林伍德石含水机制的第一性原理研究

靳佳冀^1,2，余天成³，张飞武^1,3,4

1. 中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室2. 中国科学院大学3. 苏州科技大学数理学院4. 中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室

摘 要：林伍德石中的结构水（OH-）对林伍德石的密度、成分和弹性等物理化学性质,以及地幔转换带地震波的传播速度等都有着重要影响。本文首次尝试在计算地球化学领域引入van der Waals长程作用力修正的第一性原理计算方法,该方法比基于传统密度泛函理论计算的结果更加接近实验观测值。采用该方法我们分别计算模拟了水在林伍德石中不同的赋存机制:Mg空位机制（V″Mg+2H*O）、Si空位机制（V″″Si+4H*O）和反位机制（Mg″Si+2H*O）。通过对缺陷形成能和相关化学反应能的模拟计算,我们发现在不同的压力条件下结构水在林伍德石中的赋存机制不同。在低压条件下,V″″Si+4H*O机制最稳定,而在高压条件下,结构水更倾向于Mg空位取代机制,而这2种机制在所考虑的全部压力条件下都比反位取代机制Mg″Si+2H*O在能量上更稳定。对于在林伍德石晶格中同时存在3价离子Fe3+、Al3+、Sc3+、Lu3+、Y3+、Nd3+的情况下,含Al3+、Fe3+和Nd3+的体系中Si位取代机制M’Si+H*O比Mg位取代机制V″Mg+M*Mg+H*O稳定,而含Sc3+、Lu3+和Y3+的体系中Mg空位取代机制最稳定。

关键词：林伍德石;结构水;3价离子;赋存机制;