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[SMP47-01] MgSiO3メルトの構造とそれらの温度圧力依存の第一原理計算
キーワード：MgSiO3 メルト, 高温, 高圧, 第一原理計算
MgSiO3組成の結晶及びメルトは地殻下部及びマントルの最重要構成物である。故にそれらの、地球内部を想定した高温高圧下における構造と物性を求めることは、地球科学的に極めて重要である。MgSiO3各種多形の高温高圧構造と物性については、これまで数多くの実験・計算両面からの研究結果が報告されている。一方、MgSiO3メルトの構造については、高温高圧実験技術における種々の困難により、Mgイオンのメルト中での配位様式など多くの未解決な問題が存在する。我々は今回、第一原理計算を用いて、MgSiO3メルトの構造とそれらの温度圧力依存を求めたので、その結果を報告する。計算は密度汎関数法に基づく第一原理バンド計算ソフトVASP（Kresse and Furthmuller, 1996）を使用し、電子構造計算はPAW法（Blochl, 1994; Kresse and Joubert, 1999）を、また電子の交換相関項についてはLDA法を用いた。MD計算は、カノニカルensemble(原子数N,体積V,温度T一定)を用い、N = 160（32MgSiO3）とし、基本セルの形状は立方体に固定した。まず一辺が12.8 A(V = 39.47 cm3/mol)の基本セルを用い、T = 4000 K、続いてT = 3000 Kで系を充分アニールした。更に、MgSiO3メルトの常圧下、1900 Kでの体積の推定値 [38.9(2) cm3/mol, Lange and Carmichael, 1990] を考慮して、基本セルの一辺を12.7 A(V = 38.55 cm3/mol)に保持し、T = 2000 KでMD計算を行った。T = 2000 K, V = 38.55 cm3/molで求められたMD構造についての干渉関数S(Q)(Qは散乱ベクトルの大きさ)は、1973 K, 0 GPaでのX線回折による実測値（Waseda and Toguri, 1990）とほぼ良く対応していることを確認した。更にSi-O, Mg-O原子間についての動径分布関数を求めた結果、平均原子間距離r、配位数として、Si-O結合についてr = 1.63 A, 4配位、Mg-O結合についてr = 1.97 A, 5.1配位（カットオフ距離：2.90 A）を得た。これらのうち、Si-Oについての値は、上記Waseda and Toguri(1990)によるもの（r = 1.62 A, 3.9配位）と良く一致するが、一方Mg-OについてはWaseda and Toguri(1990) [r = 2.12(1) A, 4.3配位]とはかなり異なることが明らかになった。Taniguchi et al.(1997)は常温常圧X線回折データに基づいて、MgSiO3ガラスにおいて、Si-Oについて、r = 1.62 A, 4.1配位、Mg-Oについてr = 2.04 A（配位数は記載なし）と報告している。我々は以前、経験的有効原子間ポテンシャルモデルを用いた古典MD計算により(Matsui, 1996)、1900 K, 0 GPaでのMgSiO3メルトにおいて、Si-Oについて、r = 1.63 A, 4配位、Mg-Oについてr = 1.99 A, 5.2配位を得たが、これらの値は、今回の第一原理MD計算による結果と非常に良く合っている。続いて、温度圧力条件を変えて、MgSiO3メルトについて今回のMD計算を繰り返し、得られた干渉関数とMg-O, Si-O, O-O動径分布関数の温度圧力依存を、Funamori et al.(2004)による高温高圧X線回折による実測データと詳細に比較した。