含水橄榄石导电机制的第一性原理研究

流体在地球圈层演化、成矿、地震、岩浆和火山活动等过程中起重要作用。随着名义上不含水的地幔矿物中发现了水，地幔中水的存在形式和数量成了研究热点。矿物中微量的水可以引起矿物弹性、电性、流变性等性质大的变化。不同的研究方法得出的含水橄榄石(Mg,Fe)2SiO4导电机制存在不一致（离子传导、小极子传导和质子传导），本研究从原子模拟的角度运用第一性原理和分子动力学方法进行含水橄榄石导电机制的研究，可以稳定的控制矿物中的水含量，较好的解决H的逸散性问题。通过计算H原子在橄榄石中赋存及成键方式，构建不同导电机制的含水结构，模拟高温高压下不同导电方式的含水橄榄石电子结构、带隙、电荷分布、电荷转移等电学性质，对比计算高密度含水相（蛇纹石、phase A、phase B、superhydrous B等）的电性特征。综合分析含水橄榄石的导电机制。为探讨地幔水含量、流体的深部作用提供基础数据支持。

通过第一性原理方法，计算了镁橄榄石表面结构对其电性的影响；计算了高压下水和铁对橄榄石及其高压多形的弹性性质的影响；研究了H在橄榄石和瓦兹利石中的扩散系数，推导水对橄榄石、瓦兹利石导电的影响；研究了Ni60Ta40非晶合金的局域原子结构、弹性性质和电子结构。.构建了镁橄榄石(010)、(001)、(100)和(011)等四个不同晶面的表面结构。计算各个表面相的电子态密度、带结构、电荷分布特征。表层原子的PDOS显示了导电性质，而内部的原子显示为绝缘体性质。同时整个表面相的总电子态密度显示为导体性质，对费米面附近的轨道分析发现其电荷也都是分布在最表层的原子上，表明表面相的导电性增强是由表层原子引起的，这与Dai等（2008）对橄榄岩边界电导率的测量结果一致。.定量计算了0、1.65wt％、3.3wt％的水对镁橄榄石及高压多形相的弹性特征的影响。橄榄石及其高压多形相弹性模量和声速随含水量的增加而降低，并且在高压下这种影响减弱。计算了高压下Mg2SiO4, Mg1.875H0.25SiO4, Mg1.875Fe0.125SiO4, Mg1.75Fe0.125H0.25SiO4 瓦兹利石和林武德石的弹性性质。含铁6.25mol%时，对体弹性模量影响不大，但是瓦兹利石和林武德石剪切模量分别降低2.20%和1.96%，剪切波速分别降低3.58%和3.17%。水和铁共同存在时，瓦兹利石的体模量减少5.57%，剪切模量减少7.80%，而林武德石的体模量和剪切模量分别减少5.84%和4.77%。瓦兹利石的压缩和剪切波速分别减小4.48％和6.11%，林武德石的压缩和剪切波速分别减少4.77%和6.68%。利用H原子在橄榄石、瓦兹利石中的扩散系数推导出水对其导电性质的影响。运用分子动力学NEB方法搜索了H在橄榄石、瓦兹利石中可能的扩散路径，搜索到的镁橄榄石和瓦兹利石最稳定路径的势垒分别是0.585eV、0.789eV。由 ，计算出扩散系数，计算结果显示H在橄榄石和瓦兹利石中的扩散系数随温度的升高而增大。 研究Ni60Ta40非晶合金的局域原子结构、弹性性质和电子结构。结果显示Ni周围的主要结构单元是Ni7Ta6二十面体。计算了Ni60Ta40非晶合金的弹性模量，电子态密度分析揭示出，Ni-Ta二元 BMG具有超高强度的原因是Ni原子和Ta原子之间存在较强的d-d电子作用。