CaSiO3钙钛矿高压熔化线的研究

地球物质的高压熔化温度对认识地球及类地行星的化学组成、地幔对流和热演化等科学问题有重要意义。根据传统的地幔岩模型，CaSiO3钙钛矿在地球下地幔的丰度是排在(Mg,Fe)SiO3钙钛矿和(Mg,Fe)O镁方铁矿之后含量最丰富的矿物，约占下地幔体积的5%。本项目拟利用唯象模型以及单相和两相分子动力学模拟方法，比较系统地研究CaSiO3钙钛矿的高压熔化线，并结合前人对(Mg,Fe)SiO3钙钛矿和(Mg,Fe)O镁方铁矿高压熔化线的研究结果，深化对下地幔物质热物理性质的理解，为建立下地幔物质的地球物理和地球化学模型提供重要的物理参数。本课题具有地球深部物理与凝聚态物理交叉学科研究性质，研究结果对深化有关固-液相变基础物理问题的认识亦有重要意义。

MgSiO3钙钛矿、MgO和CaSiO3钙钛矿等是地球下地幔最重要的候选矿物。因此，研究它们的高压物性对理解地球的结构、动力学、起源及演化至关重要。本项目通过考虑地球内部复杂系统的结构特征，建立了一套有效研究地球下地幔主要候选矿物高压特性的理论方法。基于这套方法，该项目系统地研究了下面几个方面的内容：1. 根据最新的熔化理论，提出了判断复杂物质熔化的判据。并利用该判据，首次利用分子动力学方法确定了CaSiO3钙钛矿的高压熔化线。利用此方法，进一步研究了MgSiO3钙钛矿、NaCl、CaO、MgF2等矿物的高压熔化行为。测量沿雨贡纽（Hugoniot）曲线的声速将有助于对熔化的理解。为此，利用直接反向加载技术和激光速度干涉法，确定了Ta在10-110 GPa冲击压力范围内的声速，澄清了之前长期存在的Ta的动、静高压熔化线之间的矛盾。2. 利用第一性原理方法，研究了CaSiO3钙钛矿、MgSiO3钙钛矿和MgSiO3后钙钛矿的高压弹性常数（体弹模量、剪切模量、杨氏模量和泊松比等），得到了不同剪切平面的剪切各向异性因子、体弹模量沿不同对称轴的压缩和剪切各向异性，分析了线性体弹模量对弹性各向异性的贡献，获得了沿不同对称平面和不同对称轴的各向异性因子，并讨论了它们的地球物理意义。研究结果对建立约束地球内部的组分模型具有关键的作用。3. 利用准谐近似Debye模型和分子动力学方法，研究了CaSiO3钙钛矿、MgSiO3钙钛矿和MgSiO3后钙钛矿、MgO、NaCl、MgF2、ZnO等高温高压下的热力学性质，给出了有关矿物热力学物性参量随温度和压强变化的规律性认识，为它们的物态方程研究提供了必要的理论数据。4. 利用第一性原理方法，首次研究了高压下CaSiO3钙钛矿和MgO的电介质函数和包括反射率、吸收系数、折射率和电子能量损耗函数在内的光学性质；分析了压力对电介质函数和光学性质的影响；研究了能带结构、态密度、带隙与压力的关系等。研究结果对CaSiO3钙钛矿和MgO在高压下的物理性质变化及其微观机制给予了全面地解读。