研究碳酸盐矿物中氦的扩散行为对理解地球脱气过程中的物理化学性质和动力过程具有重要意义。基于密度泛函理论研究了氦在方解石和文石矿物中的扩散机理，计算了氦在地表和地幔条件下的扩散路径、激活能(E_a)和频率因子(v)。计算结果表明：氦在方解石中的扩散具有明显的各向异性，沿a(b)轴方向的扩散更快；文石呈现中等的各向异性，沿c轴的扩散速率低于a轴。在高压条件下，文石的激活能随压力的增大而增大。方解石晶体在[010]方向的封闭温度为–54～–25 ℃，沿[100]方向的封闭温度为 –12～23 ℃。在地表条件下，氦在文石中的滞留能力比在方解石中强，与以往的实验研究结果一致。

基于第一性原理分子动力学方法，计算了MgSiO₃熔体在0~144 GPa、2 000~6 000 K的微观结构及其随压力、温度的变化特征。计算的近零压2 000 K下O—Si、O—Mg和O—O对分布函数的第一峰值位置分别为0.163 5、0.197 0和0.269 5 nm，与实验结果吻合很好。随着压力和温度的变化，MgSiO₃熔体结构发生了显著变化，尤其是随着压力增加，结构变得更致密；当密度为4.59 g/cm³时，原子间的平均键长随温度(小于5 000 K)增加而减小，在常压和更高的压力下，原子间的平均键长随温度变化不明显。在133 GPa、4 000 K条件下，MgSiO₃熔体的O—Si、O—Mg和O—O平均键长分别为0.161 0、0.183 5和0.230 0 nm；从地表常压到核幔边界压力，平均Si—O配位数从4变到6，桥氧数目比例由31.3%增高到72.9%。MgSiO₃熔体微观结构的认识对了解地幔内硅酸盐流体性质及其对地幔动力学的影响有重要意义。

在60~110 GPa冲击压力（估算温度为2 300~4 800 K）范围内进行了5发原始样品为(Mg0.92,Fe0.08)SiO3顽火辉石的冲击压缩回收实验，对回收样品进行的X射线衍射（XRD）和红外吸收光谱（IR）分析结果表明：（1）回收样品的主相均是单链状结构硅酸盐，而非钙钛矿结构；（2）回收样品中均未观察到氧化物SiO2和(Mg0.92,Fe0.08)O的XRD 和IR特征谱线；（3）回收样品的XRD、IR特征谱线变得简略，并发现了与原始样品有某些不同的特征谱线，随冲击压力增加，这种变化趋于明显；（4） 通过对比冲击压力在85 GPa以下和97 GPa以上回收样品的XRD、IR特征谱线，没有观察到明显的新谱线特征出现。结合先前的冲击Hugoniot状态方程实验数据分析，可以认为：在冲击压缩过程中样品处于钙钛矿结构，在冲击卸载过程中样品发生了由钙钛矿结构向单链状结构的逆转相变；特别是，在实验的温度压力范围内，不可能发生由(Mg0.92,Fe0.08)SiO3向SiO2和(Mg0.92,Fe0.08)O的化学分解相变，顽火辉石的高压相钙钛矿结构是稳定的。回收样品和原始样品的谱线差异可能对应于高压加载或卸载过程引起的某种晶格畸变，而高压加载导致钙钛矿型顽火辉石晶格畸变的可能性更大。这一结果将对下地幔矿物学模型的建立和下地幔地震波探测结果的解释提供基础物理依据。

对高压下液态硝基甲烷的性质进行经典和基于第一性原理计算的Car-Parrinello分子动力学（CPMD）模拟。利用经典势的分子动力学（MD）模拟研究了高压压缩状态下液态硝基甲烷的结构和热力学性质，得到了高达14.2 GPa压力下的理论Hugoniot数据。对于一些热力学函数，如总能和粒子速度，经典势模拟给出了很好的总趋势，基本特征和实验观测一致。但是在给定的密度下，经典模拟预言的Hugoniot压力偏高。在几个选定的密度下，进行了CPMD模拟，得到了二体相关函数、速度自相关函数、振动光谱和其它的热力学性质，并与经典模拟结果进行了比较。对二体相关函数的分析表明经典势的短程部分的刚性可能太强，从而导致了比实验值高的理论压力值。对于某些二体相关函数，CPMD模拟和经典模拟结果差别很大，可以归结为量子效应。当压力增高时，量子模拟得到的振动光谱向高频部分移动的现象与实验观测相符合。

石榴子石是上地幔和地幔转换带的重要成分，掌握其高温高压下的物性演化特征对了解地幔物质组成、结构以及动力学过程具有重要意义。为此，利用第一性原理计算了0～16 GPa压力下铝系列和钙系列常见的6种榴石（镁铝榴石、铁铝榴石、锰铝榴石、钙铬榴石、钙铝榴石和钙铁榴石）的晶体结构和弹性性质。结果表明：铝系列榴石的晶胞体积小于钙系列榴石；除镁铝榴石外，铝系列榴石的密度高于钙系列榴石。在石榴子石压缩过程中，多面体体积变化率由大到小依次为[XO₈]十二面体、[YO₆]八面体、[SiO₄]四面体，且变化率之比接近3∶2∶1，表明石榴子石的压缩机制主要受其结构中的十二面体控制。键角方差的变化表明：高压可以使钙系列榴石的四面体和八面体变得更加规则；而铝系列榴石则与其不同，高压下铝系列榴石的四面体变得更加不规则。研究发现：石榴子石的体弹模量随着铁铝榴石含量的增加而增大，随着钙铬榴石和钙铝榴石含量的增加而减小；而剪切模量则随着钙铝榴石含量的增加而增大，随着铁铝榴石和钙铬榴石含量的增加而减小。除镁铝榴石外，铝系列榴石的波速整体小于钙系列榴石。通过计算结果发现，石榴子石及其固溶体的波速在410 km附近与地球典型波速模型有交点，证明了石榴子石是地幔中的重要组分，且不同组成的石榴子石及固溶体的存在可能对地球地幔的波速结构产生重要影响。