地幔温压下MgSiO3熔体结构和状态方程的第一性原理分子动力学研究

摘要

实验和理论研究表明,过渡带和核幔边界顶部可能有硅酸盐熔体存在,地球物理观测资料也为此提供了证据.高温高压下硅酸盐熔体结构和状态方程(EoS)是了解地幔动力学和地球热演化过程的关键所在.由硅酸盐熔体实验和模拟技术困难所致,高温高压下硅酸盐熔体的结构和热动力学性质还知之甚少.本文采用第一性原理分子动力学方法模拟计算了MgSiO3熔体在地幔温压条件下(0～144GPa,2000～6000K)条件下的微观结构和状态方程,得到的结果如下:1.基于第一性原理分子动力学方法模拟计算,结合对分布函数(PCF)计算、分析了MgSiO3熔体的微观结构.。近零压2000 K下O-Si、O-Mg和O-O对分布函数的第一峰值位置分别为1.635、1.970和2.695(A)，O-Si和O-Mg与实验值1.620和2.120(A)吻合得很好；随着压力和温度的变化，MgSiO3熔体结构发生了显著变化,特别是随着压力增加，结构变得更致密；原子间的平均键长随温度增加而减小；从地表的常压到核幔边界压力过程中，平均Si-O配位数从4变到6，桥氧数目比例由31.3%增高到72.9%。2.基于模拟计算得到的压力、温度和体积结果，通过拟合三阶Birch-Murnaghan物态方程，得到了熔体的高温高压状态方程和体积模量。0 K下，MgSiO3熔体的密度随着压力增加而单调递增，且0~20 GPa内增速较快，压力大于20 GPa时增速相对减缓，在136 GPa到140 GPa之间密度骤增；高温高压下，密度随压力增加而增大，随温度增加而减小。温度对MgSiO3熔体密度的影响作用强弱受到压力的控制，其中在10 GPa左右达到极大值；拟合三阶Birch-Murnaghan和普适物态方程得到的零压体积模量参数为K0=21.62 GPa和K0=21.99 GPa。