Influence of the iron spin crossover in ferropericlase on the lower mantle geotherm
铁方镁石中的铁自旋交叉在其热力学和热弹性性质中引入了异常。在这里，我们调查这些异常如何影响下地幔地热。在地幔聚合物组成的混合物的bridgmanite，铁方镁石，和CaSiO $_3$钙钛矿，不同的Mg/Si比从方辉橄榄岩钙钛矿（Mg/Si $\sim$ 1.5至0.8）的影响进行了检查。我们发现，引入的自旋交叉的异常增加等熵梯度，从而地热成比例的铁方镁石的量。在深下地幔条件下，该地热可高达$\sim$ 200 K，高于传统的绝热地热。聚合体弹性模量和地震速度也对自旋交叉和地热敏感，这影响下地幔速度和成分的分析。
2016-10-28 physics.geo-ph
Deep-learning-based prediction of the tetragonal$\rightarrow$cubic transition in davemaoite
本研究利用深度学习模拟与热力学积分计算CaSiO₃钙钛矿在300-3000 K、最高130 GPa下的自由能，发现其在下地幔条件下仅存在立方相，从而否定Thomson等人提出的四方-立方相界，并指出中地幔地震异常需另寻机制解释。
2024-01-26 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Radiative conductivity and abundance of post-perovskite in the lowermost mantle
地幔底部的热导系数控制着从地核流出的热流，从而激发行星尺度的地质作用。然而，目前还没有直接的实验测量的热导系数在相关的压力-温度条件下的地球的核幔边界。在这里，我们确定后钙钛矿的辐射电导率在近核幔边界条件下的激光加热金刚石对顶砧光吸收测量。我们的研究结果表明，Mg0.9Fe0.1SiO3后钙钛矿（< 1.2 W/m/K）的辐射电导率是约40%小于在地幔底部的桥镁石。结合现今核幔热流和晶格热导系数的估算结果，我们认为后钙钛矿在地幔底部与桥镁石一样丰富，这对地球深部的动力学具有深远的意义。
2016-09-22 physics.geo-ph
Hydrogen diffusion in the lower mantle revealed by machine learning potentials
本文利用机器学习势分子动力学模拟研究下地幔布里奇曼石和后钙钛矿中的氢扩散，揭示其受温度、压力及缺陷机制影响，并为通过电导率非均质性推断下地幔水分布提供依据。
2024-02-28 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
High-pressure, temperature elasticity of Fe- and Al-bearing MgSiO3: implications for the Earth's lower mantle
Fe和Al是除Mg、Si和O之外最重要的两种成岩元素。它们存在于下地幔最丰富的矿物MgSiO_3桥镁石、MgSiO_3后钙钛矿和MgO方镁石中，改变了它们的弹性性质。然而，关于含铁和铝的MgSiO_3桥晶石和后钙钛矿的热弹性的知识很少。在这项研究中，我们进行从头算分子动力学计算的弹性和地震性质的纯，Fe^{3+}-和Fe^{2+}-，和Al^{3+}轴承MgSiO_3钙钛矿和后钙钛矿，在广泛的压力，温度和Fe/Al组成。我们的研究结果表明，类似地幔岩的矿物组合符合一维地震学模型，至少在核幔边界上方几百公里处，即D“区域的顶部。在D“中，类似的组成仍然非常适合于平均速度，并且相当接近于密度。我们还利用地球动力学模型实现了多晶塑性，以预测由此产生的地震各向异性，并发现在所有成分中具有主导（001）滑移的后钙钛矿与D“中的地震观测结果最一致。
2015-07-17 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Pressure-volume-temperature equation of state of MgSiO3 perovskite from molecular dynamics and constraints on lower mantle composition
下地幔的组成可以通过检查组成模型的密度和地震速度作为深度的函数来研究。为了做到这一点，有必要知道的体积和热弹性性质的组成成分下地幔条件。采用非经验变分诱导呼吸（VIB）原子间作用势，结合分子动力学模拟，在下地幔温度和压力条件下，确定了MgSiO 3钙钛矿的热状态方程。我们将我们的压力-体积-温度结果拟合为形式为P（V，T）= P0（V，T0）+ Delta Pth（T）的热状态方程，其中T0 = 300 K，P0是等温通用状态方程。热压力Δ Pth可以由线性关系Δ Pth = a + b T表示。在压力为0-140 GPa、温度为300-3000 K的情况下，我们发现V0 = 165.40 A^3，KT 0 = 273 GPa，K 'T0 = 3.86，a = -1.99 GPa，b = 0.00664 GPa K^-1。通过将V0固定为实验确定的值162.49 A^3，并计算沿下地幔地热的密度和体积声速剖面，我们发现下地幔不能仅由XMg在0.9-1.0范围内的（Mg，Fe）SiO 3钙钛矿组成。然而，使用67体积%钙钛矿（XMg = 0.93-0.96）和33体积%镁橄榄石（XMg = 0.82-0.86）的热解组合物，我们得到的密度和速度分布与合理的地热地震模型非常吻合。
2001-03-14 physics.geo-ph
Phase transitions in MgSiO3 post-perovskite in super-Earth mantles
形成地球的主要地幔硅酸盐的最高压力形式是MgSiO 3后钙钛矿（PPv）。了解PPv在TPa压力下的命运是了解超级地球型系外行星矿物学的第一步，可以说它们与地球的相似性是最有趣的。模拟其内部结构需要了解稳定的矿物相，其在压缩下的特性和主要元素丰度。极压下的PPv的几项研究支持的概念，一系列的压力诱导的解离转变产生的元素氧化物SiO2和MgO的最终聚集形式在~3 TPa。然而，这些研究都没有解决地幔成分的问题，特别是主要元素丰度通常表示为三个主要变量，Mg/Si和Fe/Si比和Mg#，在地球上。在这里，我们表明，关键的组成参数，镁/硅比，其值在地球的地幔仍然是有争议的，是一个重要的成分建模相变和内部结构的超地球地幔。具体来说，我们已经确定了新的相变序列，包括新的重组反应，决定性地依赖于这个比例。这是一个新的复杂程度，以前没有解决，但证明是必不可少的建模的性质和数量的内部层在这些岩石地幔。
2017-08-16 physics.geo-ph
High solubility of water in post-perovskite and bridgmanite in the Earth's deep lower mantle
The University of Tokyo（东京大学）；Hokkaido University（北海道大学）；Institute of Science Tokyo（东京科学大学）；University of Hyogo（兵库大学）
本研究通过熔融实验结合Cryo-SIMS测量，发现水在深部下地幔的Bdg和PPv中溶解度极高，表明俯冲板块到地幔底部不释放水，提出富水矿物可能构成深部地幔的低D/H水储层。
2026-08-04 astro-ph.EP cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Spin-state crossover and hyperfine interactions of ferric iron in MgSiO$_3$ perovskite
利用密度泛函理论和Hubbard $U$计算方法，我们证明了（Mg，Fe）（Si，Fe）O $_3$钙钛矿的基态在十二面体（A）和八面体（B）位置都具有高自旋三价铁（$S=5/2$）.随着压力的增加，B位铁经历自旋态到低自旋态（$S=1/2$）的交叉，而A位铁保持在高自旋态。我们的计算表明，在40-70 GPa的压力范围内，B位自旋态交叉伴随着明显的体积减小和四极分裂的增加，与最近的x射线衍射和穆斯堡尔谱测量一致。体积减小导致体积模量显著软化，这表明下地幔地震速度异常的可能来源。
2011-02-02 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
First-principles study of intermediate-spin ferrous iron in the Earth's lower mantle
铁的自旋交叉在固体地球物理中具有重要意义。它会影响构成地球下地幔$\sim 95$ vol\%的矿物的所有物理性质：铁方镁石[（Mg，Fe）O]和含铁硅酸镁（MgSiO $_3$）钙钛矿。尽管在过去的十年中取得了很大的进展，二价铁（Fe $^{2+}$）的中间自旋（IS）状态（具有总电子自旋$S=1$）的存在及其在这些下地幔矿物的压力诱导自旋交叉中的可能作用仍然存在争议。采用密度泛函理论$+$自洽Hubbard $U$（DFT $+U_{sc}$）计算方法，研究了Fe $^{2+}$在（Mg，Fe）O和（Mg，Fe）SiO $_3$钙钛矿中所有可能的IS态.在这些矿物中可能的IS状态中，最可能的IS状态具有显着降低电子重叠和铁核四极分裂（QS）的电子构型。然而，这些最可能的IS态在能量上仍然是不受欢迎的，它们的量子点与穆斯堡尔谱不一致。因此，我们得出结论，IS Fe $^{2+}$是极不可能在地球的下地幔。
2014-10-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.geo-ph
Equations of state and stability of MgSiO$_3$ perovskite and post-perovskite phases from quantum Monte Carlo simulations
我们利用量子蒙特卡罗（QMC）模拟和密度泛函理论（DFT）计算研究了MgSiO $_3$钙钛矿（Pv）和后钙钛矿（PPv）在下地幔底部压力和温度条件下的状态方程。采用准简谐近似和密度泛函微扰理论计算了分子的基态能量和与温度相关的Helmholtz自由能。MgSiO $_3$两相的物态方程与实验符合良好，且优于广义梯度近似（GGA）计算结果。从我们的QMC状态方程计算的Pv-PPv相边界也与实验一致，比以前的LDA计算更好。我们讨论了在地球上的Pv-PPv边界的双重交叉的影响。
2014-09-24 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Mantle Dynamics in Super-Earths: Post-Perovskite Rheology and Self-Regulation of Viscosity
简单的比例表明，超级地球比同等地球大小的行星更有可能经历板块构造。一般而言，粘度和热导率随压力的增加而增加，而热膨胀率降低，导致地幔深部对流活力降低。根据传统的想法，这可能会导致超级地球的地幔深处没有对流。在这里，我们对此进行评估。首先，我们在这里扩展后钙钛矿激活焓的密度泛函理论（DFT）计算到1 TPa的压力。扩散蠕变的激活体积变得非常低，在非常高的压力，但尽管如此，最大的超级地球的粘度沿地幔可能会接近1030 Pa·s的深部地幔。其次，我们使用这些计算值的地幔对流和岩石圈动力学的行星与多达10个地球质量的数值模拟。该模型假设了一个可压缩地幔，包括深度依赖的材料属性和塑性屈服诱导板块构造。结果证实了板块构造的可能性，并显示了一种新的深地幔温度的自我调节。深部地幔不是绝热的;相反，内部加热使温度升高，直到粘度低到足以促进放射性热的对流损失，这导致超绝热温度分布和粘度随深度增加不超过3个数量级，而不管为一个地幔计算的粘度增加。大型超级地球的对流特征是大的上升和小的，随时间变化的下降。如果超级地球在其形成后非常热/熔融，那么即使在数十亿年之后，其深部内部也可能仍然非常热，并且可能基本上熔融有“超级基底岩浆海洋”-一个更大的版本（Labrosse等人，2007年）。
2013-01-10 astro-ph.EP physics.flu-dyn physics.geo-ph
Optical signatures of low spin Fe3+: a new probe for the spin state of bridgmanite and post-perovskite
铁的自旋转变直接影响下地幔矿物的性质，从而改变地球深部的地球物理和地球化学特征。虽然铁方镁石中的自旋转变已经在P ~ 60 GPa和300 K下被有力地建立，但是在其他造岩矿物中的自旋转变的实验证据，例如硼镁石和后钙钛矿，仍然存在争议。多价态，自旋，和配位状态的铁在钙钛矿和后钙钛矿是难以解决与传统的自旋探测技术。另一方面，光学光谱对不同位置的高/低自旋亚铁/三价铁敏感;因此，它可以成为自旋跃迁的有力探针。在这里，我们建立了低自旋Fe 3 + O 6，一个合理的低自旋单位在bridgmanite和后钙钛矿，在金刚石对顶砧单元的光学吸收实验的光学签名。我们发现，在NAL（新铝相）的Fe 3 + O 6的光吸收是非常敏感的铁自旋状态，并代表了一个模型行为的bridgmanite和后钙钛矿在下地幔深部的自旋转变。具体而言，中心在~ 19000 cm-1的吸收带是NAL中低自旋Fe 3+在40 GPa下的2 T2 g到2 T1 g（2A 2g）跃迁的特征。这一新的光谱信息约束的低自旋Fe 3+的晶体场分裂能量~ 22200 cm-1，我们也独立地证实了我们的第一性原理计算。结合Fe 3 + O 6-化合物的电子结构信息，我们将Fe 3+在八面体场中的自旋配对能限制在~ 20000-23000 cm-1。这意味着八面体配位的Fe 3+在P > ~ 40 GPa时是低自旋的。
2016-10-04 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Constraints on the composition and temperature of LLSVPs from seismic properties of lower mantle minerals
在这里，我们提供了一个潜在的LLSVP组合物的基础上改进的矿物模型，包括，例如，氧化铝的影响重新评估。我们还系统地研究了六个参数的影响：FeO和Al $_{2}$ O $_{3}$含量，比例的CaSiO $_{3}$和bridgmanite（使铁方镁石的比例隐含调查），Fe $^{3+}$ / $\sum$ Fe和温度之间的差异远场地幔和LLSVP。在研究的8100万个案例中，只有79000个案例解释了地震观测。然而，这些成功的情况涉及大范围的参数，例如，FeO含量在12- 25重量%之间，Al $_{2}$ O $_{3}$含量在3- 17重量%之间。然后，我们应用主成分分析（PCA），这些情况下，并找到两个强大的结果：（i）铁方镁石的比例应该是低的（$<$ 6体积\%）;（ii）形成的Fe $^{3+}$轴承bridgmanite比其他含铁相更有利。根据这些结果，我们确定了两个端员组合物，丰富的Bm和CaPv丰富，并讨论了它们的特点。最后，我们讨论了LLSVP形成的不同方案，并建议调查每个方案产生的矿物比例是评估其相关性的最佳方法。例如，原始岩浆海洋的凝固可能产生FeO和Al $_{2}$ O $_{3}$含量与我们的分析所建议的相似。然而，这种水库的矿物比例并没有很好的约束，可能包含更大比例的铁方镁石比我们的研究结果所允许的。
2020-11-23 physics.geo-ph
Thermoelastic properties of bridgmanite using Deep Potential Molecular Dynamics
本研究结合 DP 与 DFT，构建覆盖多种泛函的 MgPv 深度学习势，准确预测下地幔条件下的状态方程与弹性质，兼顾精度与效率。
2023-08-18 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
