西藏罗布莎蛇绿岩中发现新矿物毛吉米石(Ti10Fe3O3)和保罗鲁滨逊石(Ti8Fe4O2)：超高压条件下钛-铁-氧体系矿物学突破

《Mineralogical Magazine》：Maurogemmiite, Ti10 Fe3 O3 and paulrobinsonite, Ti8 Fe4 O2 : new minerals in a coesite-bearing fragment from the Luobosa ophiolite, Tibet, China

本刊推荐一项关于超高压矿物学的重要发现。为解决深地幔矿物形成机制难题，研究团队对西藏罗布莎蛇绿岩铬铁矿中微米级包体开展多尺度分析，首次发现天然κ-相毛吉米石(Ti10Fe3O3)和η-相保罗鲁滨逊石(Ti8Fe4O2)两种新矿物。通过三维电子衍射(3DED)解析出P63/mmc和Fdˉ3m空间群结构，揭示其作为轻元素储库的特殊能力，为地幔-地壳物质循环提供直接证据。

　　

在地球深部，什么样的矿物能够承受极端高温高压环境？这些矿物又隐藏着哪些关于地幔-地壳物质循环的秘密？长期以来，科学家们一直在寻找这些问题的答案。西藏罗布莎蛇绿岩中的铬铁矿矿床，就像一座保存完好的"矿物博物馆"，其中蕴含的微米级包体可能携带着来自地幔深处的信息。然而，由于样品极其微小且矿物组成复杂，传统分析方法难以揭示其庐山真面目。

在这项发表于《Mineralogical Magazine》的研究中，科学家们对一个仅0.45×0.8毫米的包体样本M11843展开了精细研究。这个微小样本具有明显的环带结构：中心是钛铁合金核，中间是α-钛内缘，外围则是柯石英(coesite)、凯亚石(kyanite)和无定形钛铝硅酸盐组成的外缘。这种独特的组合暗示了其可能经历了复杂的地质过程。

研究人员采用聚焦离子束(FIB)技术制备了厚度约25-30纳米的透射电镜薄膜，结合无标样能谱分析(EDS)和三维电子衍射(3DED)技术，在200千伏加速电压下收集了92°倾斜范围内的衍射数据。通过动态衍射理论和布洛赫波形式alism进行结构解析，首次确定了两种新矿物的晶体结构和化学成分。

矿物命名与特征

毛吉米石(maurogemmiite)以电子晶体学专家Mauro Gemmi的名字命名，理想化学式为Ti₁₀Fe₃O₃。实际化学成分经标准化后为Al_0.07Si_0.51Ti₁₀Fe_3.23Ni_0.11O_2.91，计算密度为5.355 g/cm³。该矿物属于六方晶系，空间群为P6₃/mmc，晶胞参数a=8.065(1) ?，c=8.015(3) ?。

保罗鲁滨逊石(paulrobinsonite)以荣誉教授Paul Thornton Robinson的名字命名，理想化学式为Ti₈Fe₄O₂。实际化学成分为Al_0.07Si_0.44Ti₈Fe_4.33Ni_0.23O_1.58，计算密度6.095 g/cm³。该矿物为立方晶系，空间群Fd^ˉ3m，晶胞参数a=11.388(4) ?。

结构解析突破

三维电子衍射数据显示，毛吉米石的结构是一个紧凑的框架，Ti1、Ti3和Fe1配位数为12，Ti2配位数为13。Ti2和Ti3显示出广泛的原子间距范围，导致间隙位置主要被O占据，部分被非化学计量的Fe占据。

保罗鲁滨逊石的结构中，Ti1和Fe1配位数为12，Ti2配位数为14，其余Fe和所有O原子占据间隙位置，与Ti2形成近乎规则的八面体配位。两种矿物中的O位点都被六个Ti原子包围，形成近乎规则的八面体，这些八面体通过面共享相互连接，形成了连续的三维框架。

成因机制探讨

研究人员通过对比冶金学文献发现，样品M11843的合金核与Ence和Margolin(1956)报道的"铸态"合金(32.6 at.% Fe, 6.1 at.% O, 61.3 at.% Ti)的微观结构惊人相似。这表明该包体可能经历了类似的凝固路径：首先从富钛液体中结晶出α-钛边缘，随后通过包晶反应沉淀出毛吉米石，然后毛吉米石与液体反应沉淀出保罗鲁滨逊石，最后通过共晶转变沉淀出旺西宾石(wangxibinite)和"奥斯本尼石"(osbornite)。

地质意义重大

这项研究最具突破性的发现是，这两种新矿物是自然界中首次发现的合成κ-相和η-相的类似物。κ-相是一种六方化合物，其结构中可以容纳O、C、Si等其他成分，以及Fe、Co、Ni，占据间隙位置。η-相类似，但宿主晶格的对称性为立方对称。这两种相都因其能够为多种元素(包括间隙位置的氧等挥发性元素)占据不同位点提供晶体学约束而受到详细研究。

特别重要的是，Ti-Fe-O体系中的η-相因其储氢能力而受到特别关注。这意味着新发现的矿物可能在地幔的氢循环中扮演重要角色。此外，外缘中"奥斯本尼石"的氮同位素具有地幔特征，而硅酸盐矿物组合则具有沉积岩在超高压下变质的特征，表明硅酸盐外缘和合金核可能分别具有地壳和地幔起源，在相对较晚的地质历史时期才被结合在一起。

该研究不仅报道了两种新矿物，更重要的是提供了关于地幔-地壳相互作用的重要证据。包体中不兼容的矿物组合并列出现，表明柯石英-凯亚石外缘和α-钛内缘及合金核在各自历史中相对较晚才接触。 juxtaposition期间仅允许有限的Si和Ti交换，而氮的交换更为显著，这为理解地壳物质与地幔的相互作用提供了独特窗口。

毛吉米石和保罗鲁滨逊石的发现，丰富了我们对地球深部矿物多样性的认识，为研究超高压条件下钛-铁-氧体系的相平衡提供了天然样本，对理解地幔物质组成和深部地质过程具有重要意义。这些微米级矿物犹如地质"时间胶囊"，保存了地球深部极端环境的重要信息，为探索地幔-地壳物质循环打开了新的窗口。