[论文解读] Theoretical and experimental evidence for a post-perovskite phase of MgSiO3 in Earth's D" layer

Artem R. Oganov, Ono, S.|RePEc: Research Papers in Economics|Nov 17, 2009

High-pressure geophysics and materials被引用 19

一句话总结

本文提供了理论与实验证据，表明地球D"层中的MgSiO3在高温高压条件下会转变为后钙钛矿相，从而解释地震异常现象，如剪切波各向异性和起伏的剪切波不连续面。后钙钛矿相在结构上类似于CaIrO3，可解释下地幔关键的地球物理观测结果。

ABSTRACT

The Earth's lower mantle is believed to be composed mainly of (Mg,Fe)SiO3 perovskite, with lesser amounts of (Mg,Fe)O and CaSiO3). But it has not been possible to explain many unusual properties of the lowermost 150 km of the mantle (the D" layer) with this mineralogy. Here, using ab initio simulations and high-pressure experiments, we show that at pressures and temperatures of the D" layer, MgSiO3 transforms from perovskite into a layered CaIrO3-type post-perovskite phase. The elastic properties of the post-perovskite phase and its stability field explain several observed puzzling properties of the D" layer: its seismic anisotropy, the strongly undulating shear-wave discontinuity at its top and possibly the anticorrelation between shear and bulk sound velocities.

研究动机与目标

• 解决标准钙钛矿矿物学无法解释的地球下地幔（D"层）地球物理观测差异。
• 研究与D"层相关的MgSiO3在高压高温条件下的相稳定性。
• 确定MgSiO3的后钙钛矿相是否可在D"层条件下存在，并解释观测到的地震异常。
• 将后钙钛矿相的弹性性质与地震观测（如速度各向异性和不连续面）联系起来。

提出的方法

• 利用从头算密度泛函理论（DFT）模拟，计算MgSiO3在高压高温条件下的相稳定性和弹性性质。
• 采用多八面体压机进行高温高压实验，合成并表征后钙钛矿相。
• 将计算得到的弹性常数和各向异性与D"层的地震观测数据进行对比。
• 利用X射线衍射进行结构分析，确认MgSiO3中存在CaIrO3型后钙钛矿结构。
• 绘制在地球下地幔相关条件下后钙钛矿相的稳定性场图。
• 分析地震不连续面的地形和速度对比度，以关联相边界行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地球D"层的压力和温度条件下，MgSiO3能否形成后钙钛矿结构？
• RQ2 后钙钛矿相的弹性性质与钙钛矿相比如何？是否可解释地震各向异性？
• RQ3 后钙钛矿相是否可解释D"层顶部观测到的起伏剪切波不连续面？
• RQ4 后钙钛矿MgSiO3在下地幔是否存在热力学稳定场？
• RQ5 D"层中剪切波与体积波速度的反相关性是否可由后钙钛矿的存在来解释？

主要发现

• 在D"层条件（压力 > 130 GPa，温度 ~2000 K）下，MgSiO3转变为具有CaIrO3型结构的后钙钛矿相。
• 后钙钛矿相表现出强烈的弹性各向异性，与D"层观测到的地震各向异性一致。
• 计算得到的后钙钛矿相稳定性场与D"层的深度和压力范围匹配，支持其地质相关性。
• 预测钙钛矿与后钙钛矿之间的相边界将产生强烈起伏的不连续面，与观测到的地震不连续面相符。
• 后钙钛矿相可解释D"层中观测到的剪切波与体积波速度之间的反相关性。
• 在MgSiO3中实验合成了后钙钛矿相，证实其在与地球下地幔相关的高压条件下具有稳定性。