水、鐵組分對橄欖石性質的第一性原理模擬研究

劉 雷 杜建國 趙紀軍 劉 紅 劉 尉 田利云

1）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2）大連理工大學，遼寧大連 116024

為了了解含水含鐵橄欖石在地球深部的物性變化特征，探討深部低速層的成因和地球內部結構，應用基于密度泛函數理論(DFT)第一性原理模擬方法，系統的計算了高壓下，水和鐵組分對橄欖石及其高壓多形相（瓦茲利石(wadsleyite，β-相橄欖石)和林武德石(γ-橄欖石，ringwoodite)）彈性、體積、相變等物性的影響。研究結果如下：

計算了高壓下含鐵橄欖石（Fe2SiO4(Fa)、(Mg0.875Fe0.125)2SiO4(Fa12.5)和 Mg2SiO4(Fo)）的彈性性質，探討了鐵對橄欖石彈性常數和波速的影響。鐵的存在使橄欖石的體彈性模量增加而剪切模量降低。對比純鎂橄欖石，在0和20 GPa壓力下，Fa12.5的vp分別降低3.0%和3.1%，vs分別降低4.9%和5.8%；而Fa在0和15 GPa壓力下，vp分別降低20.5%和20.6%，vs分別降低30.3%和30.9%。橄欖石結構中的FeO6八面體與MgO6八面體彈性性質的差異，Fe-O鍵與Mg-O鍵長度的不同，是引起含鐵橄欖石彈性變化的主要原因。富含鐵使橄欖石彈性波速降低表明化學組分摻雜，比如流體或者鐵及其他組分的存在，可能是引起地幔低速層的原因。

研究了水對橄欖石高壓相變和彈性的影響。通過研究含水量為0、1.65和3.3 wt%的晶體結構來模擬含水的效應。結果顯示隨著含水量增大，α-β相變壓強降低，而β-γ相變壓強升高，這樣含水效應使得β相的存在區域擴大。含水效應使彈性模量(K和G)和體波波速(vp)降低，但使這些彈性參數對壓強的導數升高，這樣在高壓下含水效應降低。對比實驗研究的結果，在橄欖石相鄰相含水量相同的理想情況下，相變壓強隨含水量的變化更為顯著，而含水對相鄰相體波波速的相對增加值影響并不明顯。這說明橄欖石相邊界處含水量的變化對地幔的結構和物理性質有重要影響。

計算了0、1.65wt%、3.3wt%的水對橄欖石及高壓多形的彈性和波速比的影響。彈性模量和聲速隨隨含水量的增加而降低，并且在高壓下這種影響減弱。含水量隨深度的變化梯度可以為陡峭的地幔地震梯度提供一個解釋。在410和520 km處水會降低地幔的體波速比，這對于探測地幔水含量變化有重要參考意義。

計算了高壓下Mg2SiO4，Mg1.875H0.25SiO4，Mg1.875Fe0.125SiO4，Mg1.75Fe0.125H0.25SiO4瓦茲利石和林武德石的彈性性質。水和鐵共同存在時，瓦茲利石的體模量減少5.6%，剪切模量減少11.0%，而林武德石的體模量和剪切模量分別減少5.8%和12.3%。與水鐵單獨存在時的計算結果相比較，水和鐵共同存在時是水和鐵的綜合效應。水和鐵同時存在時，瓦茲利石的壓縮和剪切波速分別減小4.48%和6.11%，林武德石的壓縮和剪切波速分別減少4.77%和6.68%。總之水和鐵共同存在時，研究其對瓦茲利石和林武德石的壓縮和剪切波速的影響是非常重要的。