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高压下py-FeO_(2)、py-feooh和ε-feooh晶体结构与弹性特征的第一性原理研究

高压物理学报 2022年第1期36卷 66-76页

作者：顾小雨刘雷中国地震局地震预测研究所高压物理与地震科技联合实验室北京100089

py-FeO_(2)、py-feooh和ε-feooh是地幔及核幔边界的重要成分,其在高温高压下的物性演化特征对了解地幔物质组成和结构及动力学过程有重要意义,为此利用第一性原理方法计算了0~350 GPa条件下py-FeO_(2)和py-feooh以及0~170 GPa条件下ε-... 详细信息

py-FeO_(2)、py-feooh和ε-feooh是地幔及核幔边界的重要成分,其在高温高压下的物性演化特征对了解地幔物质组成和结构及动力学过程有重要意义,为此利用第一性原理方法计算了0~350 GPa条件下py-FeO_(2)和py-feooh以及0~170 GPa条件下ε-feooh的晶体结构与弹性性质。py-FeO_(2)和py-feooh的晶格常数随压强的增加呈逐渐减小趋势,而ε-feooh的晶格常数随压强增加而减小,其中c轴更容易被压缩。py-FeO_(2)、py-feooh和ε-feooh的晶胞密度随压强增加而增大,按照密度由大到小依次为py-FeO_(2)、py-feooh、ε-feooh。3相的体积模量随压强的增加线性增加,py-FeO_(2)和py-feooh的剪切模量随压强的增加线性增加。对比体积模量可知,py-FeO_(2)的体积模量最高,py-feooh和ε-feooh的体积模量在高压下几乎一致;而py-FeO_(2)的剪切模量最大,ε-feooh的剪切模量最小。py-FeO_(2)、py-feooh和ε-feooh的压缩波速随压强的增加而增加,py-FeO_(2)的剪切波速随压强的增加而增加。py-feooh的剪切波速在0~2000 km深度范围内随深度增加而减小,在2000~6000 km深度范围内变化较小(在5.8~6.0 km/s之间);ε-feooh的剪切波速在33 GPa(约900 km深度)发生突变。3相中ε-feooh的波速最低,而py-FeO_(2)的波速最高。综合计算结果表明,py-FeO_(2)和py-feooh具有高密度、低波速的特点,与地幔超低速区的性质一致。py-FeO_(2)和py-feooh在形成之后可能富集下沉到核幔边界,成为超低速区的来源。ε-feooh在超过33 GPa压强条件下发生的氢键对称化给ε-feooh的结构带来显著变化,同时氢键对称化会影响原子间相互作用,进而影响ε-feooh的弹性性质以及地震波速。

关键词： ε-feooh py-feooh py-FeO_(2) 晶格结构弹性特征第一性原理计算

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高压下py-FeO2、py-feooh和ε-feooh的晶体结构与弹性特征的第一性原理研究

高压下Py-FeO2、Py-FeOOH和ε-FeOOH的晶体结构与弹性特征的第一...

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作者：顾小雨中国地震局地震预测研究所

学位级别：硕士

py-FeO、py-feooh和ε-feooh是地幔及核幔边界的重要成分,也是地球深部的重要含水相矿物,它们在高温高压下的物性演化特征对了解地幔物质组成和结构及地球内部动力学过程有重要意义,本文利用第一性原理方法计算了0-350GPa压力条件下py-... 详细信息

py-FeO、py-feooh和ε-feooh是地幔及核幔边界的重要成分,也是地球深部的重要含水相矿物,它们在高温高压下的物性演化特征对了解地幔物质组成和结构及地球内部动力学过程有重要意义,本文利用第一性原理方法计算了0-350GPa压力条件下py-FeO和py-feooh以及0-170GPa压力条件下ε-feooh的晶体结构与弹性性质;分析了三种矿物不同的结构特征,以及ε-feooh结构中的氢键对称化现象;探讨了Fe-HO体系在地球深部的赋存以及对解释地球深部波速异常的意义。py-FeOε-feooh和py-feooh晶格常数随压力的增加呈现逐渐减小的趋势;而ε-feooh的c轴长度相比a、b轴长度大幅降低,表明c轴更容易被压缩。py-FeO、py-feooh和ε-feooh的晶胞密度随压力增加而增加,三相之间的密度相对大小为py-FeO>py-feooh>ε-feooh。py-FeO和py-feooh的弹性常数C,C,C随压力增加线性增加;而ε-feooh的弹性常数C,C,C,C,C,C,C随压力增加线性增加,弹性常数C随压力增加线性减小,弹性常数C随压力增加几乎无变化。ε-feooh的弹性常数在33GPa附近发生突然升高,是由结构随着压力增加而产生的氢键对称化现象引起的,表明ε-feooh的弹性常数和氢键的强度密切相关。三相的体积模量随压力增加线性增加,py-FeO、py-feooh的剪切模量随压力线性增加。对比体积模量大小可知py-FeO最高,py-feooh和ε-feooh在高压下几乎一致;而py-FeO的剪切模量最大,ε-feooh的剪切模量最小。ε-feooh在超过33GPa压力条件下发生的氢键对称化给ε-feooh的结构带来显著变化,同时氢键对称化提高了结构内的键和强度,进一步改变影响着ε-feooh的弹性性质以及地震波速。py-FeO、py-feooh和ε-feooh的压缩波速随压力增加而增加。py-FeO的剪切波速随压力增加而增加,py-feooh的剪切波速在0-2000km范围内随压力增加而减小,在2000-6000km范围内变化较小(5.8km/sfeooh的剪切波速在33GPa(大概900km深度)发生突变,在0-900km度范围内随深压力增加而减小,在900-3000km范围内随压力增加而减小。三相中ε-feooh的波速整体最低,而py-FeO波速最高。综合计算结果显示py-FeO、py-feooh具有高密度、低波速的特点,与地幔超低速区(ULVZs)的性质一致;且py-FeO、py-feooh在形成之后可能富集下沉到核幔边界,在地幔边界区域可能直接形成赋存FeOH的致密层,成为超低速区(ULVZs)的来源。

关键词： ε-Fe OOH py-feooh py-FeO2 晶格结构弹性特征第一性原理计算

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