[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用VIB势的从头算分子动力学方法，推导出MgSiO3后尖晶石的P-V-T状态方程，实现了对地幔下部条件下热弹性性质的精确建模。关键发现为：仅由(Mg,Fe)SiO3后尖晶石组成的地幔与地震数据不一致，但含67 mol%后尖晶石（XMg = 0.93–0.96）和33 mol%镁铁尖晶石（XMg = 0.82–0.86）的科罗拉多型组成与沿地温梯度观测到的密度和体波速度分布相符。

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.

研究动机与目标

• 确定MgSiO3后尖晶石在地幔下部压力和温度条件下的热状态方程（EoS）。
• 评估纯(Mg,Fe)SiO3后尖晶石作为地幔下部唯一组分是否与地震观测一致。
• 评估含后尖晶石与镁铁尖晶石的科罗拉多型组成作为地幔组成可行模型的适用性。
• 利用真实地温梯度，将模拟的密度和体波速度分布与地震学模型进行比较。

提出的方法

• 在分子动力学模拟中采用非经验的VIB原子间势，计算MgSiO3后尖晶石的P-V-T性质。
• 将P-V-T数据拟合至热状态方程：P(V,T) = P0(V,T0) + ΔPth(T)，其中T0 = 300 K，P0为等温通用状态方程。
• 将热压表示为线性函数：ΔPth = a + bT，以实现向高温的外推。
• 将平衡体积V0固定为实验测得的162.49 ų，以增强地球物理相关性。
• 利用推导出的状态方程，沿地幔下部地温梯度计算密度和体波速度分布。
• 将模拟分布与地震学模型进行比较，以评估地幔组成的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地幔下部条件（P = 0–140 GPa，T = 300–3000 K）下，MgSiO3后尖晶石的热状态方程是什么？
• RQ2 仅由XMg = 0.9–1.0的(Mg,Fe)SiO3后尖晶石组成的地幔能否再现观测到的地震速度和密度分布？
• RQ3 含67 mol%后尖晶石和33 mol%镁铁尖晶石的科罗拉多型组成在多大程度上与地震学模型吻合？
• RQ4 所推导的状态方程对地球地幔下部组成与热弹性结构有何影响？

主要发现

• 在0–140 GPa和300–3000 K范围内，MgSiO3后尖晶石的热状态方程确定为：V0 = 165.40 ų，KT0 = 273 GPa，K'T0 = 3.86，a = -1.99 GPa，b = 0.00664 GPa/K。
• 将V0固定为实验值162.49 ų后，纯(Mg,Fe)SiO3后尖晶石地幔（XMg = 0.9–1.0）无法匹配观测到的密度和速度分布。
• 含67 mol%后尖晶石（XMg = 0.93–0.96）和33 mol%镁铁尖晶石（XMg = 0.82–0.86）的科罗拉多型组成，可产生与地震学模型高度一致的密度和体波速度分布。
• 在合理的地幔下部地温梯度下，该模型与地震学数据的吻合具有鲁棒性，支持科罗拉多型组成作为地幔下部的可行模型。
• 所推导的状态方程为后尖晶石的热弹性行为提供了关键约束，提升了地幔下部地球物理建模的精度。
• 线性热压项ΔPth = a + bT（其中b = 0.00664 GPa/K）表明后尖晶石中热压对温度的依赖性较弱。