编辑推荐：
本文是关于布里奇曼石（Bdm）相平衡关系的综述。Bdm 是下地幔最丰富的矿物，其相平衡对研究地球内部结构、动力学和演化意义重大。文章介绍了 Bdm 的晶体化学，探讨其在多种体系中的相平衡，分析研究现状并展望未来。
布里奇曼石（Bridgmanite）的重要性
布里奇曼石（Bridgmanite，简称 Bdm）是地球下地幔中最丰富的矿物 ，其理想组成为MgSiO3。下地幔深度从 660 Km 延伸到 2890 Km，压力为 23 - 136 GPa，占地球体积的 56%。Bdm 在不同岩性中都占主导地位，研究它与其他矿物（如铁方镁石（Fper）、戴夫毛石（Dvm）等）的相平衡关系，对理解地幔动力学和演化至关重要。
研究方法
研究 Bdm 相平衡关系主要使用激光加热金刚石压腔（LH - DAC）和多砧压机（MAP） 。LH - DAC 能覆盖 Bdm 整个稳定场，但温度（100 - 400 K）和压力（1 - 5 GPa 或高达 7%）存在较大不确定性，还可能因索雷特效应导致化学不均匀性。MAP 能提供更精确的P?T条件，温度波动通常为 5 K，压力不确定性为 0.05 - 1 GPa，且避免了索雷特效应问题，不过其压力范围历史上局限于 26 GPa，近期才扩展到 52 GPa。
晶体化学
Bdm 具有斜方钙钛矿结构 ，Mg2+和Si4+分别占据 A 和 B 位，周围分别有 8 - 12 个和 6 个O2?。A 位可容纳Mg2+、Fe2+、Fe3+和Al3+等阳离子，B 位可容纳Si4+ 、Al3+和Fe3+等。离子半径影响阳离子在 Bdm 中的占位，例如Mg2+（89 pm）和Ca2+（112 pm）的离子半径差异，使得 Bdm 和 Dvm 结构不同。
由于Mg2+与Si4+、Al3+与Fe3+的价态差异，Bdm 存在多种离子替代机制 ，如形成电荷耦合（CC）组分（如[Al3+]A[Al3+]BO32? ）、氧空位（OV）组分（如[Mg2+]A[Al3+]BO2.52?□0.5 ）和 A 位空位（AV）组分。H+在 Bdm 中的掺入机制目前尚未完全明确，可能是占据 Mg（A - ）位或与Al3+耦合替代 B 位的Si4+。
相平衡关系
- MgSiO3体系：该体系对理解 Bdm 稳定性至关重要 。Bdm 的稳定场受多种转变限制，如在低温低压下转变为秋本石（Aki），高温高压下转变为后钙钛矿（pPv），高温时转变为MgSiO3熔体。Bdm - Aki 边界斜率为负，Bdm - pPv 边界斜率为正，熔点曲线随压力升高而上升，推测存在一个三相点（Bdm - pPv - 熔体）。
- MgO?SiO2体系：在富MgO区域，Bdm 与方镁石（MgO，Per）共存 ，其相边界与 660 - km 地震不连续面相关；在富SiO2区域，Bdm 与斯石英（SiO2，Sti）共存，压力升高时 Sti 会转变为其他二氧化硅相。Bdm + Per 和 Bdm + Sti 的熔化关系表现为一致熔化，且随着压力升高，熔化温度上升，共晶成分偏离MgSiO3组成。
- MgO?Fe2+O?SiO2体系：Fe2+可替代 A 位的Mg2+形成Fe2+SiO3 ，但有最大含量限制（φFe2+SiO2Bdm）。不同研究得到的φFe2+SiO2Bdm数值存在差异，可能与实验温度、样品粒度等因素有关。Bdm 与 Fper 之间的Fe?Mg交换系数（KFe2+?MgBdm?Fper）对理解地幔中 Fe 的分布很重要，但目前对其压力依赖性的理解存在争议。
- MgO?CaO?SiO2体系：Ca 在 Bdm 中的最大含量（φCaSiO3Bdm）对理解下地幔中 Ca 和微量元素的分布至关重要 。在 24 GPa 时，Bdm 和 Dvm 的共晶熔化温度在 2620 - 2700 K 之间，φCaSiO3Bdm很低，限制在 2 mol.%，但更高压力下φCaSiO3Bdm是否能达到 8 mol.% 仍未知。
- MgO?Al2O3?SiO2体系：Al在 Bdm 中的存在形式多样 ，主要以 CC 形式（Al2O3）存在，其最大 CC 含量（φCCAlBdm）随压力和温度升高而增加。Bdm + 刚玉（Crn）的稳定场受石榴石（Gnt）形成的限制，且在 MgO - 富或SiO2 - 贫体系中，Bdm 还含有 OV，其最大 OV 含量（φOVAlBdm）随压力变化，且与共存相有关。
- MgO?Fe23+O3?SiO2体系：Fe3+在 Bdm 中的相平衡关系研究较少 ，其在 Bdm 中的掺入比Al3+更受限。随着Mg/Fe3+比变化，共存相发生改变，Fe3+的 CC 和 OV 含量也随温度和压力变化，且与Al3+的相关含量变化趋势不同。
- MgO?FeAlO3?SiO2体系：由于Fe3+和Al、Mg和Si的离子半径相似 ，Fe3+和Al分别主要占据 A 和 B 位。该体系中 Bdm 的主要组成随温度变化不大，且形成的FeAlO3的最大 CC 分数（φCCFeAlBdm）比φCCAlBdm和φCCFe3+Bdm大得多。
- MgO?FeO?Fe2O3?Al2O3?SiO2体系：这是理解下地幔中 Bdm 化学性质最相关的体系 ，但由于其复杂性和难以控制Fe3+/∑Fe比，研究难度较大。一些研究通过估计氧逸度（fO2）来研究相平衡关系，并定义了不同的交换系数（KFe2+?MgBdm?Fper和K∑Fe?MgBdm?Fper），发现 Bdm 中的Fe3+/∑Fe不为零，且随Al/Si比增加而增加。
- 含H2O体系：确定 Bdm 中的最大H2O含量（φH2OBdm）具有挑战性 ，因为可能存在含水矿物包裹体影响测量结果。在MgSiO3 - Bdm 中，φH2OBdm可能较低，最多 50 wt. ppm；而在含 Fe、Al 的 Bdm 中，φH2OBdm明显高于纯MgSiO3 - Bdm，可能是因为H+与Al3+耦合替代 B 位的Si4+。
展望
精确确定 Bdm 的化学性质至关重要 ，目前的研究方法（LH - DAC 和 MAP）各有局限性。未来研究应致力于提高 LH - DAC 实验的可靠性，扩展 MAP 实验的P?T范围，并利用先进实验技术研究在已知fO2条件下，MgO?FeO?Fe2O3?Al2O3?SiO2体系中 Bdm 与 Fper 共存时的成分随压力的变化。
