矿物高温高压下弹性的第一性原理计算研究进展

矿物在高温高压下的弹性特性是我们将地球内部波速信息转换为地球内部成分、温度时所不可缺的最基本数据, 是我们理解地球内部水的分布、地球动力学特性等的基础. 最近十多年来, 弹性特性的研究取得了长足的进展. 第一性原理计算方法无需引进任何经验参数, 所得的结果跟实验可以比拟, 可以提供认识地球内部所需的高温高压弹性系统可靠数据, 在矿物高温高压下弹性研究中扮演了越来越重要的角色. 这一方面得益于计算能力的提高, 同时也由于计算方法的进步, 如最近发展的新方法所需的计算量不到常规方法的十分之一, 且保持计算精度, 新方法缓解了常规方法惊人计算量对矿物弹性研究的制约, 加速了我们对地球内部主要矿物弹性特性的获取, 有力地深化了我们对地球内部成分动力学特性的认识. 目前我们对下地幔的主要矿物的弹性特性已经有比较好的认识, 包括温度、压强、铁含量对弹性的影响, 以及铁的自旋转变下铁方镁石体模量的反常降低, 利用这些数据限定下地幔铁方镁石最可能的含量为10~15%. 其自旋转变效应足以在层析成像中产生清晰的信号, 例如在~1700km处纵波的温度敏感性不到~2300km深处的几分之一, 全球P波图像及夏威夷、冰岛等热点下面的地幔柱P波图像在相应深度的“中断”都可能与铁方镁石自旋转变有关. 地球动力学模拟也发现铁的自旋转变对太平洋和非洲下面大低波速块体的两大结构特点(包括清晰的边界以及从核幔边界一直稳定到边界以上近千千米)的形成扮演关键的角色, 从不同的角度表明下地幔铁发生了自旋转变. 计算也研究了大部分上地幔和地幔过渡带的矿物弹性特性包括水含量对地幔过渡带矿物弹性的影响, 以及俯冲带含水矿物及其他不含水的主要矿物的弹性特性, 以帮助弄清俯冲带的含水及水的运移状况, 水在地球内部的分布等. 但目前水对矿物弹性影响的计算工作基本上还没考虑温度的影响, 俯冲带的温度比周围地幔低, 温度的效应是不容忽视的问题, 应该是将来进一步研究的重要方向. 铁及其合金在高温高压下的弹性也被计算大量的研究, 这些研究为更好地确定地核轻元素的种类及其含量提供基础数据, 但现有的弹性数据还远未能满足我们认识地球内部结构对弹性数据的需求, 我们还有大量的工作需要展开.