辉石是地球地壳以及上地幔的重要矿物，在大洋俯冲板片中占有重要的比例，无论在玄武岩还是在橄榄岩中都是含量仅次于橄榄石的矿物。现代实验岩石学研究认为，在正常地幔地温梯度下，随着深度的增加辉石会逐渐溶解于石榴子石中，形成Majorite石榴子石，并且会在过渡带深度范围内消失。而在俯冲板片内部较低温的环境中，由于辉石溶解于石榴子石的反应将会受到低温的抑制，辉石可能会以亚稳相的形式被大量带入到更深的深度。所以，研究辉石在俯冲板片内部温度压力条件下的亚稳相相变以及状态方程对于正确认识板片物质在俯冲过程中的物相演化以及亚稳相辉石对俯冲作用动力学的影响尤为重要。　　本文采用金刚石压腔高压装置结合同步辐射单晶X射线衍射实验技术，模拟地球内部冷俯冲板片内部的温度和压力环境，对斜方辉石和单斜辉石的稳定性以及状态方程进行了实验研究。合成斜方辉石样品包括:顽火辉石(En95(Mg1.89Ni0.11Si2O6)，含水730(238)ppm);斜方铁辉石(Fs100(Fe2Si2O6));顽火辉石——斜方铁辉石固溶体辉石(En22Fs78(Mg0.44Fe1.56Si2O6)，含水673(198)ppm;En33Fs67(Mg0.66Fe1.34Si2O6)，含水578(184)ppm);含铝斜方辉石(En73Fs23(Mg1.46Fe0.46Al0.08Si2O6)，含水1656(480)ppm)。天然单斜辉石样品包括:普通辉石(Ca0.89Na0.05Mg0.06)(Mg0.74Fe0.11Al0.14Ti0.01)(Si1.88Al0.12)O6、两个不同含水量的绿辉石(OmpMB(Ca0.58Na0.42Mg0.53Al0.42Fe0.05Si2O6)，含水1000-1300ppm和OmpBXL(Ca0.57Na0.43Mg0.53Al0.42Fe0.05Si2O6)，含水100-300ppm)和霓石(Na0.98Ca0.02)(Fe0.963+Ti0.01Mn0.03)Si2O6。　　在常温常压条件下，Fe含量的增加可以显著增加斜方辉石的晶胞体积，且Fe含量和晶胞体积存在一个较为明显的非线性关系。结构精修的结果显示斜方辉石中的Fe分布在M2和M1位置，其中M2位置含有比M1位置明显多的Fe含量。Fe含量明显影响M2和M1多面体中的化学键键长，而且对M2的影响要明显强于M1，对T多面体则没有显著影响。在斜方辉石结构中M2多面体的扭曲程度远大于其他几个配位多面体，随着Fe含量的增加，M2多面体的扭曲程度显著增大。傅里叶变换红外光谱学研究发现Fe含量的不同对含水量没有显著影响;含Al斜方辉石具有明显大得多的含水量。　　利用三阶Birch-Murnaghan方程对斜方辉石常温高压条件的晶胞体积数据进行了PV状态方程拟合计算。得到顽火辉石(En95)的零压体积模量(K0)明显大于其他组分斜方辉石的K0;含水量最大的含Al斜方辉石(En73Fs23)的K0值最小，可能是高含量的结构水导致。对三个不同组分的斜方辉石进行了热(PVT)状态方程研究。结果显示:结构水导致En95和En73Fs23的热膨胀系数(αT)明显大于前人关于斜方辉石的研究结果;但是在Fe含量较高的情况下结构水对斜方辉石的αT影响不明显。　　在高温高压条件下，所有组分的斜方辉石都有相变发生。组分的不同明显影响斜方辉石高压相的结构。对于第一个相变，所有斜方辉石的高压相都具有相同的结构（β相，单斜晶系，P21/c空间群）;第二个相变后的高压相根据组分的不同具有不同的结构:其中En95具有和第一个高压相相同的空间群(β-EnⅡ)，但是有四分之一的Si原子在结晶轴c方向上发生了明显的移动，使得晶体更为接近斜方晶系，该高压相为本文首次发现;Fe含量较低的斜方辉石(En73Fs23)具有斜方晶系Pca21空间群（α-popx相）;Fe含量较高的斜方辉石(En33Fs67、En22Fs78和Fs100)具有斜方晶系Pbca空间群（γ相）。组分也明显影响相变的压力，对于Fe含量较高的斜方辉石，Fe含量越大两个相变发生所需的压力越小;对于Fe含量较低的斜方辉石，增加的Fe含量可增加相变的压力;含Al斜方辉石具有最大的相变压力。此外，在298-700K温度范围内，高温显著降低了含水量最大的En73Fs23第二个相变的压力，对其他组分斜方辉石的相变压力没有明显影响。　　对天然单斜辉石的高温高压单晶X射线衍射实验研究结果显示:M2位置上Ca含量较高的普通辉石和绿辉石在高温700K条件下可以稳定存在到约24GPa的压力。利用三阶Birch-Murnaghan方程对高温高压条件下普通辉石和绿辉石的晶胞体积进行了拟合计算，结果显示:普通辉石K0的大小在前人对透辉石研究获得的K0值范围之内，但是αT明显大于透辉石端元;绿辉石OmpMB和OmpBXL的状态方程结果非常的一致，拟合得到的热弹性参数也非常接近，因此低于1300ppm的含水量可能对绿辉石的状态方程无显著影响。在常温高压（最高压力约60GPa）条件对M2位置上主要由Na占据的霓石进行了单晶X射线衍射实验研究，首次发现霓石在压力约24GPa时会发生一个等对称型(C2/c→C2/c)二级相变，可能系由Na的配位数在高压条件下发生改变所导致。分别对霓石在低压(0-24GPa)和高压(24-60GPa)范围内的晶胞体积进行了状态方程拟合计算。拟合低压数据得到的K0与前人对合成霓石研究得到的结果非常接近，略微的差别可能来自于样品组分的不同;拟合高压数据得到的K0明显大于低压下获得的结果。　　利用所获得的辉石亚稳相相变以及状态方程研究结果计算了常见的斜方辉石和单斜辉石随着深度增加的密度变化，据此探讨了亚稳相辉石的存在对板片俯冲作用动力学可能产生的影响。结果显示:在410km以上，斜方辉石En73Fs23和En33Fs67、普通辉石以及霓石的密度都大于PREM平均地幔模型的密度，从密度的角度考虑，有利于板片进入到410km以下的深度;在660km界面，由于地幔中的林伍德石分解为布里奇曼石和铁方镁矿，导致其密度大大增加，这种情况下，除了Fe含量较高的斜方辉石En33Fs67外，其他亚稳相辉石的密度都远低于周围地幔的密度，都将抑制板片向下俯冲，有利于板片的停滞。实验研究证明:在俯冲板片内部温度较低的情况下，斜方辉石和单斜辉石不能相变成为密度更大的高压相（例如，布里奇曼石、akimotoite），发生的亚稳相相变带来的密度增大不能明显增加有利于板片继续向660km界面以下俯冲的负浮力。因此，如果亚稳相辉石存在于板片内部，从密度方面考虑，可能造成板片在660km界面以上停滞。此外，顽火辉石En95第一个相变的深度与地球内部410km不连续界面比较一致;斜方辉石En73Fs23的第二个相变以及霓石的等对成型二级相变的深度也与660km界面相当，所以，辉石的相变可能与局部地区的不连续界面相关。