本文主要研究内容
作者王文忠（2019）在《地球内部的物理和化学——基于密度泛函理论》一文中研究指出：地球内部的物理化学状态是我们理解地球的物质组成、地球的起源与演化和地球内部的动力学过程的基础。地震波是我们获取地球内部结构信息和制约地球内部过程的最重要手段之一。矿物在高温高压下的弹性性质是我们将地震学研究得到的波速信息转化为地球内部物质组成和理解相关物理化学过程的关键数据。另一方面,地球内部的物理化学状态也可以通过研究来自地球内部的样品来获得。随着技术的突破与进步,越来越多的稳定同位素体系被广泛地应用于研究地球内部的物质组成以及物理化学过程。分馏机理是解读同位素数据的钥匙,更是稳定同位素地球化学的基石,同位素平衡分馏系数则是理解分馏机理的关键参数。本论文通过第一性原理计算获得了相关矿物高温高压下的弹性,并结合地震学观测制约地幔过渡带中水的分布和下地幔地震学异常的起源;同时,基于第一性原理计算得到了多个同位素体系的平衡分馏系数,为同位素地球化学分馏机理的理解提供关键参数。地幔中名义上无水矿物都可以含有一定量的水。由于瓦兹利石和林伍德石的含水能力非常高,地幔过渡带被认为是重要的储水层且其水含量可能高达几个wt%这一量级。地幔过渡带是否含水,对我们认识深部过程有着非常重要的影响,比如深部水循环、熔融和化学物质循环,地幔对流,以及410公里上方的低速区的形成等。地震学观测可以被用来制约地幔过渡带水含量,但是,目前依然缺乏含水瓦兹利石和林伍德石在过渡带温压条件下的弹性性质。我们基于密度泛函理论计算了含水瓦兹利石和林伍德石高温高压下的弹性并评估了水对其波速的影响。结合前人橄榄石的弹性数据,我们建立弹性模型模拟了410公里不连续界面处的波速和密度跳变。我们的模型表明,当瓦兹利石含有～0.9wt%的水,地幔岩能够很好地解释地震学观测到的波速和密度跳变,且橄榄石水含量应当小于其最大水含量500 ppm,意味着在410公里上方有含水熔体的出现。同时,结合地震学观测(660公里不连续界面的深度和附近的波速异常)和含水林伍德石弹性数据,我们发现地幔过渡带底部在某些局部区域非常富水(水含量大于0.5 wt%),且全球平均水含量大约为0.2 wt%。这意味地幔过渡带中的水含量很可能随着深度变化而变化。我们也进一步计算了水在瓦兹利石和林伍德石之间的配分系数,在二者相界处大约为1.7。尽管水的存在并不能明显增加瓦兹利石-林伍德石相变导致的波速跳变,但是会明显增大其波速阻抗差且减小二者相变宽度。因此,局部出现的520公里不连续界面很可能意味着水在地幔过渡带中部存在。由于林伍德石与布里奇曼石之间的水配分系数非常大(高达～30),下地幔被认为处于无水的状态。然而,地震学研究依然发现,在下地幔存在大量不同尺度的地震学异常体。俯冲洋壳具有和下地幔不一样的化学组成,被认为是下地幔异常体的主要化学来源。基于相关矿物高温高压弹性数据,我们计算了俯冲洋壳在下地幔温压条件下的波速和密度特征。结果表明,在斯石英到CaCl2-型Si02的相界附近,相对于周围正常地幔,俯冲洋壳具有非常低的波速,其存在能够导致很大的剪切波速负异常,这和地震学研究在地幔中部探测到的散射体波速异常非常一致,证实了下地幔小尺度散射体来自于俯冲洋壳。在斯石英相变到CaCl2-型Si02之后,洋壳的波速始终比周围地幔高,即使洋壳的温度异常达到+1000 K,即比周围地幔热1000 K,这排除了大型低剪切波速省的化学异常来自于洋壳这一可能性。相反,俯冲洋壳在下地幔堆积能够形成高速异常体,波速异常可高达+2%。另一方面,地球内部的物理化学状态和演化过程也有可能被同位素指标记录,因此,同位素平衡分馏系数是应用同位素研究地球化学过程的关键数据。通常,大部分元素在天然样品中存在于固溶体中且其含量可以在很大的区间内变化。然而,成分效应对同位素平衡分馏系数的影响一直被忽略。我们基于密度泛函理论预测了碳酸盐矿物间的镁钙同位素平衡分馏和辉石之间的钙同位素平衡分馏,发现碳酸盐镁和钙含量对碳酸盐矿物和白云石之间的镁钙同位素分馏影响非常大。同时,我们也发现斜方辉石与单斜辉石之间的钙同位素平衡分馏也与斜方辉石的钙含量有关;但是,当斜方辉石钙含量低于某个阈值,斜方辉石与单斜辉石之间的钙同位素平衡分对斜方辉石钙含量不再敏感,意味着成分效应的另一边界。进一步,我们在考虑了成分效应的情况下预测了主要含钛矿物间的钛同位素平衡分馏系数。计算结果表明,橄榄石、单斜辉石、斜方辉石和镁铝榴石之间的钛同位素平衡分馏非常小,但是硅酸盐与铁钛氧化物之间的分馏非常大,在1200 K时达到-0.67‰。这证实了铁钛氧化物在岩浆分异过程的钛同位素演化过程中起着关键作用。更为重要的是,我们基于第一性原理分子动力学建立一种新方法来预测矿物与流体间的同位素平衡分馏系数,并计算了矿物与流体之间的镁同位素分馏系数。我们的计算结果与高精度的实验非常符合,并发现碳酸盐矿物相对于水溶液更加富集轻Mg同位素,而水镁石和利蛇纹石更加富集重Mg同位素。这些镁同位素平衡分馏数据为镁同位素在许多地球化学过程中的应用提供了基准,比如大陆风化和全球镁循环等。
Abstract
de qiu nei bu de wu li hua xue zhuang tai shi wo men li jie de qiu de wu zhi zu cheng 、de qiu de qi yuan yu yan hua he de qiu nei bu de dong li xue guo cheng de ji chu 。de zhen bo shi wo men huo qu de qiu nei bu jie gou xin xi he zhi yao de qiu nei bu guo cheng de zui chong yao shou duan zhi yi 。kuang wu zai gao wen gao ya xia de dan xing xing zhi shi wo men jiang de zhen xue yan jiu de dao de bo su xin xi zhuai hua wei de qiu nei bu wu zhi zu cheng he li jie xiang guan wu li hua xue guo cheng de guan jian shu ju 。ling yi fang mian ,de qiu nei bu de wu li hua xue zhuang tai ye ke yi tong guo yan jiu lai zi de qiu nei bu de yang pin lai huo de 。sui zhao ji shu de tu po yu jin bu ,yue lai yue duo de wen ding tong wei su ti ji bei an fan de ying yong yu yan jiu de qiu nei bu de wu zhi zu cheng yi ji wu li hua xue guo cheng 。fen liu ji li shi jie dou tong wei su shu ju de yao chi ,geng shi wen ding tong wei su de qiu hua xue de ji dan ,tong wei su ping heng fen liu ji shu ze shi li jie fen liu ji li de guan jian can shu 。ben lun wen tong guo di yi xing yuan li ji suan huo de le xiang guan kuang wu gao wen gao ya xia de dan xing ,bing jie ge de zhen xue guan ce zhi yao de man guo du dai zhong shui de fen bu he xia de man de zhen xue yi chang de qi yuan ;tong shi ,ji yu di yi xing yuan li ji suan de dao le duo ge tong wei su ti ji de ping heng fen liu ji shu ,wei tong wei su de qiu hua xue fen liu ji li de li jie di gong guan jian can shu 。de man zhong ming yi shang mo shui kuang wu dou ke yi han you yi ding liang de shui 。you yu wa ci li dan he lin wu de dan de han shui neng li fei chang gao ,de man guo du dai bei ren wei shi chong yao de chu shui ceng ju ji shui han liang ke neng gao da ji ge wt%zhe yi liang ji 。de man guo du dai shi fou han shui ,dui wo men ren shi shen bu guo cheng you zhao fei chang chong yao de ying xiang ,bi ru shen bu shui xun huan 、rong rong he hua xue wu zhi xun huan ,de man dui liu ,yi ji 410gong li shang fang de di su ou de xing cheng deng 。de zhen xue guan ce ke yi bei yong lai zhi yao de man guo du dai shui han liang ,dan shi ,mu qian yi ran que fa han shui wa ci li dan he lin wu de dan zai guo du dai wen ya tiao jian xia de dan xing xing zhi 。wo men ji yu mi du fan han li lun ji suan le han shui wa ci li dan he lin wu de dan gao wen gao ya xia de dan xing bing ping gu le shui dui ji bo su de ying xiang 。jie ge qian ren gan lan dan de dan xing shu ju ,wo men jian li dan xing mo xing mo ni le 410gong li bu lian xu jie mian chu de bo su he mi du tiao bian 。wo men de mo xing biao ming ,dang wa ci li dan han you ～0.9wt%de shui ,de man yan neng gou hen hao de jie shi de zhen xue guan ce dao de bo su he mi du tiao bian ,ju gan lan dan shui han liang ying dang xiao yu ji zui da shui han liang 500 ppm,yi wei zhao zai 410gong li shang fang you han shui rong ti de chu xian 。tong shi ,jie ge de zhen xue guan ce (660gong li bu lian xu jie mian de shen du he fu jin de bo su yi chang )he han shui lin wu de dan dan xing shu ju ,wo men fa xian de man guo du dai de bu zai mou xie ju bu ou yu fei chang fu shui (shui han liang da yu 0.5 wt%),ju quan qiu ping jun shui han liang da yao wei 0.2 wt%。zhe yi wei de man guo du dai zhong de shui han liang hen ke neng sui zhao shen du bian hua er bian hua 。wo men ye jin yi bu ji suan le shui zai wa ci li dan he lin wu de dan zhi jian de pei fen ji shu ,zai er zhe xiang jie chu da yao wei 1.7。jin guan shui de cun zai bing bu neng ming xian zeng jia wa ci li dan -lin wu de dan xiang bian dao zhi de bo su tiao bian ,dan shi hui ming xian zeng da ji bo su zu kang cha ju jian xiao er zhe xiang bian kuan du 。yin ci ,ju bu chu xian de 520gong li bu lian xu jie mian hen ke neng yi wei zhao shui zai de man guo du dai zhong bu cun zai 。you yu lin wu de dan yu bu li ji man dan zhi jian de shui pei fen ji shu fei chang da (gao da ～30),xia de man bei ren wei chu yu mo shui de zhuang tai 。ran er ,de zhen xue yan jiu yi ran fa xian ,zai xia de man cun zai da liang bu tong che du de de zhen xue yi chang ti 。fu chong xiang ke ju you he xia de man bu yi yang de hua xue zu cheng ,bei ren wei shi xia de man yi chang ti de zhu yao hua xue lai yuan 。ji yu xiang guan kuang wu gao wen gao ya dan xing shu ju ,wo men ji suan le fu chong xiang ke zai xia de man wen ya tiao jian xia de bo su he mi du te zheng 。jie guo biao ming ,zai si dan ying dao CaCl2-xing Si02de xiang jie fu jin ,xiang dui yu zhou wei zheng chang de man ,fu chong xiang ke ju you fei chang di de bo su ,ji cun zai neng gou dao zhi hen da de jian qie bo su fu yi chang ,zhe he de zhen xue yan jiu zai de man zhong bu tan ce dao de san she ti bo su yi chang fei chang yi zhi ,zheng shi le xia de man xiao che du san she ti lai zi yu fu chong xiang ke 。zai si dan ying xiang bian dao CaCl2-xing Si02zhi hou ,xiang ke de bo su shi zhong bi zhou wei de man gao ,ji shi xiang ke de wen du yi chang da dao +1000 K,ji bi zhou wei de man re 1000 K,zhe pai chu le da xing di jian qie bo su sheng de hua xue yi chang lai zi yu xiang ke zhe yi ke neng xing 。xiang fan ,fu chong xiang ke zai xia de man dui ji neng gou xing cheng gao su yi chang ti ,bo su yi chang ke gao da +2%。ling yi fang mian ,de qiu nei bu de wu li hua xue zhuang tai he yan hua guo cheng ye you ke neng bei tong wei su zhi biao ji lu ,yin ci ,tong wei su ping heng fen liu ji shu shi ying yong tong wei su yan jiu de qiu hua xue guo cheng de guan jian shu ju 。tong chang ,da bu fen yuan su zai tian ran yang pin zhong cun zai yu gu rong ti zhong ju ji han liang ke yi zai hen da de ou jian nei bian hua 。ran er ,cheng fen xiao ying dui tong wei su ping heng fen liu ji shu de ying xiang yi zhi bei hu lve 。wo men ji yu mi du fan han li lun yu ce le tan suan yan kuang wu jian de mei gai tong wei su ping heng fen liu he hui dan zhi jian de gai tong wei su ping heng fen liu ,fa xian tan suan yan mei he gai han liang dui tan suan yan kuang wu he bai yun dan zhi jian de mei gai tong wei su fen liu ying xiang fei chang da 。tong shi ,wo men ye fa xian xie fang hui dan yu chan xie hui dan zhi jian de gai tong wei su ping heng fen liu ye yu xie fang hui dan de gai han liang you guan ;dan shi ,dang xie fang hui dan gai han liang di yu mou ge yu zhi ,xie fang hui dan yu chan xie hui dan zhi jian de gai tong wei su ping heng fen dui xie fang hui dan gai han liang bu zai min gan ,yi wei zhao cheng fen xiao ying de ling yi bian jie 。jin yi bu ,wo men zai kao lv le cheng fen xiao ying de qing kuang xia yu ce le zhu yao han tai kuang wu jian de tai tong wei su ping heng fen liu ji shu 。ji suan jie guo biao ming ,gan lan dan 、chan xie hui dan 、xie fang hui dan he mei lv liu dan zhi jian de tai tong wei su ping heng fen liu fei chang xiao ,dan shi gui suan yan yu tie tai yang hua wu zhi jian de fen liu fei chang da ,zai 1200 Kshi da dao -0.67‰。zhe zheng shi le tie tai yang hua wu zai yan jiang fen yi guo cheng de tai tong wei su yan hua guo cheng zhong qi zhao guan jian zuo yong 。geng wei chong yao de shi ,wo men ji yu di yi xing yuan li fen zi dong li xue jian li yi chong xin fang fa lai yu ce kuang wu yu liu ti jian de tong wei su ping heng fen liu ji shu ,bing ji suan le kuang wu yu liu ti zhi jian de mei tong wei su fen liu ji shu 。wo men de ji suan jie guo yu gao jing du de shi yan fei chang fu ge ,bing fa xian tan suan yan kuang wu xiang dui yu shui rong ye geng jia fu ji qing Mgtong wei su ,er shui mei dan he li she wen dan geng jia fu ji chong Mgtong wei su 。zhe xie mei tong wei su ping heng fen liu shu ju wei mei tong wei su zai hu duo de qiu hua xue guo cheng zhong de ying yong di gong le ji zhun ,bi ru da liu feng hua he quan qiu mei xun huan deng 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自中国科学技术大学的王文忠，发表于刊物中国科学技术大学2019-07-12论文，是一篇关于第一性原理计算论文,弹性论文,地幔过渡带含水论文,下地幔论文,波速异常体论文,同位素平衡分馏论文,成分效应论文,钛同位素地球化学论文,镁同位素地球化学论文,中国科学技术大学2019-07-12论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自中国科学技术大学2019-07-12论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
标签：第一性原理计算论文; 弹性论文; 地幔过渡带含水论文; 下地幔论文; 波速异常体论文; 同位素平衡分馏论文; 成分效应论文; 钛同位素地球化学论文; 镁同位素地球化学论文; 中国科学技术大学2019-07-12论文;