第一性原理研究碳酸鹽礦物與含鋁礦物的彈性及其對地幔物質(zhì)循環(huán)的意義.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，材料的計(jì)算和設(shè)計(jì)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)新興的研究分支?；诘谝恍栽淼挠?jì)算礦物物理學(xué)也在計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下取得了巨大的進(jìn)展?；诿芏确汉碚?DFT)的第一性原理計(jì)算是解決量子力學(xué)基本方程的重要途徑之一。密度泛函理論是研究電子結(jié)構(gòu)（基態(tài)）的精確理論，使我們能夠?qū)⑾嗷プ饔玫亩嚯娮訂栴}簡化為單電子問題。因此基于密度泛函理論，我們可以對多電子系統(tǒng)的哈密頓量進(jìn)行有效和定量的計(jì)算。此外密度泛函理論也是凝聚態(tài)物理學(xué)，計(jì)算物理學(xué)和計(jì)算

2、化學(xué)甚至地球科學(xué)中最流行和最通用的方法。比如在地球科學(xué)中，我們能夠使用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算出礦物的狀態(tài)方程(EoS)，熱力學(xué)以及礦物的彈性常數(shù)等一系列的物性。
　　地球內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)是一個(gè)復(fù)雜問題，它對地球的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、演化有著重要的影響。獲取地球內(nèi)部重要構(gòu)成礦物在高溫高壓下的彈性性質(zhì)是解讀地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成的重要手段。為提高對地球內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)的理解，本文對地幔物質(zhì)循環(huán)中的碳酸鹽和含鋁礦物的熱力學(xué)、彈性和波速等性質(zhì)

3、進(jìn)行了研究。
　　其中我們對碳酸鹽礦物的研究起源于孫衛(wèi)東研究員等人提出由于金剛石在660公里附近的上部比橄欖巖熔體密度大，在660公里附近的下部比橄欖巖熔體密度小，因此在地球的早期巖漿海階段，金剛石在密度的驅(qū)動(dòng)下聚集在地幔過渡帶底部。金剛石層會(huì)隨著地球的凝固而穩(wěn)定，它可能在板塊俯沖和地幔柱的作用下還能夠幸存，但可能已經(jīng)通過布里基曼石分解的Fe3+氧化成碳酸鹽。因?yàn)楦邷馗邏簩?shí)驗(yàn)顯示，下地幔中布里基曼石中三價(jià)鐵占總鐵的60％左右。在板

4、塊俯沖過程當(dāng)中，俯沖板片可以下插到下地幔。作為補(bǔ)償，下地幔物質(zhì)會(huì)進(jìn)入上地幔，導(dǎo)致布里基曼石轉(zhuǎn)變成林伍德石和鎂鐵榴石釋放出Fe3+，氧化金剛石，形成碳酸鹽。經(jīng)過數(shù)十億年的板塊俯沖，布里基曼石所釋放出的Fe3+逐步將金剛石層轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}化的地幔橄欖巖層。在300-800公里深度碳酸鹽化的地幔橄欖巖固相線低于地溫線，不發(fā)生熔融。
　　如果地幔過渡帶底部形成了一層碳酸鹽化的地幔橄欖巖，那么必然會(huì)在過渡帶底部留下痕跡，給地幔過渡帶和下地幔交

5、界處附近的密度和波速等帶來一定的影響。為了回答這兩者之間的聯(lián)系，我們使用基于局域密度近似(LDA)的第一性原理計(jì)算方法研究了地幔溫壓條件下菱鎂礦(MgCO3)的熱力學(xué)和彈性性質(zhì)。菱鎂礦是地幔碳酸鹽礦物的主要成分，在地幔溫壓條件下一直能穩(wěn)定到～84GPa而不發(fā)生熔融，在地幔中碳的運(yùn)輸和儲存中起著重要作用。由于超過90％的碳儲存在地球深部中，因此深部碳循環(huán)是理解表面碳循環(huán)起源和過程的關(guān)鍵，在地質(zhì)時(shí)間的尺度下，深部碳循環(huán)會(huì)影響大氣中二氧化碳的

6、含量和氣候變化。因此菱鎂礦在高壓和高溫（PT）下的物理性質(zhì)對于理解深部碳循環(huán)至關(guān)重要。我們通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)菱鎂礦在上地幔對碳酸鹽化地幔橄欖巖和榴輝巖的地震速度的影響很小，菱鎂礦的波速接近鎂橄欖石，然而與過渡帶和下地幔主要礦物相比，菱鎂礦具有更低的波速和更強(qiáng)的彈性各向異性。我們提出菱鎂礦的存在能夠解釋過渡帶底部和下地幔頂部的波速異常。在過渡帶和下地幔邊界處的碳酸鹽層能夠合理的解釋600-660公里和660-771公里的密度、波速梯度的變化，還

7、有各向異性的異常。菱鎂礦在過渡帶和下地幔的富集可能會(huì)產(chǎn)生地震可探測的低速區(qū)以及波速各向異性。
　　本文還研究了地幔物質(zhì)循環(huán)中的含鋁礦物，它主要存在于洋中脊玄武巖(MORB)當(dāng)中。MORB是通過在洋中脊擴(kuò)張的海底形成的，它是地球上最重要的地殼巖石之一。在俯沖帶的高溫高壓(PT)環(huán)境下，MORB中含量比較高的Al2O3會(huì)產(chǎn)生“新的含鋁相”(NAL)，其含量可以高達(dá)25wt％。這一新相具有六方晶系的晶體結(jié)構(gòu)，晶胞中含有21個(gè)原子，并且含

8、鋁相NAL是復(fù)雜的固溶體，化學(xué)式為XY2Z6O12，其中X是大的一價(jià)或二價(jià)陽離子，例如Na+或Ca2+，Y是中等大小的陽離子，例如Mg2+，Z是Al3+，或Si4+。對其組成的化學(xué)組分的限制可以減少端元化合物的數(shù)量至20個(gè)以下。本文通過笫一性原理計(jì)算對七個(gè)不含鐵的含鋁相NAL進(jìn)行建模。用準(zhǔn)諧近似(QHA)來計(jì)算含鋁相NAL的熱力學(xué)和彈性性質(zhì)等。本文通過研究NAL相高溫高壓下的密度、彈性、波速等性質(zhì)從而為進(jìn)一步得到MORB的密度、彈性、波