铁的价态和自旋对D〞层后钙钛矿中地震波速的影响机制

后钙钛矿是近年来多个学科的研究热点，人们期望通过它来解释D〞层中一些奇特性质，如该层中地震波速的不连续性、不均匀性、强的各向异性和存在超低声速区等特征。实验表明含铁是影响D〞层后钙钛矿中地震波速的重要因素，但铁的价态和自旋等微观性质对地震波速的影响机制还鲜有研究。本项目拟采用第一性原理计算结合分子动力学方法，考虑①含三价铁离子的后钙钛矿中引入氧离子空位缺陷，②铁离子间的强关联相互作用，③铁离子内部自旋(高、中或低自旋)和离子间的自旋取向(铁磁或反铁磁)，及④高温高压等因素，从含铁后钙钛矿的可能结构中优化出D〞层温压条件下的基态结构，进而对其弹性性质和地震波速进行系统研究，结合实验、地震观测和钙钛矿结果，总结铁的价态和自旋对地震波速的影响机制，为D〞层地震波特征的成因研究提供较为全面的约束，也为地球演化和地球动力学研究提供一定的理论依据。

本项目采用第一性原理计算对含铁后钙钛矿的弹性性质和地震波特征进行了研究。①比研究了在静水压力和单轴压力作用下地震波速各向异性, 结果显示地震波最大和最小速度方向都有可能会发生转变。在静水压力作用下, 压缩波的各向异性基本保持不变, 而剪切波各向异性增强。当单轴压力作用在a或c轴上时, 能够得到增强的各向异性, 而恰好相反, 压缩b轴时, 各向异性有减小的趋势。②对于含有多个Fe2+的情况，通过比较不同位置的能量以及结合力学稳定判据，给出了Fe2+的占据位置，结果表明Fe2+倾向于以最紧密的方式替换后钙钛矿中的Mg2+。计算得到的弹性波速结果显示无论P波还是S波，Fe2+都会降低其波速。随着Fe2+的浓度的增加，在高浓度区可以产生很强的横向各项异性。③考虑了含铁机制为铁原子占据硅位并且引入氧空位：2Si4+ ⇔ 2Fe3+ + VO。结果显示在低压下铁原子的中间自旋状态最稳定，但在高压时转变为低自旋状态。在120GPa时通过与纯的MgSiO3相比，由于铁原子以及氧空位的加入，无论是压缩波 还是剪切波 ，波速都有了明显的下降，这可能预示着这种含铁方式与下地幔D"层的超低声速区的形成有关，而同时这种结构对后钙钛矿相MgSiO3的各项异性的影响不是很明显。压缩波的各向异性与剪切波的各向异性在低压时随着压强的增加呈现明显的下降趋势而在高压区域近似于一恒定的值，随压强变化不明显，这一特征也与以前报道的纯的后钙钛矿相MgSiO3的各项异性一致。这些结果可以为D"层强的各项异性及存在超低声速区提供一定解释。在本项目的资助下，发表（含已接收）论文6篇。