含铁后钙钛矿的热传导特征研究：对D"层热结构的启示

The discovery of post-perovskite has been accepted as a new way to explain the special physical, chemical and seismic properties of D″ layer, thus much attention is attracted to this field. The lattice thermal conductivity of post-perovskite determines the magnitude of heat flux from the core, and is intimately related to stability of the boundary layer and the formation of mantle plumes, the longterm thermal evolution of both mantle and core, and the driving force for generation of the geomagnetic field. However, due to the limitation of experimental techniques, its lattice thermal conductivity is short of knowledge, especially for the effect of iron on thermal conductivity. This proposal will apply first principles molecular dynamics combined with lattice dynamics method, and the iron as an impurity in the minerals of mantle will be considered, and the disorder and isotope effects will be induced. The effects of valence states, spin states and contents of iron on thermal conductivity of post-perovskite will be studied, and the effect of phase transition from perovskite to post-perovskite on thermal structure of D″ layer will be discussed. The average thermal conductivity and thermal flux of the mixture of two minerals (Periclase and Post-Perovskite) will be calculated. This study can provide key physical basis and critical constraints for D″layer to establish a reasonable thermal structure, and also provide a theoretical basis for the evolution of the Earth and geodynamics.

后钙钛矿的发现为解释D″层特殊的物理、化学和地震波等特征提供了一条新途径，因此吸引了多个学科的注意。后钙钛矿晶格热传导性质决定了来自地核的热流大小，与D″层的稳定性及地幔柱的形成有着密切的联系，同时也影响着地幔和地核长期的热演化进程和地磁场的产生等地质过程。因受实验技术的限制，对其热传导特征认识不足，尤其是含铁对热传导的影响。本项目拟采用第一性原理分子动力学结合晶格动力学计算方法，在模型上考虑铁作为杂质存在于后钙钛矿中，并且引入原子无序及同位素效应，系统研究铁的价态、自旋和含量对后钙钛矿的热传导特征的影响机制；探讨相变(钙钛矿至后钙钛矿)对D″层热流的影响；计算D″层矿物混合组分(20%方镁石与80%后钙钛矿)的平均热导率及热流值，给出热导率随温度和压强变化的分布函数。该项目的实施能够为合理的建立D″层热结构提供关键的物理依据和约束条件，同时为地球演化和地球动力学研究提供一定的理论依据。

矿物的热导率决定着地球内部的热通量，部分决定着地球下地幔的热演化和动力学。在高温高压下，方镁石、钙钛矿和后钙钛矿的晶格热导率的研究虽然取得了很大的进展，但铁的掺入对晶格热导率的影响仍不清楚。在本项目的研究中，我们采用了广泛的第一原理方法结合晶格动力学来计算含铁的三种矿物的晶格热导率。我们的计算表明，与不含铁矿物相比，含有亚铁离子后三种矿物的晶格热导率显著减小，主要是由于含铁后其体波速度减小且声子的寿命变短决定的，这与以前的测量结果一致。对于含铁方镁石，随着含铁量的增加，其晶格热导率会进一步降低。另外，值得注意的是，高自旋到低自旋的转变导致晶格热导率的增加。含铁方镁石在混合自旋（MS）状态下的晶格热导率显示出沿自旋转变区的强烈异常。对于含铁钙钛矿，铁浓度对晶格热导率的影响很小，尽管不含铁的钙钛矿和含铁钙钛矿间的差异很大。但是含铁后钙钛矿晶格热导率对铁的浓度依赖性强，含铁后钙钛矿在铁浓度高于18.4%时，其晶格热导率小于含有相同铁浓度的钙钛矿，这一结果与不含铁的体系情况恰好相反。热解地幔组分的平均热导率显示出750至1500 km之间的不规则变化并不强，主要是因为下地幔中体积含量最大的仍然是钙钛矿。此外，由于MS的影响，在核幔边界处的晶格热导率会减小。因此，由晶格热导率决定核幔边界的热流值较小，这意味着辐射传导率对热传递在核幔边界也起着重要作用。