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高温高压下MgSiO_3熔体结构和状态方程的第一性原理分子动力学研究

作　者: 邓莉
导　师: 刘红
学　校: 中国地震局地震预测研究所
专　业: 固体地球物理学
关键词: 第一性原理 分子动力学 对相关函数 平均配位数 状态方程
分类号: P542.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


实验和理论研究表明，过渡带和核幔边界顶部可能有硅酸盐熔体存在，地球物理观测资料也为此提供了证据。高温高压下硅酸盐熔体结构和状态方程（EoS）是了解地幔动力学和地球热演化过程的关键所在。由硅酸盐熔体实验和模拟技术困难所致，高温高压下硅酸盐熔体的结构和热动力学性质还知之甚少。本论文采用第一性原理分子动力学方法模拟计算了MgSiO3熔体在高温高压（0144GPa，20006000K）条件下的微观结构和状态方程。模拟结果和讨论如下：1.基于第一性原理分子动力学方法模拟计算，结合对相关函数（PCF）计算、分析了MgSiO3熔体的微观结构。（1）近零压2000K下O-Si、O-Mg和O-O对相关函数的第一峰值位置分别为1.635、1.970和2.695，O-Si和O-Mg与实验值1.620和2.120吻合得很好；（2）随着压力和温度的变化，MgSiO3熔体结构发生了显著变化。特别是随着压力增加，结构变得更致密；原子间的平均键长随温度增加而减小；（3）在133GPa，4000K条件下MgSiO3熔体的O-Si、O-Mg和O-O平均键长分别是1.610、1.835和2.300；（4）从地表的常压到核幔边界压力过程中，平均Si-O配位数从4变到6，桥氧数目比例由31.3%增高到72.9%。2.基于模拟计算得到的压力、温度和体积结果，通过拟合三阶Birch-Murnaghan物态方程，得到了熔体的高温高压状态方程和体积模量。（1）0K下，MgSiO3非晶的密度随着压力增加而单调递增，且020GPa内增速较快，压力大于20GPa时增速相对减缓；（2）高温高压下，密度随着压力增加而增大，随温度增加而减小。温度对MgSiO3熔体密度的影响作用强弱受到压力的控制，其中在在10GPa左右达到极大值；（3）密度为2.71g/cm3时，温度相对压力的增长率（ΔT/ΔP）最大，大于2.71g/cm3时，温度增长率减小约75%。这可能说明了岩石圈浅层低密度的MgSiO3熔体热动力学行为的温度效应较高，而随着压力增大，地幔深部的熔体温度效应降低，此时压力效应占主导因素；（4）对计算的压力体积数据分别用Birch-Murnaghan和Vinet物态方程拟合，得到的零压2000K条件下的体积模量参数为K0=21.62GPa和K0=21.99GPa。总之，本文通过对MgSiO3熔体第一性原理分子动力学模拟研究，丰富了地幔矿物熔体的理论研究，属于地球深部物质成分物理学和动力学研究领域的新成果。

全文目录


硕士学位论文摘要  3-5
目录  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-11
第一章 前言  11-17
  1.1 选题意义  12-13
  1.2 MgSiO_3熔体研究现状  13-17
    1.2.1 结构的研究现状  13-14
    1.2.2 状态方程的研究现状  14-17
第二章 基本原理和方法  17-39
  2.1 密度泛函理论  18-28
    2.1.1 绝热近似  19
    2.1.2 Hohenberg Kohn 定理：多体理论  19-20
    2.1.3 Kohn Sham 方程  20-23
    2.1.4 交换关联泛函  23-25
    2.1.5 Bloch 定理和平面波基集  25-26
    2.1.6 赝势近似方法  26-28
  2.2 分子动力学（MD）方法  28-35
    2.2.1 分子动力学方法理论背景  28-29
    2.2.2 牛顿方程的积分算法  29-32
    2.2.3 原子间的相互作用势  32-33
    2.2.4 分子动力学模拟的系综  33-35
  2.3 程序简介  35-36
    2.3.1 CASTEP 简介  35
    2.3.2 VASP 简介  35-36
  2.4 本研究计算方法  36-39
第三章 MgSiO_3熔体结构随温度压力的变化  39-47
  3.1 对相关函数  39-44
  3.2 原子平均配位数  44-45
  3.3 不同温压下的原子结构  45-47
第四章 MgSiO_3熔体的状态方程  47-55
  4.1 0 K下PV曲线  47-48
  4.2 高温高压下状态方程  48-50
  4.3 高温高压下密度的温度敏感性  50-51
  4.4 高温高压下 P T 特性  51-52
  4.5 体积模量参数  52-55
第五章 结论  55-57
参考文献  57-65
致谢  65-67
个人简历  67

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 地质学 > 构造地质学 > 构造运动 > 深部构造、深部地质
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