论文摘要
根据地球物理、地球化学和冶金学多方面的研究,确认地核的主要成分是Fe,还含少量轻元素,例如O,S,Si。Si元素是否存在于内地核是判断早期原始地球的吸积环境的重要依据,但是内地核中Si的含量仍然存在争议。为了进一步探索内地核中Si的含量,本文在吕梁高性能云计算中心平台上,采用第一性原理计算的方法对Fe-3.24 wt%Si的状态方程及声速进行研究。具体研究内容和创新点如下:一、构建Fe-3.24 wt%Si的超晶胞。本文构建了16原子、32原子、I-64原子、II-64原子的超晶胞,研究了不同的近似方法和有无自旋对优化结构的影响,发现采用广义梯度近似（GGA）计算的II-64原子是最优结构。二、Fe-3.24 wt%Si的状态方程的计算。采用GGA方法计算了II-64原子在0 K下的状态方程,发现在压强高于100 GPa时自旋对计算结果无影响,并且与实验结果一致;在低压下考虑自旋计算的结果更接近于实验值。三、Fe-3.24 wt%Si声速计算。通过弹性常数计算了II-64原子的纵波声速、横波声速、体波声速,发现其纵波声速与实验测量结果一致,满足Birch定律。四、内地核环境下Fe-3.24 wt%Si的密度和声速计算。基于第一性原理计算结果,发现在内地核温度和压强环境下Fe-3.24 wt%Si纵波、体波、横波声速都接近Fe的声速。由于Fe的声速要高于内地核的声速,因此内地核中的轻元素应降低Fe的声速,由此推断内地核是贫Si的。
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摘要Abstract第1章 绪论 1.1 引言 1.2 地核中候选轻元素的研究意义及限定条件 1.2.1 地核中候选轻元素的研究意义 1.2.2 确定候选轻元素的约束性条件 1.3 地核中候选轻元素的研究现状 1.3.1 硅（Si）元素 1.3.2 硫（S）元素 1.3.3 氧（O）元素 1.3.4 地核中最有可能的候选轻元素 1.4 内地核环境下Fe-Si合金的研究现状 1.5 本章小结 1.6 本文章节安排第2章 超晶胞的结构与结构优化的结果 2.1 计算方法—密度泛函理论 2.1.1 交换关联能泛函 2.1.2 赝势平面波法 2.1.3 软件包的选择 2.2 Fe-Si合金在内地核中的结构 2.3 超晶胞的构建方法 2.4 截断能与K点的测试 2.5 结构优化结果 2.5.1 Fe-3.24 wt%Si（16-atoms）的优化结果 2.5.2 Fe-3.24 wt%Si（32-atoms）的优化结果 2.5.3 Fe-3.24 wt%Si（I-64-atoms）的优化结果 2.5.4 Fe-3.24 wt%Si（II-64-atoms）的优化结果 2.6 最优的优化结果 2.6.1 体系总能量的比较 2.6.2 单位体积内能量的比较 2.6.3 与静高压实验的比较 2.7 本章小结第3章 Fe-3.24 wt% Si的状态方程 3.1 与静高压实验数据的比较 3.2 与理论计算结果的比较 3.3 Birch-Murnaghan状态方程 3.3.1 Birch-Murnaghan状态方程的推导 3.3.2 Birch-Murnaghan状态方程的计算 3.4 与动高压实验数据的比较 3.5 本章小结第4章 Fe-3.24 wt% Si的声速 4.1 弹性模量的意义及弹性模量与声速的计算公式 4.1.1 弹性模量的意义 4.1.2 弹性模量的计算 4.1.3 体积模量与剪切模量的计算 4.1.4 声速的计算 4.2 声速的计算结果 4.2.1 参数的设置 4.2.2 体积模量和剪切模量 4.2.3 纵波声速、横波声速与体波声速 4.3 Fe-3.24 wt%Si的声速与理论计算结果的比较 4.4 Fe-3.24 wt%Si的声速与实验结果进行比较 4.5 高压下Fe-3.24 wt%Si的声速 4.6 内地核环境下的密度与声速 4.7 本章小结第5章 总结和展望 5.1 总结 5.2 创新点 5.3 展望致谢参考文献攻读硕士期间获得与学位论文相关的科研成果
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 李佩芸
导师: 黄海军,李艳丽
关键词: 第一性原理计算,状态方程,声速,内地核
来源: 武汉理工大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑
专业: 物理学,地质学,地球物理学,矿业工程
单位: 武汉理工大学
分类号: P631.4;O48
DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000410
总页数: 78
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标签：第一性原理计算论文; 状态方程论文; 声速论文; 内地核论文;
高压下Fe-3.24 wt% Si状态方程和声速的第一性原理计算
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