[논문 리뷰] P-V-T equation of state of MgSiO3 perovskite from molecular dynamics and constraints on lower mantle composition

F. C. Marton, Joel Ita외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 10. 31.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 53인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 VIB 퍼텐셜을 사용한 아비니시오 분자역학를 통해 MgSiO3 퍼보스카이트의 P-V-T 상태방정식을 유도하여, 내부구조 조건에서 열탄성성질을 정확하게 모델링할 수 있게 하였다. 주요 발견은 순수한 (Mg,Fe)SiO3 퍼보스카이트 맨틀이 지구내부구조 관측자료와 일치하지 않지만, 67 mol% 퍼보스카이트(XMg = 0.93–0.96)와 33 mol% 마그네시오우스라이트(XMg = 0.82–0.86)로 구성된 파이롤리틱 성분이 지구내부구조 지오테르모를 따라 관측된 밀도 및 전체음속 속도 프로파일과 일치함을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 내부구조 압력 및 온도 조건에서 MgSiO3 퍼보스카이트의 열상태방정식(EoS)을 규명하기 위해.
• 순수한 (Mg,Fe)SiO3 퍼보스카이트가 유일한 내부구조 구성성분으로서 지구내부구조 관측자료와 일치하는지 평가하기 위해.
• 퍼보스카이트 + 마그네시오우스라이트로 구성된 파이롤리틱 성분이 내부구조 조성에 대해 타당한 모델링이 가능한지 평가하기 위해.
• 유 realistic한 지오테르모를 사용하여 모의된 밀도 및 전체음속 속도 프로파일을 지구내부구조 모델과 비교하기 위해.

제안 방법

• MgSiO3 퍼보스카이트의 P-V-T 성질을 계산하기 위해 비경험적(VIB) 상호작용 퍼텐셜을 사용한 분자역학 시뮬레이션을 수행하였다.
• P-V-T 데이터를 열상태방정식으로 적합: P(V,T) = P0(V,T0) + ΔPth(T), 여기서 T0 = 300 K이며 P0는 고온 등온 Universal EoS이다.
• 열압력을 선형 함수로 표현: ΔPth = a + bT로 하여 고온 영역으로의 외삽 가능성을 확보하였다.
• 지구물리학적 의미를 높이기 위해 평형 부피 V0를 실험값인 162.49 ų로 고정하였다.
• 유도된 상태방정식을 사용하여 내부구조 지오테르모를 따라 밀도 및 전체음속 속도 프로파일을 계산하였다.
• 모의된 프로파일을 지구내부구조 모델과 비교하여 조성 일치성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부구조 조건(P = 0–140 GPa, T = 300–3000 K)에서 MgSiO3 퍼보스카이트의 열상태방정식은 무엇인가?
• RQ2 XMg = 0.9–1.0인 순수한 (Mg,Fe)SiO3 퍼보스카이트로 구성된 내부구조가 관측된 지구내부구조 속도 및 밀도 프로파일을 재현할 수 있는가?
• RQ3 67 mol% 퍼보스카이트, 33 mol% 마그네시오우스라이트로 구성된 파이롤리틱 성분이 내부구조 지구내부구조 모델과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ4 유도된 상태방정식이 지구 내부구조의 조성 및 열탄성적 구조에 미치는 영향는 무엇인가?

주요 결과

• 0–140 GPa 및 300–3000 K 범위에서 MgSiO3 퍼보스카이트의 열상태방정식은 V0 = 165.40 ų, KT0 = 273 GPa, K'T0 = 3.86, a = -1.99 GPa, b = 0.00664 GPa/K로 결정되었다.
• V0를 실험값인 162.49 ų로 고정한 결과, 순수한 (Mg,Fe)SiO3 퍼보스카이트 맨틀(XMg = 0.9–1.0)은 관측된 밀도 및 속도 프로파일을 재현하지 못함을 확인하였다.
• 67 mol% 퍼보스카이트(XMg = 0.93–0.96)와 33 mol% 마그네시오우스라이트(XMg = 0.82–0.86)로 구성된 파이롤리틱 성분은 지구내부구조 모델과 밀도 및 전체음속 속도 프로파일이 유사하게 일치함을 보였다.
• 합리적인 내부구조 지오테르모를 기준으로 지구내부구조 데이터와의 일치는 뚜렷하며, 파이롤리틱 성분이 내부구조에 대한 타당한 모델임을 뒷받침한다.
• 유도된 상태방정식은 퍼보스카이트의 열탄성 거동에 대한 중요한 제약 조건을 제공하며, 내부구조의 지구물리학적 모델링을 향상시킨다.
• 선형 열압항목 ΔPth = a + bT에서 b = 0.00664 GPa/K로 나타나 퍼보스카이트의 열압은 온도에 대해 약한 의존성을 보임을 시사한다.