氦在SiO2和CaCO3晶体中扩散的理论模拟研究

论文摘要

了解矿物中的物质运输和能量迁移规律是理解地球动力学演化的基础。因此,定量研究矿物内部物质输运性质已成为固体地球科学的重要研究领域。元素在矿物中的扩散是地球物质内部运移的一种重要方式。氦是地幔演化过程中的关键微量元素,辨明氦在地幔中的迁移性质对了解地球的热历史,推演地球化学演化过程具有重要意义。然而,在地幔条件下,对于矿物中惰性气体扩散的研究还存在一定局限性,因此氦在地幔矿物中的扩散速率和机制仍不能确定。传统的实验方法在进行矿物内部惰性气体扩散性质的研究中存在许多困难,最主要的难题是目前的实验条件难以模拟深部地壳和地幔的环境。另外,矿物样品的采集和制备过程也受到许多实验条件限制,如样品中不可避免地含有一定量的杂质元素、晶体缺陷、裂隙、流体包裹体等,这些物质都对矿物中气体的扩散速率有一定影响,进而影响使所测得扩散参数的适用性。随着理论模拟技术的飞速发展和计算能力的大幅度提高,基于量子力学和计算化学的原子模拟技术在地球科学领域中的作用逐渐增大。特别是在高温高压技术研究领域,原子理论模拟存在独特的优势,已逐渐成为了与实验研究相辅相成的重要手段。本文采用第一性原理方法计算了氦在石英、柯石英、方解石和文石中的扩散行为和扩散机制。利用密度泛函理论（DFT）和Climb Image-Nudged Elastic Band（CI-NEB）方法,计算了氦在不同压力条件下的扩散路径、激活能（Ea）和振动频率因子（v）。论文研究结果和讨论主要包括以下几个方面:（1）氦在石英中随温度变化的扩散系数可以写成Arrhenius形式:D[100]=1.24×10-6 exp（-26.83 k J/mol/RT）m2/s D[010]=1.11×10-6 exp（-31.60 k J/mol/RT）m2/s氦在柯石英中随温度变化的扩散系数:D[100]=3.00×10-7 exp（-33.79 k J/mol/RT）m2/s D[001]=2.21×10-6 exp（-18.33 k J/mol/RT）m2/s计算结果表明,氦在石英和柯石英中的扩散均具有各向异性。氦在柯石英中的扩散数据表明,随着压力的增大,扩散激活能会随之增大,使得扩散速率降低。在典型的地表条件下,氦不会在石英中大量保留,这与前人的研究结果一致。当石英晶体粒度由10-6 m到10-2 m变化时,[100]方向的封闭温度从68 K升高至108 K,[010]方向的封闭温度从87 K至127 K;当柯石英晶体粒度由10-6m到10-2m变化时,[100]方向的封闭温度从88 K142 K,[001]方向的封闭温度从46 K74 K。石英中[100]方向的封闭温度较低,柯石英中[001]方向的封闭温度较低。（2）氦在方解石中随温度变化的扩散系数可以写成Arrhenius方程式:D[010]（[100]）=5.46×10-7 exp（-67.64 k J/m/RT）m2/s D[001]=4.65×10-7 exp（-97.36 k J/mol/RT）m2/s氦在文石中随温度变化的扩散系数:D[100]=9.64×10-7 exp（-82.40 k J/mol/RT）m2/s D[001]=1.06×10-6 exp（-96.00 k J/mol/RT）m2/s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）轴方向的扩散速率比c轴快,使得a（b）轴方向为其扩散的优选方向。氦在文石中的扩散数据表明,随着压力的增大,扩散的激活能增大,扩散速率降低。当方解石晶体粒度从0.2 mm变化至2mm时,[010]方向的封闭温度从-54 ℃变化至-25 ℃,[001]方向的封闭温度从40℃82℃;当文石晶体粒度从0.2 mm到2mm变化时,[100]方向的封闭温度从-12℃23 ℃,[001]方向的封闭温度从30 ℃69 ℃。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李书晨

导师: 刘红

关键词: 氦的扩散,二氧化硅,碳酸钙,第一性原理,压力效应

来源: 中国地震局地震预测研究所

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 中国地震局地震预测研究所

分类号: P574

总页数: 56

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标签：氦的扩散论文;  二氧化硅论文;  碳酸钙论文;  第一性原理论文;  压力效应论文;