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玲根石
（Lingunite）

一、简述

玲根石是中国科学院广州地球化学研究所的陈鸣博士、德国马普化学研究所的A. El Goresy教授和法国里昂师范学院的P. Gillet教授等在我国江苏省泰县（现泰州市姜堰区）的寺巷口陨石冲击熔脉中发现的一种高压矿物 ^[1] ，它是斜长石相变为锰钡矿结构的高压多形，化学式为（Na，Ca）AlSi ₃ O ₈ 。该新矿物和Lingunite的矿物命名于2004年获得了国际矿物学协会新矿物命名与分类专业委员会的批准（IMA 2004-054），其批准的化学式为NaAlSi ₃ O ₈ 。介绍该新矿物在寺巷口、Tenham和随州L群球粒陨石中产出的论文分别发表在2000年的 Science ^[1] 、 Geophysical Research Letters ^[2] ，以及2001年的 Chinese Science Bulletin ^[3] 等刊物上，而新矿物玲根石的命名介绍于2006年和2007年分别发表在 EPSL 和 International Geology Review 上 ^[4，5] 。玲根石的密度为3.80g/cm ³ ，是原斜长石密度的142%，在相当于离地表400 km以上深度的压力条件下形成，因而它是地球上地幔的重要组成矿物之一。除我国和澳大利亚Tenham外，现已在20多个不同类别陨石和陨石撞击坑中发现玲根石，如Umbarger、Taiban、Novosibirsk、Roosevelt County 106、NWA 757等L群球粒陨石；Y-75100、Y-75267等H群球粒陨石；Gujba碳质球粒陨石；GRV-052082、GRV-052049、GRV-052174、Y-791384、Y-74445、Y-78003、Y-790729等南极陨石；Tissint、Zagami、NWA-856、Shergotty等火星陨石 ^[6] 。此外，在瑞典的Lockne陨石撞击坑中也发现有玲根石产出 ^[7] 。这意味着玲根石这一锰钡矿结构的斜长石高压相矿物，在月球和太阳系的其他星球上也可能存在。

二、产状

玲根石这一斜长石的高压多形，最初是在一块陨落在我国的寺巷口L6型球粒陨石的冲击熔脉中发现的 ^[1] ，它以玲根石+钠长石玻璃共生体颗粒的形式产出，这说明寺巷口陨石熔脉中的斜长石颗粒的高压相变是不完全的。镜下观察发现，大部分玲根石+纳长石玻璃共生体颗粒被粗粒的林伍德石或液态相的镁铁-镁铝榴石（固熔体）+镁方铁矿的基质所包围（图13-1），在较少情况下也可见到硬玉质辉石。随后不久，在随州L6型球粒陨石的冲击熔脉中也发现了不少玲根石的颗粒 ^[3] ，它在冲击熔脉中是粗粒高压矿物组合的主要组成矿物之一。随州陨石熔脉中的玲根石颗粒不含钠长石玻璃之类的硅酸盐玻璃相，因而是自然界发现的第一例玲根石的单相矿物。另外，产自随州陨石熔脉中的玲根石，能分别与林伍德石、镁铁榴石或谢氏超晶石结合在一起，形成由两种高压矿物构成的颗粒 ^[3] 。图13-2展示的是玲根石在著名的Tissint火星陨石中与镁铁榴石密切共生的产状 ^[6] 。

三、物理性质

在扫描电镜下观察，玲根石颗粒为长条形或不规则形，颗粒端面较圆滑，表明局部有溶蚀现象。颗粒表面平滑，未见任何裂隙和解理，粒径为8~25 mm。因颗粒较小，未能测出有关的物理参数。反射光下玲根石呈现深灰色和黑色。根据实测化学组成计算，玲根石的密度为3.80g/cm ^3[1] 。

四、化学成分

使用Cameca SX-51型电子探针进行成分分析，在4个测点上获得随州陨石熔脉中玲根石的平均化学成分为：SiO ₂ ——65.27wt%，TiO ₂ ——0.04wt%，Al ₂ O ₃ ——21.36wt%，FeO——1.08wt%，MnO——0.02wt%，MgO——0.62wt%，CaO——2.22wt%，Na ₂ O——9.14wt%，K ₂ O——0.90wt%，Cr ₂ O ₃ ——0.01wt%，总计100.66wt%。在氧原子数为8的基础上，获得玲根石的经验化学式为（Na _0.78 K _0.07 Ca _0.11 Mg _0.01 Fe _0.04 ） _1.01 Al _1.00 （Si _2.84 Al _0.09 ） _2.93 O ₈ ，简化式为（Na，Ca）AlSi ₃ O ₈ ^[3] 。

五、激光拉曼光谱分析

玲根石的拉曼探针光谱在765cm ⁻¹ 波数显示一个强的特征峰和625cm ^-1 、550cm ^-1 、212cm ⁻¹ 波数显示弱峰（图13-3）。玲根石的拉曼光谱与斜长石差异明显，后者通常在508cm ⁻¹ 显示一个最强峰，在292cm ^-1 和480cm ⁻¹ 显示两个次强峰。拉曼光谱分析证明，产自寺巷口陨石冲击熔脉体内的原斜长石颗粒，不是由单一的玲根石矿物相组成的，它还含有钠长石成分的玻璃相 ^[1] ，而在随州陨石冲击熔脉中的原斜长石颗粒，则已全部相变为玲根石（图13-3） ^[3] 。

从图13-3可知，拉曼光谱是鉴定玲根石的有效测试手段，矿物学家们根据拉曼光谱的研究结果，迄今已在许多不同类型的陨石中发现有玲根石产出。现仅以Tissint火星陨石为例来加以介绍。从图13-4可见，玲根石的特征峰在762~765cm ⁻¹ 波数很明显，628~630cm ⁻¹ 波数也出现了谱峰，只是其强度比寺巷口和随州陨石的要强得多，这主要与样品测定的方位不同有关。

六、粉晶X射线衍射分析

对玲根石的粉晶X射线衍射分析共获得8条强和较强的谱线（图13-5），它们的[ d (Å) ( I / I ₀ ) ]为：2.931 (100)，2.032 (85)，6.55 (65)，4.63 (60)，1.450 (42)，1.732 (37)，2.265 (35)，1.543 (33)。

七、晶体结构

玲根石属四方晶系，具有锰钡矿的晶体结构，该结构由两个共棱八面体连接在一起组成链条，链条沿 c 轴延伸，4个链条通过共角顶形成一条能容纳低电价大半径阳离子的四边形通道。早在1967年，A.Ringwood等人在12 GPa和900 ℃的温压条件下将透长石转变为锰钡矿结构，其中Al离子和Si离子无序地占据着八面体位置 ^[8] 。这是第一个被测定的Al离子和Si离子均为六配位的氧化物结构，也是继斯石英之后的第二个具六配位的氧化物结构矿物。

玲根石的晶胞参数为 a =9.263（6）Å， c =2.706（1）Å， V =232.18（4）Å ³ ， Z =4。计算密度为3.80g/cm ³ 。玲根石晶体结构包含共棱和角顶相连的八面体及十二面体两种位置，Cr ³⁺ 和Al ³⁺ 占据八面体位，Mg ²⁺ 和Fe ²⁺ 占据十二面体位（图13-6）。

玲根石的结构特征表明，地壳中的斜长石在向下俯冲时，可相变为玲根石这一高压相形式存在于地幔过渡带，甚至到达下地幔顶部。由于玲根石相结构中存在可容纳Na、K、Rb、Sr、Ba等大半径阳离子亲石元素的方形通道，当板片俯冲时，这些元素会被该矿物带到地球深部（图13-7）。因此，玲根石的发现为研究地球深部碱性元素行为、迁移过程及载体矿物提供了新的线索 ^[9] 。

八、形成的温压条件

由于陨石冲击脉体经历了冲击波引起的高温高压作用，脉体物质发生了熔融、部分熔融和重结晶。近来的研究表明，陨石冲击脉体中高压矿物组合特征与静态高压熔融实验结果十分相似，因此可以利用陨石高压熔融实验相图来估计陨石冲击脉体的温度压力历史 ^[10] 。

根据刘玲根在1978年用激光加热金刚石压腔的高温高压实验结果，钠长石（NaAlSi ₃ O ₈ ）在2~3 GPa时先分解为硬玉（NaAlSi ₂ O ₆ ）和石英（SiO ₂ ），然后在约1 000 ℃和21~24 GPa的压力区间，硬玉和石英又会结合形成玲根石。当压力再升到高于24 GPa时，玲根石则分解为具有亚铁酸钙（CaFe ₂ O ₄ ）结构的NaAlSiO ₄ 和斯石英 ^[11] 。由此可见，玲根石是在1 000 ℃和21~24 GPa的压力区间，由钠长石经过分解和相变而形成的。

九、矿物命名

玲根石是以国际著名的高压实验矿物学家、澳大利亚国立大学地球科学研究所的澳籍华人学者、台湾“中央研究院”地球科学研究所特聘研究员刘玲根（Liu Lin gun）教授的名字命名的。该新矿物和矿物命名早在2004年就获得国际矿物学协会新矿物命名与分类专业委员会的批准，但玲根石的矿物名称于2006年才首次公开出现在国际期刊上 ^[4] 。

刘玲根（图13-8），地球物理学家，1941年9月27日生于上海，1965年毕业于台湾大学地质系，获学士学位，1969年在美国纽约的罗切斯特大学获得硕士学位，1971年在罗切斯特大学获得博士学位，1970—1974年，在罗切斯特大学任研究助理；1974年3—5月，就职于澳大利亚国立大学地球科学学院，任副教授；1976年6月—1993年1月，在澳大利亚国立大学地球科学学院任教授，从事教学和极端条件下矿物物理学研究。在此期间，他于1976年9月—1977年8月在美国加州理工学院任研究员，随后于1980年9月—1981年2月和1988年9月—1989年12月，先后在美国康奈尔大学地质系和德国波恩大学的矿物研究所任客座教授。从1993年12月起，刘玲根教授被台湾“中央研究院”聘任为特聘研究员，在“中央研究院”下属的地球科学研究所从事科学研究，直到2007年9月在该所退休。

在工作中，刘玲根教授做了大量硅酸盐矿物的高压实验，开创性地完成了很多前人未知的高压相变实验，发现了不少新的高压物相，为了解地球下地幔的物相组成提供了有重要科学价值的实验资料。他在 Nature 、 EPSL 、 GCA 、 Geology Review 、 Geophys. Res. Lett. 、 Phys. Chem. Min. 、 Phys. Earth Planet. Inter. 、 Earth Planet. Sci. Lett. 、 J. Phys. Chem. Solids 、 Contr. Min. Petrol. 等国际重要期刊上发表了155篇有影响力的学术论文。1986年，他还与W. A. Bassett合作出版了《元素、氧化物和硅酸盐：高压相及其在地球深部的应用》英文专著。

1974年，刘玲根教授在 Geophys. Res. Lett. 上发表的《高温高压下由镁铝榴石经相变形成的硅酸盐钙钛矿》论文 ^[12] ，引起了学界的轰动，从此硅酸盐钙钛矿［（Mg，Fe）SiO ₃ ］被公认为是地球下地幔最主要的矿物组成成分。他于1976年在 Nature 上发表的《镁橄榄石的超尖晶石相》论文，首次为下地幔的矿物组成增添了一个重要成员，也为后人在自然界发现超尖晶石相新矿物提供了重要实验依据 ^[13] 。他于1978年在EPSL上发表的《钠长石、硬玉和霞石的相转变》一文，首次提出了钠长石（NaAlSi ₃ O ₈ ）在高温高压下可相变为具锰钡矿结构的NaAlSi ₃ O ₈ ，即后来在寺巷口陨石的冲击熔脉中发现的冲击成因玲根石，玲根石在更高压力下又可分解为具亚铁酸钙结构的霞石（NaAlSiO ₄ ）和斯石英，而霞石可相变为具亚铁酸钙结构的NaAlSiO ₄ ^[11] 。这一实验结果，明确指出了地壳中的钠铝硅酸盐是板块下沉到地幔深处后发生相变的相关产物，其中锰钡矿结构的NaAlSi ₃ O ₈ 是上地幔的物相之一，而亚铁酸钙结构的NaAlSiO ₄ 则被认为是下地幔能稳定存在的重要矿物相。迄今，具锰钡矿结构的NaAlSi ₃ O ₈ 已在我国寺巷口陨石的冲击熔脉中被发现，这就是以刘玲根教授的名字命名的玲根石 ^[1] ，而具亚铁酸钙结构的新矿物FeCr ₂ O ₄ ，也在我国的随州陨石和Tissint火星陨石中被发现，被命名为陈鸣矿 ^[14] 。

1985年11月—1986年3月，刘玲根教授受聘于台湾“中央研究院”地球科学研究所，任客座专家，主持“深震源地震机制”的研究计划，并主持“高压相变及其在地球内部的应用”系列演讲，具体演讲的题目有：“高压物理：技术和应用”“高温高压下H ₂ O对地幔硅酸盐相行为的影响”“相变、地震与下沉的岩石圈”“地核：物理和化学状况”“化学元素在地球内部的径向分布”“对地球成分和成因的现代认识”。

20世纪90年代，刘玲根教授又创新性地开展了不同物相在高温高压下的拉曼光谱研究，先后在国际刊物上发表《E相、A相在不同高温高压下的拉曼光谱》《金刚石中榴辉岩石榴子石包体的拉曼光谱研究》，并通过高压实验，研究了压力对宇宙源核素 ⁷ Be衰变速率的影响。他通过研究提出原始地幔的化学和同位素组成与普通球粒陨石这一主要陨石类型的相对含量相当，而上地幔的矿物组成与地幔岩包体中二辉橄榄岩的矿物组成相关的观点。

进入21世纪后，刘玲根先后又发表了不少新的论文，如2006年在EPSL上发表的《KAlSi ₃ O ₈ NaAlSi ₃ O ₈ 体系在高温高压条件下的相关系及其在玲根石成因上的应用》 ^[4] ，2007年在 International Geology Review 上发表的《长石的高压相转变及对玲根石的进一步表征》 ^[5] ，以及2009年发表在 Physics and Chemistry of Minerals 上的《不同温压下K-玲根石的拉曼光谱研究》等论文 ^[15] 。

2008年，已在台湾“中央研究院”地球科学研究所退休的刘玲根研究员，在该所做了题为“类地行星大气层和海洋的成因和早期演化”的学术演讲。从2008年5月起，位于我国贵州省贵阳市的中国科学院地球化学研究所，分两个阶段聘请刘玲根为特别研究员，聘期合计长达三年。第一阶段为半年，即从2008年10月—2009年4月，第二阶段为两年半，即从2010年5月初—2012年10月底。他在地球化学研究所除从事高温高压实验矿物学研究和做学术演讲外，还协助指导该领域的博士研究生的学位论文。2008年春，刘玲根还应邀到广州地球化学研究所讲学（图13-9）。

参考文献

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