ-AlOOH 的高壓相的近似平行關系，可以預測這些反常可能是由P21nm結構到Pnnm結構的相變造成的。進一步在45 GPa 左右， ε-FeOOH 中的Fe3+會由高自旋態轉變成低自旋態（HS-LS），這是一個等結構相變過程，伴隨著10%的體積塌縮[36]。最近的實驗和理論研究表明， ε-FeOOH 會在中下地幔溫壓條件下轉化成黃鐵礦結構的FeO2Hx（x≤ 1），進一步將水攜帶到地球深部[37-38]，而且FeO2Hx（x≤ 1）能在地球內部一定溫壓條件下以超離子態存在[39]。Yuan 等[40]通過實驗研究了δ- ε固溶體的熱穩定性，發現含鐵8%～13%（摩爾分數）的 δ 相也能像純鋁端元一樣穩定存在于下地幔底部，表明含鐵 δ 相對地球內部的水循環具有重要意義。由于地球內部可以賦存鐵元素，且含鐵體系中鐵自旋態的轉變能夠顯著影響體系的物理化學性質，因此研究含鐵 δ 相的高壓行為非常必要。與純鐵和純鋁端元不同，目前關于 δ-AlOOH 與ε-FeOOH 的固溶體的高壓研究相對較少。Ohira 等[41]報道了含鐵5%、12%、13%（摩爾分數）的 δ 相的壓縮性，發現鐵在30～45 GPa 壓力區間會發生自旋轉變，伴隨著約2%的體積減小。Hsieh 等[42]測定了高壓下摩爾分數分別為3%、12%和15%的含鐵 δ 相的熱導率，發現在自旋轉變區域，純鋁端元的熱導率比含鐵 δ 相高約兩倍。Su 等[43]測量了含鐵5%（摩爾分數）的δ相多晶集合體的聲速。

為了進一步研究含鐵 δ相的高壓行為，本研究采用DIA 型6-8 式多面頂大壓機合成摩爾分數為8%的含鐵δ相，結合金剛石壓腔和同步輻射XRD 技術，研究其在常溫高壓下的結構相變，得到各個相的狀態方程參數，結合前人研究，討論δ-(Al,Fe)OOH 體系的鐵含量對相變壓力的影響。

1 實 驗

本研究所用的單晶樣品是在中國科學院廣州地球化學研究所的2 500 t DIA 型6-8 式多面頂大壓機（Sakura）上合成的[15]。將純度為99.9%的Al(OH)3和Fe2O3按照摩爾比18∶1 稱量，然后放入瑪瑙研缽中，加入丙酮混合均勻后研磨。取適量混合物裝入金管，金管兩端用氬弧焊進行焊封。采用14/8 型組裝進行高溫高壓實驗，合成實驗的條件為21 GPa、1 200 ℃，反應時間為20 h。回收的金管內包含紅棕色透明晶體，晶體的最大尺寸可達500 μm。樣品的化學組成和均一性使用中國科學院廣州地球化學研究所的JEOL 8230 型電子探針確定，工作電壓和束流強度分別為15 kV 和10 nA。電子探針結果表明，合成樣品中Fe2O3和Al2O3的質量分數分別為8.9%和75.7%。假定虧損的氧化物質量全部屬于H2O，則計算得到合成樣品的化學式為δ-Fe0.08Al0.92OOH。合成樣品的鐵含量比初始物少，可能是少量鐵進入金管或者流體造成的[44]。常溫常壓拉曼散射光譜（見圖2）和XRD 數據表明，合成樣品與 δ-AlOOH 的晶體結構相同[24]。樣品的晶格常數和晶胞體積分別為：a= 4.748 3(6) ?，b= 4.244 6(1) ?，c= 2.845 0(1) ?，V= 57.34(5) ?3。為便于敘述，本研究記 δ-Fe0.08Al0.92OOH 為δ-Fe8。

圖2 δ-Fe8 的常溫常壓拉曼光譜（豎線標識拉曼峰的頻率，2 000～3 500 cm?1 之間的寬拉曼峰與OH 伸縮振動有關）Fig. 2 Raman spectrum of δ-Fe8 at ambient conditions(The vertical lines denote the measured shifts of each mode, and the broad bands between 2 000 and 3 500 cm?1 are related to OH vibration.)

在常溫高壓實驗中，使用對稱型金剛石壓腔產生壓力，金剛石壓砧的臺面直徑為250 μm。采用厚度為250 μm 的錸片作為墊片，經金剛石對頂砧預壓后，墊片的凹陷厚度約為35 μm。用電火花打孔機在凹陷中心鉆直徑約120 μm 的圓孔作為樣品腔。將晶體雙面拋光成厚度約8 μm 的片狀，挑選合適大小的晶體放入樣品腔中。在樣品附近放一小片厚度約2 μm 的金箔作為壓標[45]，同時放一顆紅寶石球用于充氣體傳壓介質實驗時標定壓力[46]。選擇氖氣作為傳壓介質。角散XRD 數據在美國阿貢國家實驗室的APS 同步輻射光源的13-IDD 線站上收集。X 射線的波長為0.334 4 ?，光斑大小為3～4 μm。探測器為PILATUS3 X CdTe 1M 成像板。樣品與探測器之間的距離和衍射幾何通過標準物質LaB6校正。為了獲得高質量的單晶樣品衍射圖譜，采集圖譜時將金剛石壓腔在（?15°, 15°）角度范圍繞著 ω 軸連續旋轉，每張圖譜的曝光時間為60 或120 s。采集壓標金的圖譜時，在（?1°, 1°）角度范圍內繞著 ω 軸旋轉金剛石壓腔，每張圖譜曝光2 s，以獲得金的衍射環。本實驗的最高壓力約為78 GPa，以2～3 GPa為壓力間隔采集樣品和金的衍射數據。用Diaptos 軟件將獲得的二維衍射圖譜積分成一維衍射圖譜[47]，然后用Labspec 5 擬合各個衍射峰的峰位，用Unitcell 指標化每個壓力下的衍射圖譜從而得到對應的晶胞常數[48]，最后用EosFit-GUI 擬合壓力與晶胞體積的關系（p-V曲線），并獲得體彈模量[49]。

2 結果與分析

圖3 給出了本實驗代表性一維XRD 譜。在高壓下，可以清晰地觀察到δ-Fe8 的5 個衍射峰，衍射峰的半高寬均小于0.1°，具有良好的信噪比。從δ-Fe8 在各個壓力下的XRD 譜中提取了對應的晶格常數（a、b和c）和晶胞體積（V）數據，如表1 所示。圖4 給出了 δ-Fe8 的晶胞體積隨壓力的變化情況（p-V曲線）。從p-V曲線可以看到，δ-Fe8 在0～10 GPa 和30～40 GPa 經歷了兩次晶胞體積快速減小過程，而在其他壓力區間晶胞體積隨壓力的變化比較平緩。根據前人的研究，這些不同的壓力區間對應于不同的鐵自旋態和晶體結構[21,25,36,41]。具體而言，在δ-Fe8 中可以區分出如下4 種可能存在的鐵自旋和晶體結構狀態：(Ⅰ) 鐵高自旋P21nm相，(Ⅱ) 鐵高自旋、氫原子無序Pnnm相，(Ⅲ) 鐵高自旋、對稱氫鍵Pnnm相，(Ⅳ) 鐵低自旋、對稱氫鍵Pnnm相。

表1 δ-Fe8 在不同壓力下的晶格常數Table 1 Lattice parameters for δ-Fe8 at high pressures

圖3 2.5、36.2 和78.4 GPa 下δ-Fe8 的代表性一維XRD積分圖譜（衍射峰標記了對應的米勒指數(hkl)）Fig. 3 Integrated XRD patterns of δ-Fe8 of the collected raw XRD data at 2.5, 36.2 and 78.4 GPa (Indexed diffraction peaks are labeled with (hkl).)

圖4 δ-Fe8 的晶胞體積隨壓力的變化關系（黑色圓點為實驗數據。實線是基于Birch-Murnaghan 狀態方程的分段擬合結果：綠色線條代表鐵高自旋P21nm 相，壓力范圍為常壓至10 GPa；藍色線條代表鐵高自旋氫原子無序和對稱氫鍵Pnnm 相，壓力范圍為10～28 GPa；紅色線條代表鐵低自旋對稱氫鍵Pnnm 相，壓力范圍為45～78 GPa；紫色虛線是用Birch-Murnaghan 狀態方程和Wentzcovitch 等的理論擬合結果，壓力范圍為10～78 GPa。黑色虛線標記相邊界，壓力分別為9.7、31.5 和39.5 GPa。）Fig. 4 Unit-cell volume of δ-Fe8 as function of pressure(Black circles are experimental data. Solid lines are fitting results using Birch-Murnaghan equation of state (B-M EOS)from ambient pressure to 10 GPa (green line, high spin P21nm phase), and from 10 GPa to 28 GPa (blue line, high-spin disordered and symmetric hydrogen-bond Pnnm phase), and from 45 GPa to 78 GPa (red line, low spin and symmetric hydrogen-bond Pnnm phase). The dash purple line represents modeled results using B-M EOS and Wentzcovitch’s theory from 10 GPa to 78 GPa. The vertical dash black lines mark phase boundaries (9.7, 31.5 and 39.5 GPa).)

高壓穆斯堡爾實驗表明[41]，含鐵13%（摩爾分數）的 δ 相鐵的自旋轉變壓力為30～45 GPa，因此在 δ-Fe8 的p-V曲線上，30～40 GPa 壓力區間的體積減小對應于狀態Ⅲ（鐵高自旋、對稱氫鍵Pnnm相）到狀態Ⅳ（鐵低自旋、對稱氫鍵Pnnm相）的轉變。而p-V曲線中在10 GPa 左右表現出的輕微轉折則對應于狀態Ⅰ（鐵高自旋P21nm相）到狀態Ⅱ（鐵高自旋、氫原子無序Pnnm相）的轉變。另外，注意到狀態Ⅱ（鐵高自旋、氫原子無序Pnnm相）到狀態Ⅲ（鐵高自旋、對稱氫鍵Pnnm相）的轉變無明顯p-V曲線異常，與前人關于δ-AlOOH 和含鐵 δ 相的高壓XRD 研究結果類似[25,36,41]。

歸一化晶格常數隨壓力的變化情況見圖5。可以看出，歸一化晶格常數隨壓力的變化均是非線性的。在壓力低于10 GPa 時，c軸比a軸和b軸難壓縮，這是由氫鍵位于a-b面造成的。在10～30 GPa 區間，a軸變成最難壓縮方向，b軸和c軸的壓縮性相當，這種壓縮性的改變與P21nm結構到Pnnm結構的相變和氫原子無序化有關。在自旋轉變區域30～40 GPa，a軸成為最易壓縮方向。當自旋轉變完成之后，a、b、c軸的壓縮性類似。與此同時，a/c和b/c在0～12 GPa 和28～42 GPa壓力區間隨壓力的升高而下降（見圖6），可能分別與P21nm到Pnnm的結構相變和鐵自旋轉變相對應，在其他壓力范圍內，a/c和b/c隨壓力的升高而增大。

圖5 δ-Fe8 歸一化晶格常數隨壓力的變化關系Fig. 5 Normalized lattice constants of δ-Fe8 as function of pressure

圖6 δ-Fe8 的軸比a/c 和b/c 隨壓力的變化關系（實心圓點為實驗數據，黑色線條為示意曲線）Fig. 6 Axial ratios a/c and b/c of δ-Fe8 as function of pressure (Solid circles are experimental data, and the black line is guide to eye.)

采用Birch-Murnaghan 狀態方程分段擬合p-V曲線，得到各個壓力區間對應的自旋結構態的體彈模量（見圖4）。Birch-Murnaghan 狀態方程為[50]

式中：V0和V分別為零壓和常壓晶胞體積，KT0和分別為零壓體彈模量及其對壓力的導數。擬合0～10 GPa 的p-V數據，得到鐵高自旋P21nm相的狀態方程參數：V0= 57.30 ?3（固定），KT0=133(11) GPa，= 4（固定）。前人的研究表明[22,41]，氫原子無序化與氫鍵對稱化之間的轉變不會帶來壓縮性的變化，因此在擬合Pnnm結構的p-V數據時，僅區分鐵的自旋狀態。對于高自旋（HS）態，擬合10～25 GPa 的數據，而對于低自旋（LS）態，擬合45～78 GPa 的數據，擬合結果分別為：V0,HS=56.05(2) ?3，KT0,HS= 212(2) GPa，= 4（固定）；V0,LS= 55.08(3) ?3，KT0,LS= 229(1) GPa，= 4（固定）。可以看出，高自旋到低自旋的轉變伴隨著約2%的體積塌縮。該體積塌縮的幅度與Ohira 等[41]報道的含鐵5%和12%（摩爾分數）體系的體積塌縮幅度相當，低于Thompson 等[36]報道的純鐵端元 ε-FeOOH 中10% 的體積塌縮。另外，鐵高自旋Pnnm結構的零壓體彈模量比不對稱氫鍵P21nm結構高約60%，暗示在氫原子無序化后晶胞的不可壓縮性顯著增強。通過擬合的兩條狀態方程曲線的交叉點，可以確定相變壓力為9.7 GPa（見圖4）。

為了分析自旋轉變區間內的p-V數據，將這一區間的δ-Fe8 當作鐵高自旋和鐵低自旋共存的理想固溶體，則體積V可表示為[51-52]

式中：VHS和VLS分別為高自旋態和低自旋態的晶胞體積，可由擬合得到的狀態方程計算。nLS為δ-Fe8 中低自旋態的分數，由實驗數據按照下式擬合計算[51-52]

式中：T為溫度，ΔGLS?HS為低自旋態與高自旋態吉布斯自由能的差值，b0和b1為溫度相關的常數，pHS和pLS分別為高自旋結束壓力和低自旋開始壓力。在本研究中，通過擬合實驗數據，得到b0= ?1 515 K，b1= 2 382 K，pHS= 39.5 GPa，pLS=31.5 GPa。由擬合結果計算得到的nLS如圖7 所示，將nLS= 0.5 時的壓力定義為自旋轉變壓力，得到34.6 GPa。

圖7 δ-Fe8 中三價鐵的低自旋態分數隨壓力的變化關系（實心圓點為計算結果，黑色線條為示意曲線）Fig. 7 Low-spin fraction of Fe3+ in δ-Fe8 as function of pressure (Solid circles are modeled results,and the black line is guide to eye.)

根據得到的狀態方程和低自旋分數，計算了δ-Fe8 在10～80 GPa 區間的密度 ρ、體彈模量KT和體波速vΦ。體彈模量KT和體波速vΦ的計算公式為[51-52]

式中：KT,LS和KT,HS分別為低自旋態和高自旋態的體彈模量。密度、體彈模量和體波速的計算結果如圖8 所示。可以看到，在自旋轉變區域， δ-Fe8 的體彈模量KT和體波速vΦ表現出軟化行為。另外，δ-Fe8 的體波速在非自旋轉變區域與下地幔礦物新六方富鋁相（NAL 相）[51]、布里奇曼石[53]和硅酸鈣鈣鈦礦[54]相當，顯著高于鐵的摩爾分數為17%的鐵方鎂石[55]，但低于斯石英和CaCl2型的SiO2[56]（如圖9 所示）。因此如果地球內部富集一定數量的δ-Fe8，在其自旋轉變壓力（深度）范圍內，可能造成體波速的局部低速異常，也許有助于解釋某些地區的地震觀測結果[57-59]。

圖8 δ-Fe8 的密度ρ、體彈模量KT 和體波速 vΦ隨壓力的變化關系Fig. 8 Density ( ρ), bulk moduli (KT) and bulk sound velocity ( vΦ) as functions of pressure for δ-Fe8

圖9 δ-Fe8 和典型下地幔礦物在高壓下的體波速 vΦ（Brd：布里奇曼石；Ca-Pv：CaSiO3 鈣鈦礦；NAL：新六方富鋁相；Fp：Mg0.83Fe0.17O 鐵方鎂石；St：斯石英）Fig. 9 Bulk sound velocity ( vΦ) of δ-Fe8 and other typical lower mantle minerals at high pressure (Brd: bridgmanite;Ca-Pv: CaSiO3 perovskite; NAL: new hexagonal aluminous phase; Fp: ferropericlase (Mg0.83Fe0.17O); St: stishovite)

圖10 總結了目前含鐵δ相的結構相變壓力與鐵含量的關系。對于P21nm結構到氫原子無序Pnnm結構這一相轉變，Sano-Furukawa 等[25]報道的 δ-AlOOH 的相變壓力為9 GPa，Thompson 等[36]報道的 ε-FeOOH 的相變壓力為18 GPa，而Ohira等[41]報道的含鐵5%和12%體系的相變壓力均為10 GPa 左右，本研究得到的 δ-Fe8 的相變壓力為9.7 GPa。可以看出， ε-FeOOH 端元的相變壓力遠高于 δ-AlOOH。假定鐵含量xFe=nFe/(nFe+nAl)（nFe和nAl分別為Fe 和Al 的原子數）對相變壓力p的影響是線性的，擬合得到p= 8.8xFe+ 9.2，擬合優度R2= 0.994。另外，對于鐵自旋轉變，Thompson等[36]報道的 ε-FeOOH 的自旋轉變壓力為45 GPa，Ohira 等[41]報道的含鐵5%和12%的δ相的自旋轉變壓力分別為34.9 和36.1 GPa，本研究確定的δ-Fe8的自旋轉變壓力為34.6 GPa。從這些結果可以看出，自旋轉變壓力隨著鐵含量的減少而降低，該現象與鐵方鎂石體系[55]類似。線性擬合得到自旋轉變壓力與鐵含量的函數關系為：p= 10.7xFe+ 34.3，擬合優度R2= 0.988。為了更加精確地限定鐵含量對自旋轉變壓力和彈性模量等物理性質的影響，對于含鐵量更高的 δ相，有待繼續開展深入研究。另外，前人的研究表明， δ-(Al,Fe)OOH 還能容納一定數量的Mg 和Si 元素[40]，與含水相H 形成三端元固溶體，目前仍然不清楚Mg 和Si 的摻入將如何影響 δ相的壓縮性質，因此δ- ε-H 三端元固溶體也需要進一步研究。

圖10 δ-(Al,Fe)OOH 中有序不對稱氫鍵P21nm 結構到無序對稱氫鍵Pnnm 結構的相轉變壓力與鐵含量的關系(a)和三價鐵自旋態轉變壓力與鐵含量的關系(b)Fig. 10 Transition pressures of (a) ordered P21nm phase with asymmetric hydrogen bonds to disordered Pnnm phase with symmetric hydrogen bonds and (b) high-low spin of Fe (Ⅲ) as a function of FeOOH content in δ-(Al,Fe)OOH

3 結 論

δ-(Al,Fe)OOH 可以在地球核幔邊界條件下穩定存在，是目前發現的能夠俯沖最深的含水礦物，因此它對地球深部水循環具有重要意義。本研究采用金剛石壓腔和同步輻射X 射線衍射技術，研究了含鐵8%的δ相（ δ-Fe8）在0～78 GPa 壓力范圍內的壓縮行為。根據獲得的p-V曲線和前人研究結果，確認了δ-Fe8 在9.7 GPa 從P21nm結構相變成為Pnnm結構，軸比a/c和b/c隨壓力變化的斜率在相變前后發生反轉，該相變伴隨著氫原子從有序到無序的轉變。采用Birch-Murnaghan 狀態方程擬合p-V數據，得到P21nm相的狀態方程參數：V0= 57.3 ?3（固定），KT0= 133(11) GPa，= 4（固定）。δ-Fe8 在31.5～39.5 GPa壓力區間進一步發生鐵的自旋態轉變，伴隨約2%的晶胞體積塌縮，但沒有發生晶體結構的改變。分段擬合高自旋態和低自旋態結構相的p-V數據，得到狀態方程參數：V0,HS= 56.05(2) ?3,KT0,HS= 212(2) GPa，KT′0,HS= 4（固定）；V0,LS= 55.08(3) ?3，KT0,LS= 229(1) GPa，= 4（固定）。將自旋過渡區域的δ-Fe8 作為鐵高自旋和鐵低自旋共存的理想固溶體，通過計算發現體彈模量KT和體波速vΦ在自旋轉變區域表現出軟化行為，這可為在某些地區觀察到的中下地幔地震波體波低速異常提供一種可能的成因解釋。結合前人關于δ-(Al,Fe)OOH 的壓縮實驗研究結果，得到了δ-(Al,Fe)OOH 體系的相變壓力與鐵含量的線性關系式。

感謝美國阿貢國家實驗室APS 同步輻射光源提供光束時間，本研究的角散X 射線衍射實驗是在13-IDD 線站完成的。