Anomalous elasticity of talc at high pressures: Implications for subduction systems
Anomalous elasticity of talc at high pressures: Implications for subduction systems
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高压下滑石粉的反常弹性：对俯冲系统的影响
DOI：
10.1016/j.gsf.2022.101381
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发表时间：
2022
影响因子：
8.9
通讯作者：
Mainprice, David
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Peng, Ye;Mookherjee, Mainak;Hermann, Andreas;Manthilake, Geeth;Mainprice, David
滑石是一种层状水合硅酸盐矿物，在将水输送到地球内部的过程中发挥着至关重要的作用，对于解释俯冲带环境中的地球物理观测至关重要。在这项研究中，我们利用基于色散力修正的密度泛函理论的第一性原理模拟，研究了三斜滑石和单斜滑石在高达18 GPa时的结构、状态方程和弹性。结果表明，全弹性常张量C11和C22的主成分、剪切成分C66和几个非对角线成分表现出反常的压力依赖关系。弹性常数组分的这种非单调压力依赖关系可能与结构变化有关，通常表现为从低压多型滑石-I到高压多型滑石-II的多型性转变。滑石的多型性转变发生在热力学稳定性范围内的压力范围内。而体弹性和剪切弹性模数均未出现异常软化现象。我们的研究还表明，滑石具有低速、极高的各向异性和异常高的Vp/VS比，因此它是一种潜在的候选矿物相，可以很好地解释许多俯冲系统的地震学研究中观察到的异常高的Vp/VS比和大的横波分裂延迟。
Talc is a layered hydrous silicate mineral that plays a vital role in transporting water into Earth’s interior and is crucial for explaining geophysical observations in subduction zone settings. In this study, we explored the structure, equation of state, and elasticity of both triclinic and monoclinic talc under high pressures up to 18 GPa usingfirst principlessimulations based on density functional theory corrected for dispersive forces. Our results indicate that principal components of the full elastic constant tensor C11and C22, shear components C66, and several off-diagonal components show anomalous pressure dependence. This non-monotonic pressure dependence of elastic constant components is likely related to the structural changes and is often manifested in a polytypic transition from a low-pressure polytype talc-I to a high-pressure polytype talc-II. The polytypic transition of talc occurs at pressures within its thermodynamic stability. However, the bulk and shear elastic moduli show no anomalous softening. Our study also shows that talc has low velocity, extremely high anisotropy, and anomalously highVP/VSratio, thus making it a potential candidate mineral phase that could readily explain unusually highVP/VSratio and large shear wave splitting delays as observed from seismological studies in many subduction systems.
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