研究生知识库

Li同位素作为应用广泛的地球化学示踪剂，也可用于研究地幔演化及壳幔循环等深部研究中。为了在长时间尺度上详细解释Li同位素在主要上地幔及地幔转换带矿物中的化学特征和扩散过程，在本研究中，我们对相应地幔条件下的镁橄榄石，瓦兹利石，林伍德石，顽火辉石，斜顽辉石以及镁铝石榴石，镁铝尖晶石进行了相关Li同位素的扩散和分馏的理论计算研究。本文运用经典力学（结合经验势参数）的方法建立矿物模型，并使用supercell的方法处理缺陷晶体的相关计算模拟，对原子水平上Li的不同扩散机制细节进行探讨，并分析因此所致的Li的两种同位素，6Li和7Li，在矿物晶格中不同位置存在所导致的分馏作用。另外，还简单探讨了Mg，Fe组分对橄榄石及其高压相之间的相变的影响。研究结果如下：1. Li在地幔矿物中会以取代空位和填隙位的点缺陷形式存在，两者会相互进行电荷平衡。2. Li在镁橄榄石以单独的填隙位机制迁移是十分困难的，Mg空位的帮助可以使得Li以填隙位机制迁移所需的活化能大大降低。而顽火辉石中Li沿填隙位机制路径迁移的活化能比橄榄石要低，其次是镁铝石榴石及镁铝尖晶石。取代空位机制的迁移路径，其过程是比较复杂的，与Li-Mg的交换速率，Mg空位的浓度等多种因素有关。3. 通过对Li在主要地幔矿物中沿不同路径迁移的活化能以及已有的部分迁移速率研究的对比，我们推断，迁移速率与迁移活化能之间具有一定得正相关关系，即迁移活化能越低的路径，Li沿其迁移时速率会更快。4. Li同位素在不同温压条件下在地幔矿物晶格中的填隙位和Mg位上的分馏效应表现为重同位素7Li更多的进入填隙位存在，而轻同位素6Li则更倾向于进入Mg空位存在。当温度升高时，分馏效应减弱。而压力条件，其对橄榄石及其高压相中的分馏影响很小，可以忽略，但是对于辉石类及石榴子石表现为压力升高，分馏效应增强。5. 在同样的温压条件下，镁橄榄石，顽火辉石，斜顽辉石，镁铝石榴石中Li同位素的分馏效应存在明显的差异，镁铝石榴子石具有最强的分馏效应，其次是斜顽辉石，镁橄榄石及顽火辉石的分馏效应则最弱。斜顽辉石中的Li同位素分馏效应对压力高低很敏感，若在高压条件下，分馏程度可与镁铝石榴石近似，而在低压条件时，分馏程度则接近镁橄榄石及顽火辉石。6. 同一温度下，压力升高对不同矿物中Li同位素分馏效应的影响程度是不同的，斜顽辉石中最强，顽火辉石与镁铝石榴石次之，而同一压力下，温度升高对不同矿物中Li同位素分馏效应的影响程度表现为：高压下，镁铝石榴石与斜顽辉石中的Li同位素分馏系数降低的幅度最大，其次为顽火辉石类；低压下则仅是镁铝石榴石中的Li同位素分馏效应降低的幅度大，而辉石类则总体降低幅度较小。7. 在封闭体系中，Li在地幔矿物中不同晶格位上的分馏效应是导致地幔材料中Li同位素组成差异的主要原因。8. 推断高压相中Li重同位素的比率更低，因为其更多的以填隙机制迁移出高压相矿物，相比之下镁橄榄石具有更重的锂同位素组成。9. Mg组分的加入会降低橄榄石与其高压相间的相变压，而Fe组分则相反。