[論文レビュー] P-V-T equation of state of MgSiO3 perovskite from molecular dynamics and constraints on lower mantle composition

F. C. Marton, Joel Ita+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2000

High-pressure geophysics and materials参考文献 53被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、VIBポテンシャルを用いたab initio分子動力学を用いて、マグネシウムケイ酸化物ペロブスカイトのP-V-T状態方程式を導出し、下部マントル条件下での熱弾性特性の正確なモデル化を可能にした。主な発見は、純粋な（Mg,Fe）SiO3ペロブスカイトマントルは地震観測データと整合しないが、67 mol%のペロブスカイト（XMg = 0.93–0.96）と33 mol%のマグネジオウスライト（XMg = 0.82–0.86）を含むピロリチック組成が、地温勾配に沿った観測された密度およびボリューム音速プロファイルと一致することである。

ABSTRACT

The composition of the lower mantle can be investigated by examining densities and seismic velocities of compositional models as functions of depth. In order to do this, it is necessary to know the volumes and thermoelastic properties of the compositional constituents under lower mantle conditions. We determined the thermal equation of state (EoS) of MgSiO3 perovskite using the non-empirical VIB interatomic potential with molecular dynamics simulations at pressures and temperatures of the lower mantle. We fit our P-V-T results to a thermal EoS of the form P(V,T) = P0(V,T0) + Delta Pth(T), where T0 = 300 K and P0 is the isothermal Universal EoS. The thermal pressure Delta Pth can be represented by a linear relationship Delta Pth = a + b T. We find V0 = 165.40 A^3, KT0 = 273 GPa, K'T0 = 3.86, a = -1.99 GPa, and b = 0.00664 GPa/K for pressures of 0-140 GPa and temperatures of 300-3000 K. By fixing V0 to the experimentally determined value of 162.49 A3 and calculating density and bulk sound velocity profiles along a lower mantle geotherm, we find that the lower mantle cannot consist solely of (Mg,Fe)SiO3 perovskite with XMg ranging from 0.9-1.0. Using pyrolitic compositions of 67 mol% perovskite (XMg = 0.93-0.96) and 33 mol% magnesiowustite (XMg = 0.82-0.86), however, we obtained density and velocity profiles that are in excellent agreement with seismological models for a reasonable geotherm.

研究の動機と目的

• 下部マントル圧力および温度下でのMgSiO3ペロブスカイトの熱的状態方程式（EoS）を特定すること。
• XMg = 0.9–1.0 の純粋な（Mg,Fe）SiO3ペロブスカイトが唯一の下部マントル成分である場合、地震観測と整合するかを評価すること。
• ペロブスカイト＋マグネジオウスライトを含むピロリチック組成が、下部マントル組成の妥当なモデルとして成立するかを評価すること。
• 実際の地温勾配を用いて、モデル化された密度およびボリューム音速プロファイルを地球物理学的モデルと比較すること。

提案手法

• MgSiO3ペロブスカイトのP-V-T特性を計算するために、経験的でないVIB原子間ポテンシャルを分子動力学シミュレーションに適用した。
• P-V-Tデータを熱的状態方程式にフィットさせた：P(V,T) = P0(V,T0) + ΔPth(T)、ここでT0 = 300 Kであり、P0は等温的ユニバーサル状態方程式である。
• 熱的圧力を線形関数として表現した：ΔPth = a + bT、これにより高温域への外挿が可能となった。
• 地球物理学的関連性を高めるために、平衡体積V0を実験値162.49 ųに固定した。
• 導出された状態方程式を用いて、下部マントルの地温勾配に沿った密度およびボリューム音速プロファイルを計算した。
• モデル化されたプロファイルを地球物理学的モデルと比較し、組成の整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 下部マントル条件（P = 0–140 GPa、T = 300–3000 K）下でのMgSiO3ペロブスカイトの熱的状態方程式は何か？
• RQ2 XMg = 0.9–1.0 の純粋な（Mg,Fe）SiO3ペロブスカイトからなる下部マントルが、観測された地震波速度および密度プロファイルを再現できるか？
• RQ3 67 mol%のペロブスカイト（XMg = 0.93–0.96）と33 mol%のマグネジオウスライト（XMg = 0.82–0.86）を含むピロリチック組成は、下部マントルの地球物理学的モデルとどの程度一致するか？
• RQ4 導出された状態方程式は、地球の下部マントルの組成および熱弾性構造にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 0–140 GPaおよび300–3000 Kの範囲で、MgSiO3ペロブスカイトの熱的状態方程式がV0 = 165.40 ų、KT0 = 273 GPa、K'T0 = 3.86、a = -1.99 GPa、b = 0.00664 GPa/Kとして決定された。
• V0を実験値162.49 ųに固定した場合、XMg = 0.9–1.0 の純粋な（Mg,Fe）SiO3ペロブスカイトマントルは、観測された密度および音速プロファイルと一致しない。
• 67 mol%のペロブスカイト（XMg = 0.93–0.96）と33 mol%のマグネジオウスライト（XMg = 0.82–0.86）を含むピロリチック組成は、密度およびボリューム音速プロファイルが地球物理学的モデルとよく一致する。
• 妥当な下部マントル地温勾配に対して、地震観測データとの一致は強く保たれ、ピロリチック組成が下部マントルの妥当なモデルであることを支持する。
• 導出された状態方程式は、ペロブスカイトの熱弾性挙動に重要な制約を提供し、下部マントルの地球物理学的モデリングを改善する。
• 線形熱的圧力項ΔPth = a + bT（b = 0.00664 GPa/K）は、ペロブスカイトにおける熱的圧力の温度依存性が弱いことを示している。