高温高压下斜方辉石及其高压相的热力学和弹性性质

论文摘要

地球内部成分和结构信息对我们认识地球起源、演化以及动力学过程具有重要意义。地震学观测和分析可以得到地球内部波速结构,而矿物物理学可以测量或者计算矿物在地球内部温压条件下的弹性和波速等性质。将矿物物理学得到的数据与地震学上观测结果进行对比,可以为地球内部成分和结构研究提供一些必要的约束。目前矿物物理学研究方法主要有高温高压实验和计算两种,近些年随着计算机软件和硬件技术突飞猛进地发展,基于密度泛函理论的第一性原理计算成为矿物弹性研究的重要方法。上地幔是地球的重要组成部分,地幔岩模型给出的上地幔主要组成矿物是橄榄石、石榴子石、斜方辉石和单斜辉石,这些矿物在地幔温压环境下的弹性性质对我们解释上地幔全球或局部的地震学结果有着重要作用,第一性原理计算和高温高压实验研究己经获得了橄榄石、石榴子石和单斜辉石在高温高压下的弹性性质,而斜方辉石在地幔温压条件下的弹性模量和波速还有待研究。之前的一些研究发现在上地幔50-120千米的地幔楔处存在一个异常低的Vp/Vs区域,这个区域可能与斜方辉石富集有关,为了更好地认识和理解这一低Vp/Vs区域的成分和结构,同时加深对整个上地幔的认知,我们通过第一性原理计算获得了纯镁端元斜方辉石（MgSi03）在高温高压下的热力学和弹性性质。计算基于量子力学和密度泛函理论基础之上,采用的是局域密度近似,波函数用平面波方法展开,计算使用的是开源软件包Quantum ESPRESSO。计算得到的纯镁端元斜方辉石状态方程、热力学性质、弹性常数、弹性模量以及波速等性质与已有的实验结果非常吻合。在地幔温度下,纯镁端元斜方辉石的绝热体模量和剪切模量与压强之间都存在非线性关系,但是相比于体模量和P波波速（Vp）,剪切模量和S波波速（vs）随压强变化幅度不是很大。相比于上地幔其他主要矿物橄榄石和石榴子石,斜方辉石在直到地球内部300千米深度范围里有最小的Vp、VS以及VP/VS值。将计算得到的结果与观察到的地幔楔低Vp/VS区域的Vs和Vp/Vs进行对比分析,我们认为上地幔斜方辉石富集可能会导致地震学上观测的地幔楔异常低VP/VS值。地幔除了有像410千米和660千米不连续面这样的全球范围内的不连续面,还存在一些局部的不连续面,比如在地球深度250-330千米处的X-不连续面,X-不连续面被认为是和上地幔这一深度里可能发生的一些矿物相变有关,比如柯石英到斯石英的相变,斜方辉石到斜方辉石高压相的相变。为了进一步探索X-不连续面的成因,我们用相同的方法计算了在上地幔温压条件下斜方辉石高压相的弹性性质。在地球内部大约300千米深度处,斜方辉石到斜方辉石高压相相变产生的P波、S波和密度跳变分别为3%-5%、5%以及2.7%,如果上地幔能富集20%-40%的斜方辉石,那么斜方辉石相变所产生的P波和S波阻抗差将会有1.5%-3%,这有可能会导致地震学上观测到的某些区域的X-不连续面。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 计算材料学与第一性原理计算
•     1.1.1 计算材料学概述
•     1.1.2 第一性原理计算
•     1.1.3 矿物物理学研究方法与第一性原理计算
•   1.2 斜方辉石及其高压相
•     1.2.1 上地幔成分、结构以及研究方法
•     1.2.2 斜方辉石及其相变
•   1.3 论文结构
• 第2章 密度泛函理论
•   2.1 波函数和薛定谔方程
•     2.1.1 波粒二象性与波函数
•     2.1.2 薛定谔方程
•   2.2 绝热近似和Hatree-Fock近似
•     2.2.1 多粒子体系的薛定谔方程
•     2.2.2 绝热近似
•     2.2.3 Hatree方程
•     2.2.4 Fock近似
•   2.3 Hohenberg-Kohn定理
•   2.4 Kohn-Sham方程
•   2.5 交换关联泛函
•     2.5.1 局域密度近似
•     2.5.2 广义梯度近似
• 第3章 矿物的热力学和弹性性质
•   3.1 晶格热力学性质
•     3.1.1 热力学势
•     3.1.2 热力学参数
•     3.1.3 配分系数
•     3.1.4 简谐近似
•     3.1.5 热力学微扰理论
•     3.1.6 准谐近似
•   3.2 状态方程和弹性性质
•     3.2.1 状态方程
•     3.2.2 弹性性质
•   3.3 Wu-Wentzcovitch方法
• 第4章 高温高压下斜方辉石的热力学和弹性性质
•   4.1 斜方辉石的研究背景和意义
•     4.1.1 斜方辉石及其富集
• P/V_S区域与斜方辉石富集'>    4.1.2 地幔楔低V_P/V_S区域与斜方辉石富集
•     4.1.3 斜方辉石热力学和弹性性质计算细节
•   4.2 斜方辉石的振动频率、状态方程和热力学性质
•   4.3 斜方辉石的弹性常数、弹性模量和波速等弹性性质
• P/V_S区域的成因与斜方辉石富集'>  4.4 地幔楔低V_P/V_S区域的成因与斜方辉石富集
• 第5章 高温高压下斜方辉石高压相的弹性性质
•   5.1 斜方辉石高压相的研究背景和意义
•     5.1.1 X-不连续面与斜方辉石的相变
•     5.1.2 斜方辉石高压相的弹性性质计算细节
•   5.2 斜方辉石高压相的状态方程和弹性性质
•   5.3 斜方辉石到斜方辉石高压相的相变与X-不连续面
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 钱旺生

导师: 吴忠庆

关键词: 第一性原理计算,斜方辉石,斜方辉石高压相,热力学性质,弹性常数,弹性模量,波速,地幔楔低,区域,不连续面

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P578.954

总页数: 130

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