研究成果簡(jiǎn)介:
地幔與地核物質(zhì)的相態(tài)與成分是地球深部研究最為重要的核心問(wèn)題之一,這方面的進(jìn)展不斷加深了人們對地球系統狀態(tài)與演化的認識。近年來(lái),基于電子密度泛函理論的量子力學(xué)模擬方法,以其獨立于實(shí)驗的預測性而被越來(lái)越多地應用于地球深部研究之中,但目前主要還集中在純組分、理想體系中。我們針對地球深部物質(zhì)多相多組分復雜性的特點(diǎn),把宏觀(guān)熱力學(xué)方法與微觀(guān)量子力學(xué)模擬耦合起來(lái),有效地克服了量子力學(xué)模擬由于計算復雜性所導致的時(shí)空局限性,同時(shí)與地震觀(guān)測數據相結合,為揭示地幔與地核的成分與狀態(tài)提供了新的重要約束。
首先,我們把基于電子密度泛函理論的分子動(dòng)力學(xué)模擬與熱力學(xué)建模方法相結合,準確得到了下地幔礦物組合相態(tài)與物性數據。研究表明,前人對下地幔的成分估計有很大誤差:一方面對溫度的影響沒(méi)有準確分析,另一方面通過(guò)經(jīng)驗公式從低壓、純組分外推至高壓、多元組分的物性數據的準確性沒(méi)有保證。該研究發(fā)現,地幔巖模型(Pyrolite)預測的下地幔地震波速可以很好地與觀(guān)測數據吻合,從而支持全地幔對流模式。
其次,我們把熱力學(xué)積分法與基于電子密度泛函理論的分子動(dòng)力學(xué)模擬相結合,得到了鐵及其合金從體心立方結構到面心立方結構相變的自由能變化,計算結果消除了前人研究誤差大、易介穩平衡的局限性,證實(shí)高溫和輕元素確實(shí)對體心立方結構的穩定性有一定促進(jìn)作用,但不足以使該相穩定存在于地球內核中。該研究表明,地球內核應當仍處于緊密堆積結構,因此人們對內核溫度、地核輕元素分布、內核分層結構與各向異性等重要科學(xué)問(wèn)題均需基于該結論做更為深入的研究。 |