地幔压力下碳酸钙和碳酸镁的结构与稳定性

利用从头算随机结构搜索 (AIRSS) 和密度泛函理论方法预测了高压下碳酸钙 (CaCO$_3$) 和碳酸镁 (MgCO$_3$) 的结构。我们发现了一种此前未知的 CaCO$_3$ 结构，其在 32--48 GPa 范围内比文石相和“后文石”相更稳定。在 67 GPa 至远超 100 GPa 的压力下，最稳定的相是一种具有四配位碳原子的此前未知的辉石型 CaCO$_3$ 结构。我们还预测了 MgCO$_3$ 在 85--101 GPa 范围内的一种稳定结构。我们的结果修正了 CaCO$_3$ 在地球地幔所遇压力范围一半以上的相图，并对 MgCO$_3$ 的相图进行了较小幅度的修正。我们预测在地球地幔中，高于 100 GPa 时 CaCO$_3$ 比 MgCO$_3$ 更稳定，且 CO$_2$ 在深部地幔条件下并非热力学稳定化合物。我们的结果对于理解地球深部碳循环具有重要意义。