高温高压弹性的第一性原理计算新方法应用.pdfVIP

·302· 中国地球物理2011 (8)地球内部结构及其动力学 高温高压弹性的第一性原理计算新方法及应用 first at PTandits Efficient methodfor elasticity principles high application 2 Wentzcovitch 吴忠庆1+Renata Wu RenataWentzcovitch Zhongqing I．中国科技大学地球和空间科学学院 安徽合肥金寨路96号230026； of andMaterialsScienceand Chemical 2．Department Engineering Minnesota of Institute，UniversityMinnesota，Minneapolis，MN55455，USA Supercomputing 第一性原理计算已经被广泛地用于计算材料的弹性特性。但受计算量的限制，大部分这类计算是静 态的，即未能包括振动(温度)的影响。第一性原理静态计算的计算量就已经很高，加入振动效应进一 步增Dn-i,i一算量2～3个量级。因此尽管这些年来计算能力飞快提高，目前第一性原理计算研究高温高压 etal andCohen 弹性特性仍集中在结构比较简单的材料(Karki1999；Sha 2010)。为了能克服这个困难， Wu和Wentzcovitch(2011)发展了一个第一性原理计算材料高温高压弹性的新方法。新方法极大的简 化了计算的复杂度，可以节省计算量超过一个量级。我们用新方法研究了方镁石，得到的方镁石弹性跟 常规方法一致，都与实验结果很符合。我们也用新方法首次第一性原理计算研究了镁橄榄石的高温高压 弹性特性，所得的结果跟实验观测符合。 在一些含铁矿物中，铁原子的自旋特性会随压强变化，从低压的高自旋磁矩态转变到高压的低自旋 磁矩态。自旋转变会导致体积的变化，低自旋磁矩状态的体积要比有高自旋磁矩的体积小。这种现象已 经在含铁的方镁石和顽火辉石中观测到。对于方镁石，铁的自旋转变的一大特点是：转变压强区域会随 着温度升高而变宽。下地幔所对应的温度和压强区间，很大一部分都落在方镁石的自旋转变区域内。因 此铁的自旋转交会对下地幔特性产生深刻的影响。铁的自旋转变会对一些矿物的特性产生显著的影响。 例如：在自旋转变区域，方镁石的热力学特性会出现异常，膨胀系数可以是常规值的好几倍、比热随温 度变化也会出现峰值。铁的自旋转变也显著得影响方镁石的弹性特性。它能极大地降低体模量。但不同 的研究报道存在很大的分歧：①剪切模量会不会异常软化?有实验观察显示剪切模量会软化，但另外一 etal，2009)，但地震学的研究则显示下地幔中没有观测到体模量软化的现象。我们的研究给出了这些问 题的可能答案。研究显示剪切模量不会软化，这是由材料的立方对称性决定的。在高压实验中，如果静 压条件没有实现，材料不再保持立方对称性，剪切模量则有可能软化。我们进一步发现，如果采用一个 降到12％，则所得到的地幔弹性特性和密度跟PREM模型很一致，自旋转变效应对地幔的体模量的影响 很小，很难被地震学研究发现。但自旋效应能解释在地幔中部区域纵波波速和横波波速的关联系数明显 降低的现象。这是由于自旋转变只会导致体模量的异常软化，而对剪切模量的影响比较简单。所以自旋 转变区域，我们可以通过改变温度和压强让体模量保