含水林伍德石的红外光谱学性质计算研究

摘要

地球内部的水在板块构造及地球的形成与演化进程中具有非常重要的作用。林伍德石是距离地表550-660km处地幔转换带中的主要矿物，其物理化学性质受矿物晶格中所含结构水（OH）的影响较大。实验上对林伍德石及其不同相含水性测试的主要方法之一是傅里叶红外光谱法。林伍德石的红外光谱在温度和压强变化时吸收峰会发生相应变化。含水林伍德石红外吸收谱表明其含水机制有以下三种：Mg空位机制Mg[V"Mg+2H]、Si空位机制[VS""Si+4H]以及反位机制Si[Mg"Si+2H]，本文通过经验势方法模拟了这些含水机制在不同频率的相对光吸收系数，以理解林伍德石结构水的赋存方式。 本论文研究内容包括两个部分：第一部分通过构建林伍德石原胞和2×2×2超晶胞模拟不同含水量的林伍德石结构，计算相应的红外光吸收谱，探究含水量对红外光吸收谱的影响。进一步研究温度和压强对林伍德石红外光吸收谱的影响。结果发现：含水量的减小显著影响其吸收峰强度并使吸收峰位置向低频方向微移。[V"Mg+2H]机制的OH吸收峰位置（频率）对于温压变化的敏感程度明显要高于另外两种机制：在相同压强条件下，吸收峰位置随温度的升高向高频方向移动，在低压下这种趋势特别明显；在相同温度条件下，吸收峰位置随压强升高向低频方向移动，在高温时这种变化趋势特别明显。随着压强增加，[V"Mg+2H]和[V"Si+4H]含水机制的吸收峰位置的温度效应逐渐减弱，这与高温高压实验中发现的18.4GPa下温度变化对含水林伍德石红外光谱的影响不明显的结论基本一致。 第二部分研究了Fe2+掺杂对林伍德石红外光吸收谱的影响。通过Mg位Fe2+掺杂，模拟林伍德石原胞中含有100%、50%和25%的Fe2+，进一步研究Fe空位机制Fe[V"Fe+2H]、Si空位机制[V"Si+4H]以及Fe-Si反位机制Si[V"Si+2H]的光吸收谱。结果发现Fe2+含量的增加使[V"Fe+2H]的吸收峰位置向高频方向移动，使[V"Si+4H]和Si[Fe"Si+2H]的吸收峰强度加强，但对含水林伍德石光吸收谱的温度和压强效应影响不大。 本论文采用经验势模拟方法得到的林伍德石含水机制的吸收谱与实验上的红外光谱基本吻合，所设计的三种含水机制能够解释林伍德石结构水的赋存方式，具有一定的理论借鉴意义。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 林伍德石地质环境

1.2林伍德石含水情况及影响

1.3 林伍德石红外光谱

1.4研究意义和研究内容

第二章 理论方法

2.1 经验势方法

2.2 模型方法

2.3 GULP计算原理

2.4 作用势

2.5 自由能计算方法

2.6 光吸收系数计算方法

2.7 位形熵计算方法

第三章 含水林伍德石红外光吸收谱

3.1林伍德石晶体结构

3.2红外光吸收谱

3.3 不同含水机制稳定性比较

3.4 本章小结

第四章 铁掺杂对含水林伍德石红外光吸收谱的影响

4.1 含铁林伍德石晶体结构

4.2 红外光吸收谱

4.3 本章小结

总结与展望

1. 总结

2. 展望

参考文献