地質地球所等運用第一性原理模擬研究下地幔物質成分

　　位于地幔過渡帶以下至核幔邊界的下地幔，是地球內部體量最大的一個圈層，因而是地球內部物質循環、能量傳輸等過程的關鍵一環。從一維地震學模型看，下地幔的波速、密度、彈性模量隨深度變化較為平滑，因而常常被認為是地球深部相對“平淡”的區域。近年來，隨著金剛石壓腔、同步輻射高溫高壓技術、層析成像地震觀測技術以及基于量子力學的計算模擬技術等方面的共同發展，人們對下地幔的認識正逐步深入。

　　下地幔的物質成分是什么?這是長期縈繞在人們腦海的科學問題。而在沒有了解清楚下地幔溫壓條件下礦物特性的情況下，所有假設、推測都存在很大的不確定性。即便對于下地幔總體成分這樣的基礎問題，人們依然爭論不休：下地幔的化學成分是否與上地幔一致?下地幔1600公里左右是否存在化學分異?等等。與此相聯系，諸如“如何解釋上地幔的硅元素相對地球總體成分缺失?”、“地幔對流是整體對流還是分層對流?”等地球化學和地球動力學問題都受制于人們對物質特性的理解程度。

　　中科院地質與地球物理研究所地球深部結構與過程研究室張志剛副研究員和英國倫敦大學學院的Lars Stixrude教授和John Brodholt教授合作，運用基于密度泛函理論的第一性原理模擬方法，針對下地幔礦物的熱力學和彈性性質進行了大規模計算，并建立了能同時預測礦物相組成和物性的熱力學模型。該研究表明：即使是下地幔最為主要的鎂鈣鈦礦，盡管前人已做過許多實驗和理論模擬工作，其彈性數據依然存在很大的不確定度。一方面在同時高溫和高壓條件下通過實驗就位測量波速仍然是世界級的難題，另一方面理論模擬方法本身的誤差還沒有系統討論過，而這些誤差要遠遠大于下地幔地震觀測模型的誤差，從而為準確解釋地震數據、推測下地幔成分帶來困難。該研究提出一種修正密度泛函理論系統偏差的方法，內在綜合考慮壓力、高溫非諧性效應的影響，從而提高了模擬結果的精度和準確性;該研究發現鎂鈣鈦礦剪切波隨溫度下降的速度要低于前人估計，因而上地幔礦物學模型(pyrolite)可以很好地與一維地震學模型吻合(圖1)。該研究對回答下地幔相關科學問題提供了重要約束。

圖1 下地幔一維地震學模型(PREM和AK135)與pyrolite地幔礦物學模型剪切波速的比對(紅線為本研究結果，藍線為前人結果，綠色陰影區表明Fe、Al元素所帶來的不確定性范圍。)