作为自然界中常见的碳酸盐矿物，方解石 (CaCO3) 和菱铁矿 (FeCO3) 能够通过大洋板片的俯冲作用进入深部地幔，并且在地球内部的碳循环过程中扮演重要作用。因此在高温高压条件下研究方解石和菱铁矿的结构相变和相稳定性有助于进一步理解地球内部的碳循环过程。本论文，采用金刚石压腔技术结合原位拉曼光谱和电化学交流阻抗谱测量方法，研究了方解石和菱铁矿在高温高压下的结构相变和电子自旋转变。取得的主要研究成果如下：
1、在常温和0.5–19.7 GPa 条件下，原位测量了方解石的拉曼光谱和电导率。加压过程中，通过方解石拉曼峰和拉曼频移的演化以及电导率的不连续，表明方解石经历了三个压力诱导的结构相变：在1.6 GPa 时由CaCO3-I 转变为CaCO3-II相、在2.2 GPa 时由CaCO3-II 转变为CaCO3-III 相以及在16.8 GPa 时由CaCO3-III 转变成CaCO3-VI 相。卸压过程中，由CaCO3-VI 到CaCO3-III 到CaCO3-II 到CaCO3-I 相的逆向结构转变分别出现在5.4 GPa、1.5 GPa 和0.4 GPa，这表明方解石在常温高压下的结构相变是可逆的。然而，在CaCO3-VI 到CaCO3-III 相的转变过程中存在一个约11.0 GPa 的压力滞后。
2、在323–873 K 和三个代表性的压力 (10.5 GPa、12.5 GPa 和13.8 GPa) 条件下，原位测量了方解石的电导率。在10.5 GPa 下，方解石的电导率在323–573K 和723–873 K 范围内随温度的升高逐渐增加，分别伴随着电导率值从6.03×10–7 S cm–1 到1.58×10–3 S cm–1 以及从1.88×10–5 S cm–1 到3.58×10–4 S cm–1。然而，在573–723 K 范围内方解石的电导率随温度的升高而逐渐降低，从1.58×10–3 Scm–1 到1.88×10–5 S cm–1。类似地，在12.5 GPa 和13.8 GPa 条件下，分别在473–623 K 和423–523 K 范围内观察到方解石电导率的降低，这些异常的电导率变化很可能与由CaCO3-III 到CaCO3-VI 相的结构转变有关。
3、为研究温度对CaCO3-III 到CaCO3-VI 相结构转变的影响，在323–873 K以及10.5 GPa，12.5 GPa 和13.8 GPa 条件下，完成了一系列方解石电导率的原位测量工作。根据方解石在常温高压和高温高压下的电导率结果，在298–773 K和0–16.0 GPa 范围内，成功构建了由CaCO3-III 到CaCO3-VI 相的高温高压边界关系：P (GPa) = 19.219 (±1.105) – 0.011 (±0.002) T (K)。
4、在常温和0.6–55.6 GPa 条件下，研究了菱铁矿在不同静水压环境下的振动和电传输性质。在非静水压条件下的加压过程中，根据拉曼峰和电导率的不连续表明菱铁矿在42.5 GPa 时由高自旋态转变为混合自旋态，在48.5 GPa 时由混合自旋态转变为低自旋态。在静水压条件下的加压过程中，其电子自旋转变则发生在较高的压力45.7 GPa 和50.4 GPa，暗示了菱铁矿的电子自旋转变压力对不同的静水压环境敏感。
5、在非静水压条件下的卸压过程中，菱铁矿从低自旋态转变为混合自旋态再转变为高自旋态的逆向电子自旋转变分别出现在47.2 GPa 和25.3 GPa。然而在静水压条件下的卸压过程中，这些逆向电子自旋转变发生在49.4 GPa 和22.3GPa。对于低自旋态到高自旋态的转变而言，在非静水压和静水压条件下的卸压过程中分别观测到13.8 GPa 和20.6 GPa 的压力滞后，这表明菱铁矿的逆向电子自旋转变同样对不同的静水压环境敏感。
6、为研究温度对菱铁矿电子自旋转变的影响，在47.7 GPa，49.8 GPa 和51.6 GPa 三个典型压力和323–873 K 条件下，完成了一系列电导率实验。在47.7 GPa下，随着温度从323 K 升高到373K，菱铁矿电导率从1.14×10–5 S cm–1 提高至 5.77×10–5 S cm–1。当进一步升高温度至523 K，菱铁矿电导率开始单调地降低至2.31×10–5 S cm–1。在温度范围523–873 K 范围内，菱铁矿电导率再次随着温度的增加而增加，从2.31×10–5 S cm–1 提高到4.82×10–4 S cm–1。在49.8 GPa 的473–673 K 和51.6 GPa 的573–823 K 范围内，观察到类似的菱铁矿电导率随温度的升高而降低的趋势。这些降低的电导率温度范围表明了菱铁矿由高自旋态到混合自旋态以及由混合自旋态到低自旋态的转变。结合菱铁矿在常温高压条件下的电导率结果，在273–873 K 和42.0–52.0 GPa 范围内，成功构建了菱铁矿由高自旋态到混合自旋态以及由混合自旋态到低自旋态的转变边界函数关系：P1 (GPa) =39.318 + 0.015 T (K) 和P2 (GPa) = 41.277 + 0.018 T (K)。