地质地球所等运用第一性原理模拟研究下地幔物质成分

　　位于地幔过渡带以下至核幔边界的下地幔，是地球内部体量最大的一个圈层，因而是地球内部物质循环、能量传输等过程的关键一环。从一维地震学模型看，下地幔的波速、密度、弹性模量随深度变化较为平滑，因而常常被认为是地球深部相对“平淡”的区域。近年来，随着金刚石压腔、同步辐射高温高压技术、层析成像地震观测技术以及基于量子力学的计算模拟技术等方面的共同发展，人们对下地幔的认识正逐步深入。

　　下地幔的物质成分是什么?这是长期萦绕在人们脑海的科学问题。而在没有了解清楚下地幔温压条件下矿物特性的情况下，所有假设、推测都存在很大的不确定性。即便对于下地幔总体成分这样的基础问题，人们依然争论不休：下地幔的化学成分是否与上地幔一致?下地幔1600公里左右是否存在化学分异?等等。与此相联系，诸如“如何解释上地幔的硅元素相对地球总体成分缺失?”、“地幔对流是整体对流还是分层对流?”等地球化学和地球动力学问题都受制于人们对物质特性的理解程度。

　　中科院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室张志刚副研究员和英国伦敦大学学院的Lars Stixrude教授和John Brodholt教授合作，运用基于密度泛函理论的第一性原理模拟方法，针对下地幔矿物的热力学和弹性性质进行了大规模计算，并建立了能同时预测矿物相组成和物性的热力学模型。该研究表明：即使是下地幔最为主要的镁钙钛矿，尽管前人已做过许多实验和理论模拟工作，其弹性数据依然存在很大的不确定度。一方面在同时高温和高压条件下通过实验就位测量波速仍然是世界级的难题，另一方面理论模拟方法本身的误差还没有系统讨论过，而这些误差要远远大于下地幔地震观测模型的误差，从而为准确解释地震数据、推测下地幔成分带来困难。该研究提出一种修正密度泛函理论系统偏差的方法，内在综合考虑压力、高温非谐性效应的影响，从而提高了模拟结果的精度和准确性;该研究发现镁钙钛矿剪切波随温度下降的速度要低于前人估计，因而上地幔矿物学模型(pyrolite)可以很好地与一维地震学模型吻合(图1)。该研究对回答下地幔相关科学问题提供了重要约束。

图1 下地幔一维地震学模型(PREM和AK135)与pyrolite地幔矿物学模型剪切波速的比对(红线为本研究结果，蓝线为前人结果，绿色阴影区表明Fe、Al元素所带来的不确定性范围。)