成果名称 

量子力学与热力学相结合研究地球深部物质成分 

成果表现形式 

1. Zhang ZG, Stixrude L, Brodholt J. 2013. Elastic properties of MgSiO₃-perovskite under lower mantle conditions and the composition of the deep Earth. Earth and Planetary Science Letters, 379: 1-12 
2. Cui H, Zhang ZG, and Zhang YG. 2013. The effect of Si and S on the stability of bcc iron with respect to tetragonal strain at the Earth’s inner core conditions. Geophysical  Research Letters, 40: 2958-2962 

成果完成人 

张志刚  张毅刚  崔航 

研究成果简介： 

　　地幔与地核物质的相态与成分是地球深部研究最为重要的核心问题之一，这方面的进展不断加深了人们对地球系统状态与演化的认识。近年来，基于电子密度泛函理论的量子力学模拟方法，以其独立于实验的预测性而被越来越多地应用于地球深部研究之中，但目前主要还集中在纯组分、理想体系中。我们针对地球深部物质多相多组分复杂性的特点，把宏观热力学方法与微观量子力学模拟耦合起来，有效地克服了量子力学模拟由于计算复杂性所导致的时空局限性，同时与地震观测数据相结合，为揭示地幔与地核的成分与状态提供了新的重要约束。 

　　首先，我们把基于电子密度泛函理论的分子动力学模拟与热力学建模方法相结合，准确得到了下地幔矿物组合相态与物性数据。研究表明，前人对下地幔的成分估计有很大误差：一方面对温度的影响没有准确分析，另一方面通过经验公式从低压、纯组分外推至高压、多元组分的物性数据的准确性没有保证。该研究发现，地幔岩模型（Pyrolite）预测的下地幔地震波速可以很好地与观测数据吻合，从而支持全地幔对流模式。 

　　其次，我们把热力学积分法与基于电子密度泛函理论的分子动力学模拟相结合，得到了铁及其合金从体心立方结构到面心立方结构相变的自由能变化，计算结果消除了前人研究误差大、易介稳平衡的局限性，证实高温和轻元素确实对体心立方结构的稳定性有一定促进作用，但不足以使该相稳定存在于地球内核中。该研究表明，地球内核应当仍处于紧密堆积结构，因此人们对内核温度、地核轻元素分布、内核分层结构与各向异性等重要科学问题均需基于该结论做更为深入的研究。