水、铁组分对橄榄石性质的第一性原理模拟研究

刘 雷 杜建国 赵纪军 刘 红 刘 尉 田利云

1）中国地震局地震预测研究所，北京 100036

2）大连理工大学，辽宁大连 116024

为了了解含水含铁橄榄石在地球深部的物性变化特征，探讨深部低速层的成因和地球内部结构，应用基于密度泛函数理论(DFT)第一性原理模拟方法，系统的计算了高压下，水和铁组分对橄榄石及其高压多形相（瓦兹利石(wadsleyite，β-相橄榄石)和林武德石(γ-橄榄石，ringwoodite)）弹性、体积、相变等物性的影响。研究结果如下：

计算了高压下含铁橄榄石（Fe2SiO4(Fa)、(Mg0.875Fe0.125)2SiO4(Fa12.5)和 Mg2SiO4(Fo)）的弹性性质，探讨了铁对橄榄石弹性常数和波速的影响。铁的存在使橄榄石的体弹性模量增加而剪切模量降低。对比纯镁橄榄石，在0和20 GPa压力下，Fa12.5的vp分别降低3.0%和3.1%，vs分别降低4.9%和5.8%；而Fa在0和15 GPa压力下，vp分别降低20.5%和20.6%，vs分别降低30.3%和30.9%。橄榄石结构中的FeO6八面体与MgO6八面体弹性性质的差异，Fe-O键与Mg-O键长度的不同，是引起含铁橄榄石弹性变化的主要原因。富含铁使橄榄石弹性波速降低表明化学组分掺杂，比如流体或者铁及其他组分的存在，可能是引起地幔低速层的原因。

研究了水对橄榄石高压相变和弹性的影响。通过研究含水量为0、1.65和3.3 wt%的晶体结构来模拟含水的效应。结果显示随着含水量增大，α-β相变压强降低，而β-γ相变压强升高，这样含水效应使得β相的存在区域扩大。含水效应使弹性模量(K和G)和体波波速(vp)降低，但使这些弹性参数对压强的导数升高，这样在高压下含水效应降低。对比实验研究的结果，在橄榄石相邻相含水量相同的理想情况下，相变压强随含水量的变化更为显著，而含水对相邻相体波波速的相对增加值影响并不明显。……