吴迪1)2) 赵纪军2)† 田华2)

1)(沈阳航空航天大学理学院,沈阳 110136)

2)(大连理工大学物理与光电工程学院,高科技研究院,大连 116024)

1 引言

深度670—2900 km之间的地球内部层圈被称为下地幔,其压力范围是24—136 GPa,温度区间约为1800—3150 K,该层圈占整个地球体积的82%,质量的65%.斜方晶系钙钛矿结构的(Mgx,Fe1−x)SiO3被认为是下地幔中最主要的矿物成分之一[1,2],可能占下地幔总质量的70%—90%.因此,深入了解镁铁钙钛矿的物理性质对地球物理学和地震学的发展具有重要意义.

1981年Dziewonski和Anderson[3]根据当时已确认的大量地震学观测数据,应用反演方法求出地球内部弹性和密度等参数随着地球半径和压力的分布,称之为初步参考地球模型(preliminary reference earth model,PREM).PREM是地球深部物理研究的主要参考依据,各种候选矿物的物理性质与PREM约束的地震波波速和密度等数据剖面对比,是目前限定地球径向深部矿物组成和完善地球深部物性数据的主要方法[4].因此,人们不仅关注镁铁钙钛矿的相变和状态方程[5],而且更重视其弹性模量、泊松比和波速等弹性力学性质及其随压强(或深度)的变化[6].

实验上,通过动高压[7]和静高压技术[8−12]来研究高温高压环境下的材料性质,比如,激光加热金刚石压砧(laser heating diamond anvil cell,LHDAC)可能达到大约550 GPa的压力或者4000 K以上的温度[13].理论研究中,计算机模拟不但可以覆盖整个下地幔的温压范围,而且研究成本相对较低,已经成为探索极端条件下材料行为的有效手段之一[14−17].比如,Karki等[5]和Oganov等[18,19]分别应用密度泛函微扰理论和从头算分子动力学方法研究了……