地球内部的物质组成及其物理化学性质是我们了解和认识地球形成与起源的基础。由于钻孔取样和高温高压实验的限制,基于量子力学的第一性原理模拟方法成为地球内部物质物性研究重要辅助手段之一,是地震学观测与地球内部结构、物质组成和物理化学状态研究的纽带和桥梁。地球内部的Fe-O体系在高温高压下会发生物理化学的转变。最近发现的FeO2以一种新的化学计量比出现并在核幔边界处稳定存在,并且在地幔压力下其与He元素可形成首个稳定的含氦化合物。系统和全面的研究FeO2及其含氦化合物在高压下的结构、电子和弹性性质对认识地球内部物质组成和FeO2及其含氦化合物在高压下的物理行为具有重要意义,同时也为寻找地球内部He储层提供证据。本文运用第一性原理方法计算了FeO2及其含氦化合物在高压下的晶体结构、电子性质和弹性性质,通过与PREM模型对比,分析讨论了其在地球内部的赋存特征。黄铁矿型立方晶体结构FeO2与FeO2He可以在核幔边界范围内稳定存在,He的加入增加了体系的稳定性,而压力的增加会降低稳定性。FeO2与FeO2He晶体的边长和体积均随着压力的增加而减小。He的加入使得FeO2的密度变小。FeO2晶体中O-O键长、Fe-O键长、O-Fe-O键角随着压力的增加不断减小,而Fe-O-O键角随着压力的增加不断增加。相反,FeO2He中O-Fe-O和Fe-O-Fe键角并不随压力改变。He的加入占据了FeO2中Fe的位置,使得O-O键遭到破坏,但形成了He的共价键并具有更大的Fe-O键。压力对FeO2与FeO2He的能带、态密度和电子密度影响甚微。FeO2在高压下表现金属特性,而He的加入使得FeO2从金属转变为半导体特性,且压力会显著增加半导体的带隙。费米能级附近Fe原子d轨道和O原子p轨道的电子杂化是FeO2和FeO2He的导电机制,压力不利于体系导电。FeO2中Fe原子与O原子之间的相互作用随压力增加而减弱,但FeO2基团与He原子之间的相互作用基本不受影响。Fe-O原子之间Fe原子均失去电子,O原子均得到电子,为离子键。而He的加入对Fe和O原子的得失电子无影响,且其自身失电子微弱可能在体系中起库伦屏蔽作用。FeO2和FeO2He的弹性常数、弹性模量、泊松比、Pugh比和波速均随着压力的增加而增大。He的加入明显提高了FeO2的波速。压力的增加FeO2和FeO2He抵抗弹性变形的能力和韧性增强且趋于各向同性,但低压下二者均为脆性,而过高的压力会降低FeO2的刚度和抵抗剪切变形的能力。添加He有助于提高FeO2抵抗弹性变形的能力,但会降低原有的韧性。俯冲板块所携带的水与地核中的铁反应生成FeO2可直接赋存于核幔边界并成为超低速带的物质组成。FeO2在上覆板块的作用下上移与He储层发生反应生成FeO2He并赋存于核幔边界顶部和下地幔底部之间,通过俯冲带的作用可以运移至地幔转换带也可以成为超低速带的物质组成。但FeO2He可能更多的位于超低速带的顶部。反之,FeO2He的稳定存在证明核幔边界或下地幔可能存在He储层。