geolmsuВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 4. ГЕОЛОГИЯMoscow University Bulletin. Series 4. Geology0579-9406Издательский Дом МГУ10.33623/0579-9406-2017-4-3-7geolmsu-87Research ArticleСтатьиCa и Mg-перовскитовые фазы мантии Земли как возможный резервуар Al по данным компьютерного моделированияCaand Mg-perovskites phases of mantle of the Earth as a possible reservoir for Al by computer simulationМарченкоЕ. И.MarchenkoE. I.marchenko-ekaterina@bk.ruЕреминН. Н.EreminN. N.neremin@geol.msu.ruБычковА. Ю.BychkovA. Y.bychkov@geol.msu.ruГречановскийА. Е.GrechanovskyA. E.grecanovsky@gmail.comМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультетRussian FederationИнститут геохимии, минералогии и рудообразования имени Н.П. Семененко НАН УкраиныRussian Federation2017280820170437Copyright © Марченко Е.И., Еремин Н.Н., Бычков А.Ю., Гречановский А.Е., 20172017Марченко Е.И., Еремин Н.Н., Бычков А.Ю., Гречановский А.Е.Marchenko E.I., Eremin N.N., Bychkov A.Y., Grechanovsky A.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.geol.msu.ru/jour/article/view/87

В статье представлены полуэмпирические и квантовохимические исследования энергетики вхождения атомов Al в CaSiO3 и MgSiO3 со структурами перовскитов применительно к значениям давления и температуры мантии Земли. Воспроизведена и уточнена фазовая диаграмма для CaSiO3. Рассмотрены возможные механизмы вхождения алюминия в исследуемые структуры. По результатам расчетов Al предпочтительнее входит в структуру MgSiO3, чем в CaSiO3. Оценка изоморфной емкости перовскитовых фаз по Al показала, что для MgSiO3 она может достигать 2,4 мол.% при 120 ГПа и 2400 К. CaSiO3 не может являться контейнером для атомов алюминия в мантии Земли.

Current paper presents semi-empirical and quantum chemistry theoretical investigations of Al atoms energy occurrences in CaSiO3 and MgSiO3 with perovskites structures under Earth’s mantle thermodynamic conditions. The phase diagram of CaSiO3 was reproduced and refined. Possible mechanisms of aluminum atoms incorporation into structures were investigated. The results of the calculations indicate that aluminum is preferably included in the MgSiO3 than СaSiO3. Perovskite phases isomorphic capacity evaluation for Al showed that in MgSiO3 this value can reach 2.4 mol.% at 120 GPa and 2400 K. CaSiO3 can’t be a container for the aluminum atoms in the Earth’s mantle.

компьютерное моделированиедефекты в перовскитахAl-со держащие перовскитыCaSiO3computer modelingdefects in perovskitesAl containing perovskitesCaSiO3ReferencesПущаровский Ю.М., Пущаровский Д.Ю. Геология мантии Земли. М.: ГЕОС, 2010. 140 с.Пущаровский Ю.М., Пущаровский Д.Ю. Геология мантии Земли. М.: ГЕОС, 2010. 140 с.Урусов В.С., Еремин Н.Н. Атомистическое компьютерное моделирование структуры и свойств неорганических кристаллов и минералов, их дефектов и твердых растворов. М.: ГЕОС, 2012. С. 18-29.Урусов В.С., Еремин Н.Н. Атомистическое компьютерное моделирование структуры и свойств неорганических кристаллов и минералов, их дефектов и твердых растворов. М.: ГЕОС, 2012. С. 18-29.Akber-Knutson S., Steinle-Neumann G., Asimow P.D. Effect of Al on the sharpness of the MgSiO3 perovskite to post-perovskite phase transition // Geophys. Res. Lett. 2005. Vol. 32. L14303.Akber-Knutson S., Steinle-Neumann G., Asimow P.D. Effect of Al on the sharpness of the MgSiO3 perovskite to post-perovskite phase transition // Geophys. Res. Lett. 2005. Vol. 32. L14303.Caracas R., Wentzcovitch R. CaSiO3 perovskite at lower mantle pressures // Geophys. Res. Lett. 2005. Vol. 32. L06306.Caracas R., Wentzcovitch R. CaSiO3 perovskite at lower mantle pressures // Geophys. Res. Lett. 2005. Vol. 32. L06306.Chibisov A.N. Computer simulation of the point defect formation in MgSiO3-based ceramic materials // J. Struct. Chem. 2015. Vol. 56, N 3. P. 454-457.Chibisov A.N. Computer simulation of the point defect formation in MgSiO3-based ceramic materials // J. Struct. Chem. 2015. Vol. 56, N 3. P. 454-457.Eremin N.N., Grechanovsky A.E., Marchenko E.I. Аtomistic and ab-initio modeling of СaAl2O4 high-pressure polymorphs under Earth’s mantle conditions // Crys. Rep. Vol. 61, N 3. P. 432-442.Eremin N.N., Grechanovsky A.E., Marchenko E.I. Аtomistic and ab-initio modeling of СaAl2O4 high-pressure polymorphs under Earth’s mantle conditions // Crys. Rep. Vol. 61, N 3. P. 432-442.Gale J.D. GULP: Capabilities and prospects // Z. Krist. 2005. Vol. 220. P. 552-554.Gale J.D. GULP: Capabilities and prospects // Z. Krist. 2005. Vol. 220. P. 552-554.Giannozzi P., Baroni S., Bonini N. et al. Quantum Espresso: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials // J. Phys. Condens. Matter. 2009. Vol. 21, N 39. P. 395-502.Giannozzi P., Baroni S., Bonini N. et al. Quantum Espresso: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials // J. Phys. Condens. Matter. 2009. Vol. 21, N 39. P. 395-502.Irifune T. Absence of an aluminous phase in the upper part of the Earth’s lower mantle // Lett. Nature. 1994. Vol. 370. P. 131-133.Irifune T. Absence of an aluminous phase in the upper part of the Earth’s lower mantle // Lett. Nature. 1994. Vol. 370. P. 131-133.Irifune T., Tsuchiya T. Mineralogy of the Earth - phase transitions and mineralogy of the lower mantle // Treatise on Geophysics. Vol. 2. Elsevier, 2007. P. 33-62.Irifune T., Tsuchiya T. Mineralogy of the Earth - phase transitions and mineralogy of the lower mantle // Treatise on Geophysics. Vol. 2. Elsevier, 2007. P. 33-62.Jung D.Y., Oganov A.R. Ab initio study of the high-pressure behavior of CaSiO3 perovskite // Phys. Chem. Minerals. 2005. Vol. 32. P. 146-153.Jung D.Y., Oganov A.R. Ab initio study of the high-pressure behavior of CaSiO3 perovskite // Phys. Chem. Minerals. 2005. Vol. 32. P. 146-153.Kurashina T., Hirose K., Ono S. et al. Phase transition in Al-bearing CaSiO3 perovskite: implicationsfor seismic discontinuities in the lower mantle // Phys. Earth and Planet. Inter. 2004. Vol. 145. P. 67-74.Kurashina T., Hirose K., Ono S. et al. Phase transition in Al-bearing CaSiO3 perovskite: implicationsfor seismic discontinuities in the lower mantle // Phys. Earth and Planet. Inter. 2004. Vol. 145. P. 67-74.Li L., Weidner D.J., Brodholt J. et al. Phase stability of CaSiO3 perovskite at high pressure and temperature: Insights from ab initio molecular dynamics // Phys. Earth and Planet. Inter. 2006. Vol. 155. P. 260-268.Li L., Weidner D.J., Brodholt J. et al. Phase stability of CaSiO3 perovskite at high pressure and temperature: Insights from ab initio molecular dynamics // Phys. Earth and Planet. Inter. 2006. Vol. 155. P. 260-268.Magyari-Köpe B., Vitos L., Grimvall G. et al. Low-temperature crystal structure of CaSiO3 perovskite: An abinitio total energy study // Phys. Rev. B. 2002. Vol. 65. 193107.Magyari-Köpe B., Vitos L., Grimvall G. et al. Low-temperature crystal structure of CaSiO3 perovskite: An abinitio total energy study // Phys. Rev. B. 2002. Vol. 65. 193107.Ono S., Ohishi Y., Mibe K. Phase transition of Caperovskite and stability of Al-bearing Mg-perovskite in the lower Mantle // Amer. Mineral. 2004. Vol. 89. P. 1480-1485.Ono S., Ohishi Y., Mibe K. Phase transition of Caperovskite and stability of Al-bearing Mg-perovskite in the lower Mantle // Amer. Mineral. 2004. Vol. 89. P. 1480-1485.Pedone A., Malavasi G., Menziani M.C. et al. A new self-consistent empirical interatomic potential model for oxides, silicates, and silica-based glasses // J. Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110. P. 11780-11795.Pedone A., Malavasi G., Menziani M.C. et al. A new self-consistent empirical interatomic potential model for oxides, silicates, and silica-based glasses // J. Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110. P. 11780-11795.Perdew J.P., Wang Y. Accurate and simple analytic representation of the electron-gas correlation energy // Phys. Rev. B. 1992. Vol. 45. 13244.Perdew J.P., Wang Y. Accurate and simple analytic representation of the electron-gas correlation energy // Phys. Rev. B. 1992. Vol. 45. 13244.Ringwood A.E. Composition and Petrology of the Earth’s Mantle. McGraw-Hill Company, US, 1975. 672 p.Ringwood A.E. Composition and Petrology of the Earth’s Mantle. McGraw-Hill Company, US, 1975. 672 p.Shim S.-H., Jeanloz R., Duffy T.S. Tetragonal structure of CaSiO3 perovskite above 20 GPa // Geophys. Res. Lett. 2002. Vol. 29, N 24. P. 21-66.Shim S.-H., Jeanloz R., Duffy T.S. Tetragonal structure of CaSiO3 perovskite above 20 GPa // Geophys. Res. Lett. 2002. Vol. 29, N 24. P. 21-66.Stixrude L., Cohen R.E., Rici Y., Krakauer A. Prediction of phase transition in CaSiO3 perovskite and implications for lower mantle structure // Amer. Mineral. 1996. Vol. 81. P. 1293-1296.Stixrude L., Cohen R.E., Rici Y., Krakauer A. Prediction of phase transition in CaSiO3 perovskite and implications for lower mantle structure // Amer. Mineral. 1996. Vol. 81. P. 1293-1296.Swamy V., Dubrovinsky L.S. Thermodynamic data for the phases in the CaSiO3 system // Geochim. et Cosmochim. Acta. 1997. Vol. 61. P. 1181-1191.Swamy V., Dubrovinsky L.S. Thermodynamic data for the phases in the CaSiO3 system // Geochim. et Cosmochim. Acta. 1997. Vol. 61. P. 1181-1191.Vanderbilt D. Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism // Phys. Rev. B. 1990. Vol. 41. P. 7892-7895.Vanderbilt D. Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism // Phys. Rev. B. 1990. Vol. 41. P. 7892-7895.Yamamoto T., Yuen D.A., Ebisuzaki T. Substitution mechanism of Al ions in MgSiO3 perovskite under high pressure conditions from ferst-principles calculations // Earth and Planet. Science Lett. 2003. Vol. 206. P. 617-625.Yamamoto T., Yuen D.A., Ebisuzaki T. Substitution mechanism of Al ions in MgSiO3 perovskite under high pressure conditions from ferst-principles calculations // Earth and Planet. Science Lett. 2003. Vol. 206. P. 617-625.Zhang J., Weidner D.J. Thermal Equation of State of Aluminum-Enriched Silicate Perovskite // Sci. 1999. Vol. 284. P. 782-784.Zhang J., Weidner D.J. Thermal Equation of State of Aluminum-Enriched Silicate Perovskite // Sci. 1999. Vol. 284. P. 782-784.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.