水、鐵組分對(duì)橄欖石性質(zhì)的第一性原理模擬研究

劉 雷 杜建國(guó) 趙紀(jì)軍 劉 紅 劉 尉 田利云

1）中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

2）大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024

為了了解含水含鐵橄欖石在地球深部的物性變化特征，探討深部低速層的成因和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，應(yīng)用基于密度泛函數(shù)理論(DFT)第一性原理模擬方法，系統(tǒng)的計(jì)算了高壓下，水和鐵組分對(duì)橄欖石及其高壓多形相（瓦茲利石(wadsleyite，β-相橄欖石)和林武德石(γ-橄欖石，ringwoodite)）彈性、體積、相變等物性的影響。研究結(jié)果如下：

計(jì)算了高壓下含鐵橄欖石（Fe2SiO4(Fa)、(Mg0.875Fe0.125)2SiO4(Fa12.5)和 Mg2SiO4(Fo)）的彈性性質(zhì)，探討了鐵對(duì)橄欖石彈性常數(shù)和波速的影響。鐵的存在使橄欖石的體彈性模量增加而剪切模量降低。對(duì)比純鎂橄欖石，在0和20 GPa壓力下，F(xiàn)a12.5的vp分別降低3.0%和3.1%，vs分別降低4.9%和5.8%；而Fa在0和15 GPa壓力下，vp分別降低20.5%和20.6%，vs分別降低30.3%和30.9%。橄欖石結(jié)構(gòu)中的FeO6八面體與MgO6八面體彈性性質(zhì)的差異，F(xiàn)e-O鍵與Mg-O鍵長(zhǎng)度的不同，是引起含鐵橄欖石彈性變化的主要原因。富含鐵使橄欖石彈性波速降低表明化學(xué)組分摻雜，比如流體或者鐵及其他組分的存在，可能是引起地幔低速層的原因。

研究了水對(duì)橄欖石高壓相變和彈性的影響。通過(guò)研究含水量為0、1.65和3.3 wt%的晶體結(jié)構(gòu)來(lái)模擬含水的效應(yīng)。結(jié)果顯示隨著含水量增大，α-β相變壓強(qiáng)降低，而β-γ相變壓強(qiáng)升高，這樣含水效應(yīng)使得β相的存在區(qū)域擴(kuò)大。含水效應(yīng)使彈性模量(K和G)和體波波速(vp)降低，但使這些彈性參數(shù)對(duì)壓強(qiáng)的導(dǎo)數(shù)升高，這樣在高壓下含水效應(yīng)降低。對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，在橄欖石相鄰相含水量相同的理想情況下，相變壓強(qiáng)隨含水量的變化更為顯著，而含水對(duì)相鄰相體波波速的相對(duì)增加值影響并不明顯。這說(shuō)明橄欖石相邊界處含水量的變化對(duì)地幔的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)有重要影響。

計(jì)算了0、1.65wt%、3.3wt%的水對(duì)橄欖石及高壓多形的彈性和波速比的影響。彈性模量和聲速隨隨含水量的增加而降低，并且在高壓下這種影響減弱。含水量隨深度的變化梯度可以為陡峭的地幔地震梯度提供一個(gè)解釋。在410和520 km處水會(huì)降低地幔的體波速比，這對(duì)于探測(cè)地幔水含量變化有重要參考意義。

計(jì)算了高壓下Mg2SiO4，Mg1.875H0.25SiO4，Mg1.875Fe0.125SiO4，Mg1.75Fe0.125H0.25SiO4瓦茲利石和林武德石的彈性性質(zhì)。水和鐵共同存在時(shí)，瓦茲利石的體模量減少5.6%，剪切模量減少11.0%，而林武德石的體模量和剪切模量分別減少5.8%和12.3%。與水鐵單獨(dú)存在時(shí)的計(jì)算結(jié)果相比較，水和鐵共同存在時(shí)是水和鐵的綜合效應(yīng)。水和鐵同時(shí)存在時(shí)，瓦茲利石的壓縮和剪切波速分別減小4.48%和6.11%，林武德石的壓縮和剪切波速分別減少4.77%和6.68%。總之水和鐵共同存在時(shí)，研究其對(duì)瓦茲利石和林武德石的壓縮和剪切波速的影響是非常重要的。