Ni,Co,Zn,Ti,Cr和V是与Fe处于同一周期的过渡金属元素。它们是地幔矿物中的重要微量元素,对地幔的化学演化过程有重要的指示作用。前人研究表明,微量金属元素Ni,Cr和Ti在瓦兹利石和橄榄石之间更倾向于赋存于瓦兹利石中。对于共生的瓦兹利石和林伍德石,Ni则在林伍德石中显示出更高的赋存能力。尽管前人已经实验确定了微量金属元素在地幔特定矿物相间的分配系数,但控制微量金属元素,特别是过渡族金属元素在地幔矿物相中赋存及矿物相间分配的影响因素并没有得到清晰的认识和实验约束。为了更全面的认知微量金属元素在瓦兹利石,及其它地幔转换带矿物相中赋存的规律和地球动力学意义,我们进行了如下研究:(1)通过多面砧压机在约1300°C和15 GPa的温压条件下合成了与单斜顽火辉石共生,且分别含有2-3 wt%TiO2,Cr2O3,V2O3,CoO,NiO和Zn O的含水瓦兹利石。通过X射线单晶衍射,解析了这些样品中瓦兹利石的晶体结构,利用电子探针分析了瓦兹利石的化学成分,并通过晶胞参数比b/a估算了M3位置的金属离子空位体积分数。晶体结构解析结果表明,Cr和V在瓦兹利石中显示出较强的排布规律,其在M3位置的体积占有率高于M1和M2位置,并在硅氧四面体(SiO4)T位置也呈现较高的占有率(2.9 at%)。Ni,Co和Zn在瓦兹利石中呈现出与Fe近似的排布规律,即M1≈M3>M2>T。Ni2+,Co2+和Fe2+对瓦兹利石M2位置的排斥受它们的八面体场晶体场稳定化能(CFSE)控制。Ni2+,Co2+和Zn2+的CFSE大小与它们在瓦兹利石不同金属离子八面体位置的体积占有率比[M2/(M1+M3)]呈现出正相关性。Ti在瓦兹利石中优先进入M3位置,而在M1,M2和T位置的占有率相对较低。电子探针分析显示Ti,Cr和V在瓦兹利石中的赋存能力比在橄榄石中更高。因此,在地幔对流过程中,当上升地幔通过410 km瓦兹利石-橄榄石相变边界进入上地幔时,这些金属元素很可能会在熔体或其他衍生相中富集,而不会在橄榄石中大量赋存。(2)通过X射线单晶衍射对与瓦兹利石共生的单斜顽火辉石样品进行了晶体结构解析。在单斜顽火辉石的金属离子八面体位置,Ni2+和Co2+显示出了较为明显的倾向于M1而排斥M2位置的规律。而Zn2+无论是在金属离子八面体位置还是在硅氧四面体位置,均显示出较弱的排布规律。与瓦兹利石类似,Ni2+,Co2+和Zn2+的八面体场CFSE大小也与其在金属离子八面体位置的体积占有率比M2/M1呈现正相关性。此外,根据我们的实验数据,过渡金属元素Ni,Co和Zn在瓦兹利石和共生单斜顽火辉石之间的分配也与这些金属元素离子的八面体和四面体场CFSE有关。Ni,Co和Zn在瓦兹利石和单斜顽火辉石结构中的金属离子八面体及硅氧四面体位置的平均体积占有率分别与Ni2+,Co2+和Zn2+的八面体及四面体场CFSE呈现负相关性。具有较大八面体场CFSE绝对值的二价过渡金属离子更倾向进入瓦兹利石中的八面体位置赋存。相似的分配规律对共生瓦兹利石和单斜顽火辉石的硅氧四面体位置同样成立。(3)在18-19 GPa约1400oC的含水条件下通过多面砧压机合成了代表520 km瓦兹利石相变边界的共生矿物相样品(起始物质以KLB二辉橄榄岩的化学成分为标准)。通过电子探针及拉曼光谱对共生矿物相样品进行了化学分析,并通过X射线单晶衍射解析了这些矿物的晶体结构。热压实验结果显示,含水矿物相Phase E可以在520 km深度温压条件下存在。它在不同实验组中可分别与瓦兹利石,林伍德石,单斜顽火辉石和石榴石共存出现。拉曼光谱分析显示,在80 cm–1到1100cm–1晶格振动区域内,240 cm-1,370 cm–1,680 cm–1和900 cm–1位置出现数组强吸收峰。在O-H伸缩振动区域内(2500到3700 cm-1),我们在3610 cm-1和3420 cm-1位置发现较宽的吸收峰。电子探针分析显示,Phase E可以吸收相当含量的Fe和Al(6.8 wt%FeO和1.47 wt%Al2O3)。其中,与林伍德石共生的Phase E比与瓦兹利石共生的Phase E具有更高的Al2O3(1.4 wt%和0.7 wt%)含量。这一现象指示出,Al3+可以在高压条件下起到稳定Phase E晶体结构的作用。而热压合成实验长达27个小时的加热时间暗示,该相是含水条件下的地幔转换带稳定矿物相。X射线单晶衍射分析显示,Phase E样品的空间群为R-3m,晶胞参数为a=2.9650(13)?;c=13.870(4)?;V=105.60(4)?。晶体结构解析证实Phase E结构具有较高的不规则性。其M1位置的金属离子体积占有率为72 at%,而M2位置的金属离子占有率仅为2 at%,指示其结构中有大量金属离子空位存在。在Phase E的硅氧四面体T位置中,Si-O的键长平均可长达1.78?。因此,其结构中由M2和T位置组成的结构层强度较弱。这也导致其整体结构在不同压缩方向上的强度呈现差异。因此,Phase E很可能会在变形过程中形成晶格优选方位,这将增加板块俯冲进入地幔转换带时的各向异性。