水、铁组分对橄榄石性质的第一性原理模拟研究

刘 雷 杜建国 赵纪军 刘 红 刘 尉 田利云

1）中国地震局地震预测研究所，北京 100036

2）大连理工大学，辽宁大连 116024

为了了解含水含铁橄榄石在地球深部的物性变化特征，探讨深部低速层的成因和地球内部结构，应用基于密度泛函数理论(DFT)第一性原理模拟方法，系统的计算了高压下，水和铁组分对橄榄石及其高压多形相（瓦兹利石(wadsleyite，β-相橄榄石)和林武德石(γ-橄榄石，ringwoodite)）弹性、体积、相变等物性的影响。研究结果如下：

计算了高压下含铁橄榄石（Fe2SiO4(Fa)、(Mg0.875Fe0.125)2SiO4(Fa12.5)和 Mg2SiO4(Fo)）的弹性性质，探讨了铁对橄榄石弹性常数和波速的影响。铁的存在使橄榄石的体弹性模量增加而剪切模量降低。对比纯镁橄榄石，在0和20 GPa压力下，Fa12.5的vp分别降低3.0%和3.1%，vs分别降低4.9%和5.8%；而Fa在0和15 GPa压力下，vp分别降低20.5%和20.6%，vs分别降低30.3%和30.9%。橄榄石结构中的FeO6八面体与MgO6八面体弹性性质的差异，Fe-O键与Mg-O键长度的不同，是引起含铁橄榄石弹性变化的主要原因。富含铁使橄榄石弹性波速降低表明化学组分掺杂，比如流体或者铁及其他组分的存在，可能是引起地幔低速层的原因。

研究了水对橄榄石高压相变和弹性的影响。通过研究含水量为0、1.65和3.3 wt%的晶体结构来模拟含水的效应。结果显示随着含水量增大，α-β相变压强降低，而β-γ相变压强升高，这样含水效应使得β相的存在区域扩大。含水效应使弹性模量(K和G)和体波波速(vp)降低，但使这些弹性参数对压强的导数升高，这样在高压下含水效应降低。对比实验研究的结果，在橄榄石相邻相含水量相同的理想情况下，相变压强随含水量的变化更为显著，而含水对相邻相体波波速的相对增加值影响并不明显。这说明橄榄石相边界处含水量的变化对地幔的结构和物理性质有重要影响。

计算了0、1.65wt%、3.3wt%的水对橄榄石及高压多形的弹性和波速比的影响。弹性模量和声速随随含水量的增加而降低，并且在高压下这种影响减弱。含水量随深度的变化梯度可以为陡峭的地幔地震梯度提供一个解释。在410和520 km处水会降低地幔的体波速比，这对于探测地幔水含量变化有重要参考意义。

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。水和铁共同存在时，瓦兹利石的体模量减少5.6%，剪切模量减少11.0%，而林武德石的体模量和剪切模量分别减少5.8%和12.3%。与水铁单独存在时的计算结果相比较，水和铁共同存在时是水和铁的综合效应。水和铁同时存在时，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%。总之水和铁共同存在时，研究其对瓦兹利石和林武德石的压缩和剪切波速的影响是非常重要的。