纯铁状态方程第一原理计算与外核密度亏损

本文利用第一原理计算了0K下铁磁性对铁状态方程的影响,计算了0K下纯铁的状态方程,通过与实验数据的比较,发现GGA更适合描述铁在高温高压下的状态方程.在此基础上,利用第一原理分子动力学方法模拟了外核条件下的液态铁,模拟温度从5000K到7000K,计算出内外核边界处的外核密度亏损值对应5000K的熔化温度时是8.9％,...     

深度学习加速分子动力学模拟研究岩浆洋的传输性质

了解岩浆洋的传输性质对于认识地球和行星的宜居性及其内部物质组成均具有重要意义。相较于高温高压实验，分子动力学具有在更极条件开展模拟的优势。然而，分子动力学的高计算成本也限制了其模拟规模大小和时间尺度。随着深度学习的发展，许多工作就分子动力学模拟中面临的计算精度和效率等困境进行了展开。通过学习基于密度泛函理论等量子力学计算方法产生的数据集，神经网络可以学习原子间势能面或者原子力。经过训练的深度学习模型可以让分子动力学同时获得良好的精度和效率。针对计算量大、耗时长的模拟，学者们还开发了分子动力学的深度学习代理模型，或利用机器学习挖掘分子动力学模拟轨迹，直接预测计算结果。上述研究工作均使分子动力学模拟效率得到了极大改善。本文以深度学习加速分子动力学模拟熔体物理性质为例，介绍了热导率的计算结果：随着压强的升高，MgSiO₃熔体的热导率增加，但低于同等条件下矿物的热导率；而熔体的黏度则先减后增。这一结果指示核-幔边界的硅酸盐熔体，作为岩浆洋演化的产物，由于散热效率低而可能在较长地质时期得以保存。     

钙钛矿结构MgSiO3的分子动力学研究——体系大小对弹性性质与状态方程的影响

本文利用分子动力学模拟方法,研究了300~3000K、0.1~100GPa条件下,MgSiO3钙钛矿大小两个体系的平衡状况和热力学性质,并将大小两个体系的模拟结果与高温高压实验结果进行比较,验证体系大小对哪些物理性质有影响以及影响有多大,为后续工作选择合适的模拟体系进行模拟研究工作提供参考。研究发现,无论在模拟的平衡过程中还是利用模拟数据对状态方程参数的拟合中,大体系的拟合结果都比小体系的计算结果接近高温高压实验结果。大体系的各项模拟结果与高温高压实验结果相比,相差均在1%左右。因此,在计算条件允许的情况下,尽量模拟较大的体系有助于得到更精确的分子动力学研究结果。     

超临界水的热力学模拟:一种可用到4273K、2GPa的立方型状态方程

根据水的高精度热力学模型IAPWS-95和IAPWS-IF97产生的压力-体积-温度(PVT)数据,本文建立了超临界水的一种高精度立方型状态方程。在723.15~2273.15K和0~1.4GPa范围内,该方程的平均体积偏差只有0.26%;在此范围之外,直到4273.15K和2GPa,方程的平均体积偏差不到2%。该方程在精度和适用范围方面均明显优于以前的立方型方程。在可比的温压条件下,该方程也明显优于一些常用的多参数非立方型方程(多数是高次维里型方程)。本文根据上述立方型方程和有关的热力学原理导出了膨胀系数、压缩系数、逸度系数、剩余焓和剩余熵的解析表达式,其计算结果与IAPWS-95模型的结果均吻合得很好。在此基础上很容易计算出许多其它的热力学性质。     

通过第一性原理预测内地核的成分与结构

内地核成分与结构的确定一直是地球深部研究的重要课题。目前地核的公认成分是铁和少量的镍。但由于地核密度低于纯粹的铁镍合金(固态内核2%～3%,液态外核6%～7%),其中必定掺杂有一定量的轻元素,其种类与浓度有待确定。除成分外,地核条件下铁的晶体结构也存在争议。根据地震学观测,声波沿地轴方向的传播速度比赤道平面方向快大约3%～4%。这意味着内地核是各向异性的;但在极端高压下,晶体结构中的原子应该按致密的密排六方结构(h.c.p)排列,而h.c.p结构对声波传输是高度各向同性的,这就需要确定地核条件下铁的晶体结构。根据第一性原理计算得到的高压下体系能量以及爱因斯坦谐振子模型,本项研究估算了给定结构的自由能以及掺杂轻元素后的影响。根据计算结果可以定性的分析得出,在高压OK下致密的h.c.p结构显然比疏松的体心立方(b.c.c)更稳定;而随着温度的升高,原子核的振动造成b.c.c结构的自由能比h.c.p结构下降得更快,因此在高温下b.c.c结构更稳定;掺杂轻元素后,这种优势变得更加明显,而3.6at.%的Si则恰好同时解释了2%～3%的密度缺失和b.c.c结构在内地核条件下的稳定性。因此我们建议内地核的基本结构与成分应为以体心立方结构存在的铁,掺杂约3.6at.%的硅元素,内地核温度至少在5500K以上。这一结论与其它更复杂的方法得到的结果一致。     

机器学习在矿物结构搜索及性质预测方面的应用

研究矿物在高温高压下的结构及其物理、化学性质是了解地球内部物质组成及动力学演化的基础。实验观测和理论计算是目前最主要的两种方法，前者受技术的局限，高温高压下的数据点比较匮乏；后者容易实现高温高压，但计算精度和效率往往难以两全。基于上述问题，机器学习作为一种很有前景的工具，与第一性原理计算相结合，能够精确、高效地预测矿物结构及各种性质。本文首先介绍了构建机器学习势的一般流程，对目前应用广泛的深度势能方法进行详细阐述。然后探讨了机器学习方法在计算矿物物理领域中的应用，如矿物新相结构搜索、热力学性质和输运性质预测、元素配分及同位素分馏等，并分析了机器学习方法相比于传统方法的优势。最后对机器学习方法目前存在的不足进行了简单总结并对其应用前景提出展望。     

地质流体状态方程

几乎所有的地球化学过程都有地质流体参加, 定量地了解地质流体的物理化学性质是定量研究地球化学过程的基础.100多年以来, 广大化学和实验地球化学工作者做了大量的实验测定工作, 可是所有这些工作之和, 仅仅覆盖地球范围内一个不大的温压空间, 远远不能满足地球化学研究的需要.近年来, 我们试图通过分子水平上的研究, 结合热力学和统计力学方面的知识, 在重现前人实验结果的基础上, 研究实验工作者没有或不能研究的温压和成分空间, 得到了一系列能够精确预测地质流体在广阔的温压范围内的物理化学性质的状态方程.这些状态方程不仅能够重现实验数据, 而且具有良好的外延能力, 可以应用于地球化学领域诸多方面的研究.重点讨论了几个状态方程(包括纯流体状态方程含水溶液状态方程和含盐-水-气的状态方程) 在预测流体的溶解度、相平衡、化学位和PVT性质方面的应用.简要介绍了近年来笔者应用分子动力学和蒙特卡罗模拟在地质流体研究方面所取得的成果      

地质学中一些比较常用的水的状态方程的评价

<正>本文以水的高精度热力学模型IAPWS-95与Zhang and Duan[1]通过分子动力学模拟所得到的高精度压力-体积-温度(PVT)数据为参考,对一些比较常用的可用于高温、高压的水的状态方程进行了检验、分析和评价。这些方程包括:Holloway[2],Kerrick and Jacobs[3],Halbach and Chatterjee[4],Bowers and Helgeson[5],     

下地幔矿物研究及其进展

文中综述了20世纪90年代以来对下地幔矿物高温高压研究的进展,详细评论了下地幔温压下(Mg,Fe)SiO3钙钛矿的稳定性、(Mg, Fe)SiO3 钙钛矿和(Mg, Fe)O镁方铁矿的高压状态方程和热弹性及高压熔化、核幔边界温压下铁和硅酸盐的化学反应等几个热点问题;探讨了下地幔的矿物学组成,对下地幔的地震波速异常给出了可能的矿物学解释;介绍了国内同领域的研究工作;展望了下地幔矿物研究的发展方向。     

地核物质成分研究进展

系统介绍了地核的形成时间、地核的物理特性、化学成分和物质存在相态.利用W-Hf同位素系测年方法厘定地核与地幔分异的年龄是在地球形成的最初30 Ma.但是,内核的结晶年龄还是未知的.地核声波速度的各向异性可能是六面体紧密堆积(hcp)相铁的C轴方向沿地球轴线优选定向排列引起的.利用地球物理资料估算的地核密度与响应温压条件...     

数值模拟在地球科学研究中的应用现状与展望

基于第一性原理的分子动力学计算和Rietveld技术的矿物定量计算等计算机技术的数值模拟方法是科学研究的重要手段之一,被广泛用来预测针对特定反应物的化学反应过程与结果、材料的性能改变、药物研发等.在地球科学领域中数值模拟技术也被广泛应用:地下水量、水质及污染物迁移的模拟预测、气象领域的天气和降水预报,地球层圈构造的模拟研究,成矿过程的模拟和预测等等.本综述重点回顾数值模拟技术在地球科学各领域中的应用现状,并对其应用前景进行了分析.我们建议在地球科学研究中特别是涉及"水岩"反应的实验研究中大力推广,以提高效率和做有效科学的实验,并建议利用数值模拟技术为科学解译数据提供理论支撑.     

地质流体热动力学研究现状与发展趋势

流体热动力学性质对理解各种作用过程中的地球化学行为是重要的。有关这方面的知识,通常是从实验资料获得。但实验工作毕竟是有限的,只能反映自然条件中很有限的范围。半经验的模式（如状态方程）或计算机模拟（如分子动力学和ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ模拟）提供了地质流体系统定量研究的主要方法。一个好的状态方程,可以根据实验数据内插或外延,能获得很多物理—化学信息。计算机模拟甚至可以在实验室不能达到的条件下产生“实验数据”,为未来地球化学研究提供了很大的潜在发展可能性。未来研究工作的重点应是：①为Ｈ２Ｏ－ＣａＣｌ２－ＮａＣｌ－ＣＯ２－ＣＨ４－Ｈ２Ｓ－Ｎ２体系提供预测容积、相平衡和焓的状态方程;②有效的计算机程序能够模拟自然界中含水溶液流体混合物的各种特性（包括热动力、结构、迁移性质）;③将这些模式和计算机模拟应用于各种地质系统的研究（如热水溶液矿床和流体—岩石交换反应等）中。     

基于GPU的并行条件模拟算法及其在储量估算中的应用

条件模拟是一种计算非常耗时的高精度三维插值算法。针对串行条件模拟算法计算时间过长的问题,提出基于GPU的并行条件模拟算法,并进行储量估算。对条件模拟算法进行并行分析,利用GPU的高度并行性,构建CUDA通用计算开发环境,实现串行条件模拟算法到并行条件模拟算法的转换,使条件模拟算法的时间复杂度从O(n)降至O(logn)。并对西藏甲玛铜矿进行了储量估算。实验结果表明,在安装普通NVIDIA显卡的计算机以及估算精度不下降的情况下,GPU并行条件模拟的计算效率比CPU串行条件模拟的计算效率提高了60倍以上。     

融合气象要素时空特征的深度学习水文模型

针对现有深度学习水文模型未能充分刻画气象要素空间特征的问题, 本文基于主成分分析(PCA)方法提取气象要素空间特征, 利用长短时记忆神经网络(LSTM)学习长时序过程规律, 构建融合气象要素时空特性的深度学习水文模型PCA-LSTM。以黄河源区为研究区域, 利用LSTM模型和物理水文模型THREW作为比对模型, 基于高斯噪音法系统评估PCA-LSTM模型的适用性和鲁棒性。结果显示: PCA-LSTM模型径流模拟纳什效率系数为0.92, 高于比对模型LSTM和THREW, 表明模型具有较高的精度。研究结果可为流域高精度水文模拟提供参考。     

同步辐射激光加温DAC技术及在地球深部物质研究中的应用

实验室模拟地球深部的温度和压力环境,研究地球相关材料的物理和化学性质,是解释地震波数据、进一步了解地球内部结构和动力学过程的重要途径。用高功率的红外激光光束,加温金刚石对顶砧压腔(DAC)中的样品,可以获得深部地幔乃至地核的极端温度和压力条件,已广泛地用于地球深部矿物的相变、熔融和状态方程研究。同步辐射微束技术的发展,为激光加温DAC技术的应用开辟了新的领域,也使地幔及地核条件下的矿物研究有了重要的突破。文章介绍激光加温DAC技术的发展;阐述高温高压原位的同步辐射X射线衍射方法;例举激光加温DAC技术在地球深部物质研究中的一些应用;并对一些关键的技术问题加以分析和讨论。     

利用量子力学势能数据预测温度、压力、盐度和沉积物孔径对甲烷水合物形成和分解的影响

介绍一个预测不同温度、压力、盐度和沉积物毛细管孔径条件下甲烷水合物 溶液 气体多相平衡模型。该模型以Van der Waals和 Platteeuw热力学模型、量子力学从头算粒子相互作用势能、DMW 92状态方程和Pitzer电解质理论为基础,能在很宽广温压范围内预测温度、压力、盐度和毛细管力对甲烷水合物形成和分解的影响。通过对比本模型的预测结果与实验数据,可知本模型能够准确地预测海水和多孔介质中甲烷水合物的相平衡条件。对于一定盐度下多孔介质中甲烷水合物的形成温压条件的在线计算可浏览: www.geochem model.org/models.htm。     

动高压物理在地球与行星科学研究中的应用

综述了动高压物理应用于地球和行星科学研究中的一些最新进展,包括地球内部的物质组成与热力学状态,巨行星的物质组成模型,太阳系中的碰撞成坑与吸积相互作用等。依据铁的冲击波数据,结合其他热力学数据,可以得到一条统一的铁的熔化曲线,将动高压与静高压数据完全统一,初步解决了长期困扰高压界的动、静压关于铁的熔化温度存在系统偏差的诘难。外推到ICB处(330 GPa),铁的熔化温度(亦称锚定温度)约为(5 950±100) K。冲击Hugoniot 数据,结合地震学模型可以约束地幔与地核的物质组成。冲击压缩下钙钛矿型(Mg0 9,Fe0 1)SiO3的高压声速测量结果表明,1 770 km深度的不连续面不仅是一个相变界面而且是一个化学成分或矿物学分界面。低温可凝聚气体(H2、He)或冰(H2 O, CH4, CO2, NH3 和N2 )的冲击波数据,及Jeffrey 数等其他数据可以用来构建巨行星(如木星和土星)的物质组成模型。地球深部矿物的冲击温度测量可以用来研究它们的高压熔化行为,据此建立的高压相图可以为控制地幔对流的地幔物质的准静态蠕变提供约束条件。熔融硅酸盐在上地幔压力条件下的冲击压缩数据,可以约束地幔熔岩稳定存在的深度,在此深度地幔熔岩不会因固体围岩提供的浮力而向上运移到地表,从而在此深度形成稳定的低速带。冲击波数据在描写行?     

第七讲 铁的地球化学性质和内生找矿地球化学

(一)铁的地球化学性质铁是四周期中部第六个过渡元素,是铁族(Ⅷ族)的代表,具有亲铁、亲硫和亲氧的三重性.亲铁性主要在地核中显示,呈铁镍互化物产出;在地壳的强还原条件下也可呈少量自然铁和铁-铂族互化物存在.亲硫性和亲氧性因外部条件的不同而各有显示,两者互为消长:还原条件下形成各种硫(砷、锑等)的化合物,氧化条件下形成各种氧(还有附加的F、OH等)的化合物.还原、低O/S条件下成Fe~(2 )的硫化物;氧化、高O/S条件下形成Fe~(3 )的氧化物,这是铁的最主要的地球化学性质和行为.     

热水溶液地球化学

概述了热水溶液地球化学的主要研究内容和近年来在实验和理论研究方面的进展，包括高温高压下水的热力学性质、状态方程式、介电常数、电导率和电离平衡；ＮａＣｌ－ＣＯ２－Ｈ２Ｏ体系及其边界体系（ＮａＣｌ－Ｈ２Ｏ和ＣＯ２－Ｈ２Ｏ）的相关系、热力学性质和状态方程式，特别是利用人工流体包裹体技术和分子动力学模拟取得的新成果；高温高压电解质稀水溶液的电导测定；以ＨＫＦ模型为基础，热水溶液中不同物种的标准偏摩尔热力学性质和高温高压有关物理化学参数的估算；热水溶液中的物种形成（热液流体中的矿物溶解度测定、电势测量和谱学研究）；水和热水溶液结构的红外和拉曼谱学研究；水和热水溶液的传输性质（粘度和导热系数）。     

利用航磁资料计算海拉尔地区居里等温面

本文利用高精度航磁资料，应用谱分析方法，计算出海拉尔地区居里等温面深度介于２～１８ｋｍ之间，并据此探讨了海拉尔盆地的张性成因机制，岩相相关特征以及它们构造运动的关系，根据海参３＾＃井已知井温资料，海拉尔地区居点温度处于正常条件，计算深度约偏深１．３ｋｍ。