下地幔条件下镁钙钛矿熔融曲线的分子动力学模拟研究

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1、密级：硕士学位论文作者姓名：奎工指导教师：韭圭刚≤副巫塞虽≥垫厦皇丝墼物翌巫塞压学位类别：堡堂亟±学科专业：丝蔓化堂培养单位：丝厦皇丝蔓堑堡巫塞压2013年5月ByLiDingADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofScienceInstituteofGeologyandGeophysicsMay,2013中国科学院地质与地球物理研究所研究生学位论文独创性声

2、明本人声明所呈交的学位论文是本人在张志刚导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得主垦型堂随丝厦皇垫蔓物翌硒塞压亟墓他塾直担构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。学位论文作者签名：焘：至签字日期：≯I；年厂月芗日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解史国型堂院垫厦皇丝蔓堑堡巫塞压有关知识产权的规定，研究所有权保留并向国家有关部门或机构送

3、交本论文及论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；生垦科堂陵垫厦皇垫逮物堡巫塞压可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文(保密的学位论文在解密后适用本授权书)。保密论文注释：本学位论文属于保密范畴，保密期限年，解密后适用本授权书。学位论文作者签名：7奎了签字日期：矽f弓年乡月；日导师签名：签字Et期：沙7多年‘月争日致谢在我的研究生学习阶段，受到张志刚老师的辛勤指导，无论是研究选题、平时讨论、监督批评，还是生活上的建议和帮助，张老师都值得受到我最真诚的感谢!崔航师兄、耿明师

4、兄、张正财同学在我的研究过程中，和我进行了有益的讨论，并对我提供了很多建议；刘在荣同学担任了我的答辩秘书；在此也衷心感谢他们对我的帮助!摘要下地幔矿物的熔融性质对地球早期演化、核幔元素分异、地幔对流动力学等都有重要影响。镁钙钛矿是下地幔最主要的组成成分，前人使用高压熔融实验测定其熔融温度，但仅限于较低压力，数量有限且有较大的误差。使用分子动力学模拟获得熔融曲线不受温度压力范围限制，但是面临着体系大小、势能模型、过热效应等诸多问题。本研究使用了三种势能模型(CMAS94、MAMOK、Oganov2000)，在经典分子动力学体系下分别用两相法和Z方法模拟

5、了镁钙钛矿的熔融曲线，和前人的模拟和实验结果进行了对比，并讨论了Z方法的理论基础和本身存在的问题。两相法模拟结果显示：CMAS94和MAMOK势能模型的熔融曲线非常接近，而Oganov2000势能模型在高压下获得了较高的熔融温度。以MAMOK的两相法结果为例，压力从20～80GPa，熔点约从3000K上升到5300K，变化很快，而在80～135GPa熔点从5300K到6100K左右；低压的斜率(在18～40GPa区间约52．96刚GPa)大于高压(在105～143GPa约12．30刚GPa)。镁钙钛矿在核幔边界的熔融温度约为6000～6300K，如果

6、考虑地幔中其它成分的低共熔效应，核幔边界处地幔熔融温度约为4700～5500K，仍高于通常接受的核幔边界温度(约4000K)，指示当今下地幔没有大规模熔融，但不能排除地幔底部局部熔融的存在。Z方法是近来提出的一种模拟熔点的新方法。虽然尚不成熟，但具有很好的应用前景，并且其模拟过程对熔融机制有一定的启发性。我们运用Z方法计算了镁钙钛矿的熔融曲线，并与两相法结果进行了比较。模拟结果表明：CMAS94势能中，两相法曲线系统地高出Z方法约100～200K，而其他两种势能模型得到的熔融曲线非常一致。在低压下，我们还首次观察到Z方法模拟结果为两相共存的状态。基于

7、观察到的模拟现象，我们从理论上澄清并证明了Z方法的适用性，I下地幔条件下镁钙钛矿熔融曲线的分子动力学模拟研究揭示了原有Z方法对过热极限的错误定义。关键词：镁钙钛矿，下地幔，熔融曲线，分子动力学，Z方法，两相法AbstractThemeltingoflowermantlemineralshasgreatinfluenceontheearlyevolutionoftheEarth，chemicaldifferentiationofcore-mantleelements，andthedynamicsofthemantle．Mg-Perovskiteisth

8、emostabundantmineralinthelowermantle，highpressureexper