第一原理電子状態計算法による含水カンラン石高圧相の構造と弾性特性の解明

利用第一性原理电子结构计算方法阐明水合橄榄石高压相的结构和弹性性质

基本信息

批准号：
07J40001
负责人：
土屋旬
金额：
--
依托单位：
Ehime University
依托单位国家：
日本
项目类别：
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2008
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07J40001/
关键词：
マントル遷移層弾性含水量高圧第一原理計算

项目摘要

第一原理電子状態計算法を用いて含水カンラン石高圧相(β相)構造中に1.65,3.3wt%の水を含んだ組成に関し水素欠陥構造の決定を行った。その結果、最も安定である構造は以前より提唱されていた構造とは異なることが判明した。さらにその構造は実験により報告されている(1)斜方晶から単斜晶への低対称化,(2)軸比の変化,(3)体積弾性率の減少率,(4)OH伸縮振動特性,等多くの測定事実を説明できることがわかった。次に得られた安定構造を用いてその弾性特性を調べた。弾性定数は構造中に含まれる水の量に比例して減少し、実測とのよい一致が得られた。さらにまだ実験的に報告されていない含水β相の弾性定数の圧力変化を計算し、マントル遷移層圧力条件下における含水β相の地震波速度を見積もった。その結果、マントル遷移層上部圧力(約15GPa)において最大水固溶量3.3wt%まで含む揚合,含水β相の速度は無水の速度に対しp波,s波それぞれ-3.9%,-4.8%程度減少するという結果が得られた。さらにこのβ相に1wt%の水が含まれることによって減少する体積弾性率・剛性率はそれぞれ340-430K,290-350Kの温度上昇によって引き起こされる体積弾性率・剛性率の減少と同等であるということが見積もられた。すなわち、マントル遷移層における低速度領域は、高温異常と水の濃集の両方によって説明可能である。

使用第一个原理电子状态计算方法确定了在含水橄榄石高压相（β相）结构中含有1.65和3.3 wt％水的组合物的氢缺陷结构。结果表明，最稳定的结构与先前提出的结构不同。此外，已经发现该结构可以解释通过实验报告的许多测量事实：（1）从正骨到单斜晶的较低对称性，（2）轴向比率变化，（3）体积模量的减小，（4）OH弹力振动特性等。弹性常数与结构中的水量成比例减少，从而与实际测量值良好。此外，尚未通过实验报告的含水β相的弹性常数的压力变化，并估计了在地幔过渡层压力条件下液压β相的地震速度。结果，在地幔过渡层的上压（约15 GPA）下，水合β相的速度最高为3.3 wt％，分别降低了约-3.9％和-4.8％。此外，据估计，在此β相中包含1 wt％的水减少的体积模量和刚度模量相当于体积模量和由340-430K和290-350K的温度升高引起的体积模量和刚度模量。也就是说，地幔过渡层中的低速区域可以通过高温异常和水浓度来解释。