高温高压下镁橄榄石物性第一性原理研究

论文摘要

通过第一性原理结合准简谐德拜模型研究了α和β镁橄榄石的高温高压结构及相变特征;计算了α和β镁橄榄石的弹性模量、波速、电子带结构、带隙等随压力的变化规律,并探讨了相变对这些性质的影响;研究了水对α镁橄榄石弹性模量、波速和带隙的影响;探讨了水对地幔中不连续层的作用以及矿物相变对过渡带波速不连续的作用。本文研究主要取得以下一些陈果:1.镁橄榄石晶格中存在水（H-O）会使镁橄榄石弹性模量及波速降低。在0-14GPa的压力下,含3.2wt%水的镁橄榄石比不含水镁橄榄石的Vp和vs值分别降低了3.1-7.1%和3.6-9.7%。在常温常压下,2个氢原子置换1个镁原子会使镁橄榄石的密度降低3.0%,是波速及弹性模量减小的原因,同时使镁橄榄石体系的基态总能增加,降低矿物的稳定性和键之间的强度。这可能是壳幔内形成低速层的重要原因。2.带结构和态密度研究表明随着压力的增加,α和β镁橄榄石带隙增加,绝缘性增强。这表明镁橄榄石的导电可能不是由镁离子位置上的质子移动引起的。自然界中橄榄石导电是因为其中掺杂了铁、氢或者别的杂质粒子引起,镁离子占据全部阳离子位置时,橄榄石不会导电。3.水减小了镁橄榄石带隙。两个氢原子替代了一个镁原子后,增强了晶体结构中的电子运移,但是含水镁橄榄石仍然是不导电的。氢替代橄榄石晶格中的二价离子可能对镁橄榄石导电性影响较小。4.第一性原理结合准简谐德拜模型可以在不耗费太多机时的情况比较快捷的计算物质的高压高温特性,计算的α和β橄榄石晶格参数随温度压力的变化与实验结果一致。同时发现,LDA比GGA近似更适合模拟橄榄石体系特征。5.计算的α-β相边界在0-1000K范围内与实验结果符合的较好,而且实验结果正好落在LDA和GGA范围内。6.利用LDA和GGA计算镁橄榄石α-β相变引起矿物Vs平均值分别增加11.6%和10.4%;Vp均值分别增加9.2%和9.0%。

论文目录

• Abstract
• 摘要
• 第一章 绪论
• 第一节橄榄石研究现状
• 1.1.1 橄榄石的高温结构研究
• 1.1.2 橄榄石的高压结构研究
• 1.1.3 橄榄石相变与地幔不连续带的关系
• 1.1.4 水对橄榄石性质的影响
• 1.1.5 橄榄石相变与深源地震研究
• 1.1.6 第一性原理在地球矿物物性模拟中的重要作用及研究现状
• 第二节 选题依据和研究内容
• 第二章 基本原理和方法
• 第一节 密度泛函数理论
• 2.1.1 绝热近似
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.1.3 Kohn-Sham 方程
• 2.1.4 交换关联泛函的简化
• 2.1.5 Bloch 定理和平面波基集
• 2.1.6 赝势近似方法
• 2.1.7 能量极小化优化方法
• 第二节 热物理性质的从头算方法-准简谐德拜模型
• 第三节 CASTEP 简介
• 第三章 橄榄石物性随温度压力的变化
• 第一节 计算方法
• 第二节 α和β橄榄石晶体结构的高温高压研究
• 第三节 弹性特征和波速
• 3.3.1 计算方法
• 3.3.2 弹性性质和密度特征
• 第四节 镁橄榄石的电性
• 第五节 相变
• 第四章 水对橄榄石弹性、波速和电性的影响
• 第一节 含水镁橄榄石结构的测试
• 第二节 水对橄榄石弹性性质的影响
• 第三节 水对橄榄石波速的影响
• 第四节 水对橄榄石晶体带隙的影响
• 第五章 结语
• 参考文献
• 博士其间发表的论文
• 致谢