地幔中主要礦物晶格熱導率的第一性原理計算

《地幔中主要礦物晶格熱導率的第一性原理計算》是依託中國科學院大學，由孫濤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：地幔中主要礦物晶格熱導率的第一性原理計算
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：孫濤
• 依託單位：中國科學院大學

項目摘要

礦物在地球深處高溫高壓條件下的熱導率是開展地幔對流數值模擬所需的核心參數之一，對理解地球內部的熱量交換具有重要意義。目前第一性原理礦物熱導率計算大都基於聲子氣體模型。這些計算結果與室溫下的實驗數據符合較好，但在高溫下出現系統性偏差。初步分析認為是由於聲子氣體模型只考慮了體系真實熱流的二階(簡諧)部分，在高溫下，高階(非諧)熱流對熱導率的貢獻不能被忽略。本項目將從第一性原理出發，發展一種能定量計算高階熱流對熱導率貢獻的新方法。該方法將超越聲子氣體模型，預計能顯著提高高溫高壓下晶格熱導率計算的準確性。本項目將利用這一新方法確定MgSiO3鈣鈦礦，後鈣鈦礦,MgO的晶格熱導率，給出核幔邊界處熱流大小的更準確估計；系統地計算主要礦物在不同溫度和壓強下的熱導率，並據此建立一個較為完整的地幔礦物熱導率模型，為地幔對流等地球動力學問題的數值模擬提供有力支持。

結題摘要

礦物在地球深處高溫高壓條件下的晶格熱導率是開展地幔對流數值模擬所需的核心參數之一, 對理解地球內部的熱量交換具有重要意義。但目前人們對礦物熱導率的認識還遠未完善。比如下地幔主要礦物MgSiO3 perovskite, 不同實驗得到的室溫熱導率相差一倍，理論計算的結果相差一個量級。此外熱導率隨溫度壓強的依賴關係也尚未明確。針對這些問題，本項目運用第一性原理晶格動力學、線性Boltzmann方程以及聲子準粒子理論，對MgSiO3 perovskite等典型地幔礦物的熱導率進行了深入研究。主要成果有(i)在室溫下，MgSiO3 perovskite的零壓晶格熱導率為10.7W/(m·K)。熱導率隨壓強線性升高，在100GPa時達到59.2 W/(m·K)。這一結果接近於多面砧壓機的實驗測量值，而比金剛石壓腔實驗高出近一倍。(ii) 通過分析MgSiO3 perovskite以及PbTe兩種典型材料的聲子準粒子譜，揭示熱導率的高溫飽和現象並非由於聲子達到最小自由程引起。(iii) 同位素及缺陷散射能夠顯著影響MgO及FeO熱導率, 為解釋熱導率高溫飽和現象提供了新的思路。 (iv) 發展完善了聲子準粒子方法，使其成為一種可以準確描述材料熱力學及熱輸運性質的普適方法。這些成果為理解地球內部的熱量交換提供了基礎數據，深化了人們對熱傳導微觀物理機制的認識，所發展的新方法也有望套用於冶金、核技術、材料工程等其它領域的研究。