利用AIMD方法研究Fe含量对D"层相变和地震波速及各向异性的影响

下地幔D"层是地球内部地震波速度横向非均匀性和各向异性的复杂圈层。实验和理论发现，在D"层的温压条件下，会产生（Mg，Fe）SiO3钙钛矿(Pv)到后钙钛矿(pPv)的相变。（Mg，Fe）SiO3钙钛矿中铁的存在会降低相变的压力，铁的电子自旋状态被证明对钙钛矿和镁方铁矿中的铁镁配分系数有重要的影响。后钙钛矿具有明显的弹性各向异性，其晶格优选方位（LPO）为解释D"层地震波各向异性等现象提供了一种新的途径。由于Fe含量对后钙钛矿相变以及对波速及各向异性的影响很难在实验中加以控制，本项目拟运用从头计算分子动力学模拟（AIMD）方法研究近D"层温压条件下，Fe含量的变化对后钙钛矿相变，对密度和地震波速及各向异性的影响，为解释地震的观测资料提供新的依据。

地球物理学探测作为间接观察和测量地球内部各种信息的手段之一，帮助人们了解地球内部结构、物质组成及其物理、化学和热力学性质。近年来，随着理论技术的发展，从头算分子动力学不断地被用于研究地球内部物质结构，探索地球内部奥秘，其优点在于利用量子理论重构电子结构和原子间的相互作用，模拟真实的微观运动。下地幔D”层是地球内部地震波速度横向非均匀性和各向异性的复杂圈层。实验和理论发现，在D”层的温压条件下，会产生(Mg,Fe)SiO3钙钛矿（Pv）到后钙钛矿（pPv）的相变。 (Mg,Fe)SiO3钙钛矿中铁的存在会降低相变的压力，铁的电子自旋状态被证明对钙钛矿和镁方铁矿中铁镁配分系数有重要的影响。后钙钛矿具有明显的弹性各向异性，其晶格优选方位（LPO）为解释D”层地震波各向异性等现象提供了一种新的途径。由于Fe含量对后钙钛矿相变以及对波速及各向异性的影响很难在实验中加以控制，本项目运用AIMD方法（VASP软件包）对不同含铁量下的(Mg,Fe)SiO3进行理论研究，Fe含量的变化对后钙钛矿的相变，对密度和地震波波速及各向异性的影响，为解释地震的观测资料提供新的依据。研究发现：钙钛矿晶体在【100】方向上比【010】和【001】方向更容易压缩，是因为该方向上八面体间空隙大，更容易压缩；后钙钛矿相晶体【010】方向上比【100】和【001】更容易压缩，是因为【010】方向是硅氧八面体层和Mg/Fe原子层间隔排列的方向，层间距大，更容易压缩。通过D”层水平区域垂直传播的波（如SKS波）并未发现明显的剪切波分裂，说明D”层应为具有垂直对称轴的横向各向同性介质。后钙钛矿相(Mg,Fe)SiO3中Fe含量的增加对剪切波的各向异性影响并不显著。后钙钛矿相(Mg,Fe)SiO3中硅氧八面体层沿【010】晶向排列，该层状结构容易导致晶体在剪切作用下形成晶格优选定向或晶形优选定向，这可能是造成D”层各向异性的主要原因。随着Fe含量的增加，(Mg,Fe)SiO3的密度明显增大，横波波速、纵波波速及体波速都有明显的降低，与D”层测得的实验数据相符，说明硅酸盐中含铁可能是造成超低声速的重要原因之一。