主要下地幔矿物中稀有气体(He,Ne,Ar)扩散的理论模拟

Among the most important isotopic tracers, noble gas isotopics have has been used to study the material distribution of earth interior and mantle dynamic evolution. Understanding the diffusion of noble gases in lower mantle minerals is essential for studying the spatial distribution and evolution of primitive noble gas reservoirs in the lower mantle. Due to the scarce experimental data, tThis project plans to investigate stable configurations of the incorporation of He, Ne and Ar into lower mantle minerals including MgSiO3-bridgemanite, MgO-periclase and MgSiO3-post-perovskite by using first-principles calculations based on density functional theory (DFT), and the diffusion coefficients of noble gases will be calculated by performing CI-NEB (Climbing Image Nudged Elastic Band) method. These parameters will be used to simulate the evolution of lower mantle primitive reservoirs, and provide new ideas and referencessight about theon mantle dynamic models.

稀有气体同位素作为一种重要的地球化学示踪工具，可以用来揭示地球内部物质的分布以及地幔动力学演化的过程。了解稀有气体在下地幔矿物中的扩散行为，对于研究下地幔中的原始稀有气体富集区域的空间分布和演化过程有着重要意义。针对目前实验数据非常匮乏的状况，本研究拟采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，从原子层面上研究典型稀有气体元素He、Ne、Ar在主要下地幔矿物MgSiO3布里基曼石、MgO方镁石和MgSiO3后钙钛矿中的稳定赋存形式，并采用CI-NEB(Climbing Image Nudged Elastic Band)方法对稀有气体元素的扩散系数进行计算。据此模拟探讨下地幔原始稀有气体富集区域的时空演化，为认识完善地幔动力学模型提供新的思路和理论借鉴

稀有气体同位素因其化学惰性及其丰度在不同地质体中的差异，为研究地球形成过程，地球各圈层（包括地核、地幔、地壳以及地球大气）之间的相互作用和演化历史等重大科学问题提供了一类重要的示踪研究方法。通过对地表主要岩浆岩体系的地球化学分析，地质学家们发现来源于上地幔的洋中脊玄武岩（MORB）所含稀有气体同位素呈现比较均一化的特征，而与地幔柱密切相关的洋岛玄武岩（OIB）中相对富集来自于地球形成初期的原始稀有气体同位素。目前普遍认为这两种岩浆来自不同的地幔，其中含原始稀有气体比例高的OIB来自下地幔深部可能存在的未脱气的原始地幔, 而MORB代表的是大部分已经充分脱气的上地幔或者普通地幔。然而，随着地震波观测数据积累和精细化成像技术的发展，越来越多的证据表明地幔在大尺度上很难存在一个从地球形成初期就一直与普通地幔相对隔绝的部分。而地核作为可能的原始稀有气体的储库，其对地幔的同位素影响可能起到关键作用，但是这一方面的研究由于实验技术上的约束一直缺乏有效的基础数据支撑。. 在本研究中，我们基于密度泛函理论的第一性原理计算，首次获得了He，Ne，Ar三种稀有气体元素在下地幔主要矿物，包括方镁石（MgO），布里基曼石(MgSiO3-Bm)和后钙钛矿(MgSiO3-PPv)中的扩散速率。我们的计算结果表明，在核幔边界的温压条件下，稀有气体在矿物中的扩散速率在1.7 × 10-11 ~ 3.3 × 10-8 m2/s之间，且随着稀有气体原子半径的增大而降低。基于计算得到的扩散数据，我们在传统的地幔同位素演化模型加入了对地核中原始稀有气体向地幔中扩散的影响，我们发现新的模型能够很好的重现OIB和MORB中的He, Ne, Ar同位素特征，因此我们认为地核可能是OIB中原始稀有气体的最终来源，而扩散在其中起到了关键的从地核向地幔的输运作用，从而为一直存在争议的原始稀有气体同位素来源提供一种全新的研究思路。