地幔矿物的熔点是制约地球深部结构及其动力学演化的关键参数。毛钙硅石（davemaoite, CaSiO3）是近年来新发现的一种高压矿物，在下地幔中的含量仅次于布里奇曼石和铁方镁石，根据推测，其含量约占整个下地幔体积的5-10%，在俯冲洋壳中的含量甚至高达30%。因此，厘定其熔化温度对于研究地球和类地行星内部的组成、结构与演化具有重要的启示意义。由于毛钙硅石在常温常压环境下不能稳定存在，当压力卸载以后它会退变为无定形结构，这使得毛钙硅石物理化学性质的实验研究非常困难；同时，在高温下毛钙硅石晶体的原子振动具有强烈的非简谐效应，使用常规的理论计算方法不能很好地处理这种矿物。鉴于目前已有的研究结果关于毛钙硅石的熔化温度存在着巨大的争议，成都理工大学行星科学国际研究中心尹坤博士和我院陆现彩教授等在前期提出过热熔化新视角 (Phys Rev. B (2018) 98, 144113) 的基础上，利用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学方法,系统开展了毛钙硅石熔化温度的理论计算，获取了毛钙硅石在高达136万倍大气压——相当于地球核幔边界的压力——下的熔化温度，并且用机器学习方法构建了经验力场，对第一性原理模拟的结果进行了验证。结果显示，毛钙硅石在核幔边界的熔化温度高达7700±150 K，比太阳表面的温度（约5500-6000 K）还要高近两千度，远远高于前人根据低压下实验研究结果外推的熔点温度。如果毛钙硅石的熔点确实像本研究预测的这么高，将对之前关于地球内部物质演化的很多模型带来挑战。毛钙硅石在地球内部极其难熔这一特性的发现对于研究早期岩浆洋的演化过程以及现今固体地幔岩石的流变学行为等都将具有重要影响。
▲布里奇曼石和毛钙硅石的熔化曲线
这一研究成果近日以“Davemaoite as the mantle mineral with the highest melting temperature”为题刊出在综合性学术期刊《Science Advances》（《科学-进展》）。成都理工大学尹坤博士为论文第一作者和通讯作者，我院陆现彩教授为论文的共同通讯作者，我院教授A. B. Belonoshko教授和国家超级计算成都中心李永辉博士参与了该项研究。该项研究工作得到了国家自然科学基金委员会、瑞典研究会等机构的资助，其中数值模拟工作主要在我校高性能计算中心、国家超级计算成都中心以及瑞典国家计算中心等平台完成。
Kun Yin*, Anatoly B. Belonoshko, Yonghui Li, Xiancai Lu*, Davemaoite as the mantle mineral with the highest melting temperature. Sci. Adv.9,eadj2660(2023).DOI:10.1126/sciadv.adj2660
Kun Yin*, Xiancai Lu*, Huiqun Zhou, and Yicheng Sun.Thermodynamic stability limit of the crystalline state from the Gibbs perspective. Phys Rev. B 98, 144113 (2018). DOI:10.1103/PhysRevB.98.144113
