地幔碳酸盐熔体电导率的分子模拟与模型研究

Electrical conductivity structure of the Earth’s deep interior became a popular research topic recently. And the mechanism of which caused the high conductivity anomalies is one of the most attractive debates. Neither hydrous mantle minerals nor silicate melts in partial molten rock can convince everyone. Carbonate melt provided us new possibility to consider the cause of high conductivity anomalies. But the research on carbonate melt is far less than enough. Experiment results are lack of “in situ” composition information. In this study, we plan to get the composition information by using free energy optimization technique. And also expand the carbonate melt conductivity data range up to 6GPa with non-equilibrium molecular dynamics simulations. Then build up a carbonate melt conductivity model for different temperature, pressure and composition. With the help of this model, we will predict the variations of mantle conductivity in earth deep carbon cycle with carbonate melt. We will also discuss the contribution carbonate melt may make for the mantle high conductivity anomalies.

地球内部电导率结构研究是近些年来地球深部领域的研究热点，而其中一些高电导异常区域的成因也成为学术界争论的焦点之一。不同研究组提出的含水的地幔矿物和部分熔融的硅酸盐熔体似乎都不能让大家达成共识。而碳酸盐熔体的高电导率特征为这一争论带来了新的思路。但目前针对地幔中Ca/Mg碳酸盐熔体的电导率研究还很少，并且实验中无法得到原位的成分比例信息。本项目拟通过使用自由能优化方法获得已有实验中相应温度压力条件下的矿物组成与比例，并通过非平衡分子动力学模拟获得实验不覆盖区域的碳酸盐熔体电导率。然后结合实验和模拟数据建立起6GPa以内的碳酸盐熔体电导率随温度、压力、组分变化的模型。利用建立的模型和自由能优化方法对碳酸盐熔体参与的地球深部碳循环过程中地幔电导率可能的变化做出预测，并讨论碳酸盐熔体对地幔高电导区可能的贡献。

地幔高电导带的成因机制对我们了解地幔化学成分乃至地幔动力学演化有至关重要的作用。碳酸盐熔体的高电导率特征近年来被认为是解释这一问题的新思路。我们通过热力学方法计算了不同碳酸盐含量的地幔岩中碳酸盐熔体的稳定温压条件，发现如果150km左右由碳酸盐熔体形成高电导带，则地幔岩石中将需要有大于5wt%等效CO2的碳酸盐矿物。由于国际同行发表了相似的第一性原理模拟，而我们在相互作用力场参数上遇到的困难无法直接开展大规模分子动力学模拟，我们及时调整了研究计划，将对电导有很大影响却研究程度相对薄弱的矿物边界加入到研究中。通过联合热力学分析和第一性原理模拟提出一套矿物表面结构稳定性的评价方法框架并应用于镁橄榄石端元和布里奇曼石。分别获得了在相应温度压力和化学环境下这两种矿物的表面结构。从理论上发现原子的震动能对自由能的贡献对布里奇曼石的稳定十分重要。为进一步研究流熔体与矿物的反应对电导率的影响和流变学特性提供了研究的基础。