超高压含水硅酸镁相高温高压物性模拟研究——类地超级地球深部含水可能性的探索

任航 张文奇 刘雷

任航, 张文奇, 刘雷. 超高压含水硅酸镁相高温高压物性模拟研究——类地超级地球深部含水可能性的探索[J]. 高压物理学报. doi: 10.11858/gywlxb.20261061
引用本文: 任航, 张文奇, 刘雷. 超高压含水硅酸镁相高温高压物性模拟研究——类地超级地球深部含水可能性的探索[J]. 高压物理学报. doi: 10.11858/gywlxb.20261061
REN Hang, ZHANG Wenqi, LIU Lei. Property Simulations of Ultrahigh-Pressure Hydrous Magnesium Silicate Phases at High Temperatures and Pressures: Exploring the Possibility of Deep Water in Terrestrial Super-Earths[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics. doi: 10.11858/gywlxb.20261061
Citation: REN Hang, ZHANG Wenqi, LIU Lei. Property Simulations of Ultrahigh-Pressure Hydrous Magnesium Silicate Phases at High Temperatures and Pressures: Exploring the Possibility of Deep Water in Terrestrial Super-Earths[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics. doi: 10.11858/gywlxb.20261061

超高压含水硅酸镁相高温高压物性模拟研究——类地超级地球深部含水可能性的探索

doi: 10.11858/gywlxb.20261061

Property Simulations of Ultrahigh-Pressure Hydrous Magnesium Silicate Phases at High Temperatures and Pressures: Exploring the Possibility of Deep Water in Terrestrial Super-Earths

  • 摘要: 摘 要:含水硅酸镁作为早期地球内部极可能存在的富水储库,研究其在超高温高压条件下的赋存形式对了解超级地球内部结构模型和含水可能性具有重要意义。基于第一性原理分子动力学模拟,本研究系统探究了β-Mg₂SiO₅H₂在500-900 GPa、2000-6000 K温压范围内的稳定性和弹性特征。结果表明体系在整个研究的温度压力区间内保持热力学稳定,未发生结构相变。均方位移计算明确了超离子态转变区间:在500 GPa、2000 K,700 GPa、3000 K,900 GPa、3100 K时,所有原子均被束缚在晶格内,体系处于正常态;当温度升至500 GPa、4000 K,700 GPa、5000 K,900 GPa、6000 K时,H原子均方位移呈线性增长,而Mg、Si、O的骨架原子保持局域化,H质子轨迹形成弥散网络,呈现“固态骨架+液态离子”的超离子态特征。模拟结果显示β-Mg₂SiO₅H₂密度随压力线性增加,剪切模量随温度升高近线性下降,体积模量在900 GPa、6000 K时显著降低,可能响应超离子态转变的影响。剪切波速和压缩波速的变化趋势主要受温压控制,随压力的增加而增加,随温度的增加而降低;而高压下(900GPa)超离子态使得β-Mg₂SiO₅H₂的压缩波速出现明显降低,推测超离子态转变导致结构软化。本研究证实β-Mg₂SiO₅H₂在符合5-8倍地球质量的超级地球地幔深部温压条件下可以稳定存在并在一定的温压条件可以转变为超离子态,其高达11.4 wt%的含水量与高效质子输运能力对类地行星深部水循环与宜居性有着潜在重要影响,为理解行星内部动力学提供关键理论依据。

     

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  • 网络出版日期:  2026-05-24

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