下地幔和D"层中水的赋存机制及其物理化学效应的理论模拟

Understanding of the Earth's deep water cycle, mineral-water interactions, and its role on the evolution and dynamics of the Earth is one of the most fundamental issues in the earth and planetary science. By performing the state of art quantum chemistry computational simulations, this project aims to conduct the theoretical studies of water in the nominally anhydrous minerals Bridgmanite and post perovskite in the deep lower mantle and the D" layer. It will explore the effect of Ca, Al and Fe elements on the water incorporation mechanism and storage capacity, and explain the relationship between water and Fe spin transition. This project will also clarify the role of water in the geochemical process of phase transition and element partitioning. The physical and chemical effects of water on the lower mantle and the D" layer in core mantle boundary (CMB) will be revealed, which is able to provide a basis for the studies of the water origin in the Earth's deep interior and the Earth early evolution.

认识地球深部水循环和矿物与水的相互作用，及其对地球的演化和动力学的关系一直都是地球和行星科学非常关注的问题。本项目通过采用现代量子化学的计算模拟手段，进行下地幔深部及D"层名义上无水矿物布里奇曼石和后钙钛矿中结构水的理论研究，探索Ca, Al，Fe等元素对水的赋存机制和含水能力的影响，以及结构水与Fe自旋转变的相互关系。查明结构水在矿物相变，元素分配等地球化学过程的作用。进而揭示下地幔和D”层地球核幔边界（CMB）水的物理化学效应，为研究地球内部水的起源及早期地球演化提供制约。

水是生命存在的先决条件，也是地球区别于其它天体的独特组成成分。现已确认地球内部岩石中的含水量估计是地球表面包括海洋水在内的30多倍。地幔中的水不但对地幔地球化学, 地球物理特性等有着重要的影响, 而且对认识地球内部全球水的再循环以及整个行星地球的演化均有着关键性的科学意义。认识地球内部水的行为对地球板块漂移，地震，火山爆发等相关地质过程的研究具有重要的理论意义。本项目在原子及纳米尺度下开展了地幔含水矿物微结构的地球化学量子理论计算模拟。 通过对下地幔和D″层地幔硅酸盐矿物布里奇曼石和后钙钛矿中各种含水机理及相关地球化学和物理性质的理论计算研究，探索了相应的微观机制，为下地幔高温高压实验研究中水含量的争议提供了理论解释，理清了影响实验研究结果的主要地球化学因素，进而预测和指引了下一步实验工作的方向和重点，进一步拓展和提炼了微观矿物结构水对研究宏观地质现象，地球动力学的应用。