矿物物理学

课程编码：070901M04005H 英文名称：Mineral Physics 课时：60 学分：4.00 课程属性：专业核心课 主讲教师：郭光军等

矿物物理学是以固体物理学和量子化学的理论和实验方法来研究矿物的结构、组成、性能、成因及其相互关系等问题的学科，对于探索地球内部的奥秘具有重要的基础性意义。本课程首先介绍矿物物理学的几个主要研究手段，包括高温高压实验、分子动力学模拟、第一性原理计算。然后介绍基于矿物物理学的基本理论和计算模拟方法，研究地幔矿物及地核的物理性质和化学性质。通过本课程的讲授，让从事高温高压矿物学、地球内部物理学、地球化学研究的学生掌握矿物物理学的基本原理，深入理解相关的基本概念，进而能够通过计算模拟手段获取常用的矿物物性参数，包括弹性系数、热力学状态方程等，为今后开展矿物物理学前沿研究奠定基础。

高等数学、线性代数、物理化学、普通地质学、结晶学与矿物学

第一章 绪论 2学时 郭光军
第1节 矿物物理学的研究内容 郭光军
第2节 矿物物理学的发展历史 郭光军
第3节 矿物物理学的研究手段 郭光军
第4节 矿物物理学的课程要求 郭光军
第二章 矿物的晶体结构 6学时 秦善
第1节 晶体的对称性 秦善
第2节 点群和空间群 秦善
第3节 晶体结构及相变 秦善
第三章 高温高压实验 6学时 秦善
第1节 高温高压实验技术 秦善
第2节 原位测试表征方法 秦善
第3节 应用实例讨论分析 秦善
第四章 分子动力学模拟 18学时 郭光军
第1节 分子动力学模拟原理 郭光军
第2节 并行计算基础 郭光军
第3节 安装分子动力学模拟软件 郭光军
第4节 分子模拟的输入输出 郭光军
第5节 分子模拟前半程讨论 郭光军
第6节 优化分子模拟参数 郭光军
第7节 分析模拟轨迹：获得物理性质 郭光军
第8节 分析模拟轨迹：观测分子过程 郭光军
第9节 分子模拟后半程讨论 郭光军
第五章 第一性原理计算 8学时 张志刚
第1节 第一性原理方法 张志刚
第2节 第一性原理计算软件实践 张志刚
第3节 应用：状态方程与相图计算 张志刚
第4节 应用：矿物弹性性质计算 张志刚
第六章 地幔矿物组成 8学时 张志刚
第1节 地幔结构与动力学 张志刚
第2节 地幔一维矿物组成 张志刚
第3节 地幔中的不均一性 张志刚
第4节 核幔边界物质成分 张志刚
第七章 地核的压力和温度 4学时 张毅刚
第1节 地核压力 张毅刚
第2节 地核温度 张毅刚
第八章 物理的地核 4学时 张毅刚
第1节 古地磁和地震学对地核的观测 张毅刚
第2节 液态铁的粘滞度 张毅刚
第3节 固态铁的各向异性 张毅刚
第九章 化学的地核 4学时 张毅刚
第1节 地球形成初期重大事件 张毅刚
第2节 地球物理与矿物物理结合获得地核成分 张毅刚
第3节 地球化学方法获得地核成分 张毅刚
第4节 第一原理计算元素配分与地核轻元素析出 张毅刚
第5节 地核轻元素析出与地核成分演化 张毅刚

郭光军，研究员，博士生导师。1998年于北京大学地质学系获得矿床学专业博士学位，后赴中国科学院地质与地球物理研究所做博士后，2000年留所参加工作，于2007年晋升研究员。主要从事非常规油气微观过程的分子模拟研究，研究方向涉及天然气水合物、页岩气、煤层气等，提出了天然气水合物成核机制的笼子吸附假说，创建了氢键网架结构的笼子分析技术。现任所级公共技术服务中心“超级计算实验室”主任。曾主持和参加10余项国家自然科学基金、科技部973计划项目，以及中科院先导专项项目等。先后在国内外学术期刊上发表论文40多篇，其中国际SCI论文近30篇。曾获得2017年国土资源科学技术奖一等奖（个人排名4/15）。

秦善，北京大学教授，博士生导师。先后获得中国地质大学和北京大学的硕士和博士学位。长期从事矿物学和晶体化学相关的教学和科研。自1987年从教以来，开设和承担了多门本科生和研究生课程的教学，编著教材《晶体学基础》、《矿物学基础》和《结构矿物学》3部；科研方面，目前主要关注高温高压下矿物（物质）的结构和性质及其地质意义，先后主持和参加了多项自然科学基金、973和863课题等国家级项目，在国内外学术刊物上发表论文近200篇，获得过多项教学和科研奖励。

张毅刚，教授，博士生导师。1983年北京大学获学士学位，1988年法国洛林高等理工学院获博士学位，然后在美国卡耐基地球物理实验室从事博士后研究。1989年回国在中国科学院原地质所和地质与地球物理研究所工作，2018年开始在中国科学院大学工作。主要从事理论计算工作，包括用传统分子动力学方法计算水和外核液态铁粘滞度，计算地幔矿物状态方程、弹性常数、波速和各向异性，用第一原理分子动力学方法计算元素在液态铁和硅酸盐熔体之间的配分系数，探索地球早期演化过程，近年来用机器学习方法探索玄武岩形成过程。在国内外刊物上发表论文数十篇，包括PNAS，JGR和GRL等杂志。曾获国家自然科学二等奖（排名第二）。

张志刚，副研究员。先后获得中国地质大学（武汉）硕士学位、中国科学院地质与地球物理研究所博士学位，并于2005年留所参加工作。现任中国矿物岩石地球化学学会第九届实验矿物岩石地球化学专业委员会委员。研究方向为计算地球化学与矿物物理学，主要关注地球及行星内部流体、熔体及矿物物理化学性质的多尺度分子模拟与热力学建模，在EPSL、GCA、GRL、JGR等国际学术刊物中发表文章多篇，SCI他引490余次。2004年获得中国科学院院长特别奖，2006年获得中国科学院优秀博士论文奖，2007年获得全国百篇优秀博士论文奖，2013年获得研究所年度优秀科技成果奖。