主要下地幔礦物中稀有氣體(He,Ne,Ar)擴散的理論模擬

《主要下地幔礦物中稀有氣體(He,Ne,Ar)擴散的理論模擬》是依託南京大學，由汪愷擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：主要下地幔礦物中稀有氣體(He,Ne,Ar)擴散的理論模擬
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：汪愷
• 依託單位：南京大學

項目摘要

稀有氣體同位素作為一種重要的地球化學示蹤工具，可以用來揭示地球內部物質的分布以及地幔動力學演化的過程。了解稀有氣體在下地幔礦物中的擴散行為，對於研究下地幔中的原始稀有氣體富集區域的空間分布和演化過程有著重要意義。針對目前實驗數據非常匱乏的狀況，本研究擬採用基於密度泛函理論的第一性原理計算方法，從原子層面上研究典型稀有氣體元素He、Ne、Ar在主要下地幔礦物MgSiO3布里基曼石、MgO方鎂石和MgSiO3後鈣鈦礦中的穩定賦存形式，並採用CI-NEB(Climbing Image Nudged Elastic Band)方法對稀有氣體元素的擴散係數進行計算。據此模擬探討下地幔原始稀有氣體富集區域的時空演化，為認識完善地幔動力學模型提供新的思路和理論借鑑

結題摘要

稀有氣體同位素因其化學惰性及其豐度在不同地質體中的差異，為研究地球形成過程，地球各圈層（包括地核、地幔、地殼以及地球大氣）之間的相互作用和演化歷史等重大科學問題提供了一類重要的示蹤研究方法。通過對地表主要岩漿岩體系的地球化學分析，地質學家們發現來源於上地幔的洋中脊玄武岩（MORB）所含稀有氣體同位素呈現比較均一化的特徵，而與地幔柱密切相關的洋島玄武岩（OIB）中相對富集來自於地球形成初期的原始稀有氣體同位素。目前普遍認為這兩種岩漿來自不同的地幔，其中含原始稀有氣體比例高的OIB來自下地幔深部可能存在的未脫氣的原始地幔, 而MORB代表的是大部分已經充分脫氣的上地幔或者普通地幔。然而，隨著地震波觀測數據積累和精細化成像技術的發展，越來越多的證據表明地幔在大尺度上很難存在一個從地球形成初期就一直與普通地幔相對隔絕的部分。而地核作為可能的原始稀有氣體的儲庫，其對地幔的同位素影響可能起到關鍵作用，但是這一方面的研究由於實驗技術上的約束一直缺乏有效的基礎數據支撐。 在本研究中，我們基於密度泛函理論的第一性原理計算，首次獲得了He，Ne，Ar三種稀有氣體元素在下地幔主要礦物，包括方鎂石（MgO），布里基曼石(MgSiO3-Bm)和後鈣鈦礦(MgSiO3-PPv)中的擴散速率。我們的計算結果表明，在核幔邊界的溫壓條件下，稀有氣體在礦物中的擴散速率在1.7 × 10-11 ~ 3.3 × 10-8 m2/s之間，且隨著稀有氣體原子半徑的增大而降低。基於計算得到的擴散數據，我們在傳統的地幔同位素演化模型加入了對地核中原始稀有氣體向地幔中擴散的影響，我們發現新的模型能夠很好的重現OIB和MORB中的He, Ne, Ar同位素特徵，因此我們認為地核可能是OIB中原始稀有氣體的最終來源，而擴散在其中起到了關鍵的從地核向地幔的輸運作用，從而為一直存在爭議的原始稀有氣體同位素來源提供一種全新的研究思路。