研究生知识库

自Urey模型或Bigeleisen and Mayer公式提出以来，稳定同位素地球化学领域经历了飞速的发展。最近，随着质谱仪等分析测试技术的不断改进，金属稳定同位素（如Mg, Fe, Ca等）已经被广泛的应用于地球化学领域许多重大科学问题的研究当中。这些应用需要大量的稳定同位素分馏数据作为研究基础，并且分馏数据的质量将直接影响许多研究的最后结果。因此，精确定量的预测各种体系之间的平衡同位素分馏系数显得尤为重要。然而，近年来针对矿物和溶液体系之间Mg同位素平衡分馏系数的预测，无论是实验预测还是理论计算工作之间都存在着明显的争议。为了澄清这一问题，本论文从理论计算方面入手，采用一种新的方法——“可变体积的分子簇模型（VVCM）”,预测了碳酸盐体系（菱镁矿、白云石、方解石和文石）和不同的含Mg2+溶液体系（Mg2+(aq), MgHCO3+(aq)和MgOH+(aq)）之间的Mg同位素分馏。为了衡量碳酸盐在沉积过程中可能形成的中间产物（如无定型的碳酸盐，ACCs）对Mg同位素分馏的影响，本论文利用三个代表性的分子簇模拟ACCs的结构，并且最终获得了ACCs与含Mg2+溶液之间的平衡分馏系数。此外，考虑到水镁石对风化过程研究的重要意义，我们同时也预测了水镁石和含Mg2+溶液之间的平衡分馏系数。为了检验VVCM方法计算结果的可靠性，本论文还利用周期性方法计算了菱镁矿、白云石和水镁石之间的Mg同位素分馏，并且将本工作的结果与前人实验和理论计算结果进行了全面的对比。对于碳酸盐vs. Mg2+(aq)，本论文理论预测的分馏结果与Pinilla et al., (2015)计算的结果相近。与实验结果相比，菱镁矿和Mg2+(aq)之间的理论预测分馏结果要偏小一些，这是由于在实验过程中，实验液体中存在除Mg2+(aq)之外的含Mg2+离子对，这些含Mg离子对有较Mg2+(aq)更重的Mg同位素组成，因此造成实验测得矿物与溶液间的分馏较理论预测偏大。对于白云石vs. Mg2+(aq)，实验与理论计算之间的差异也可能是由同样的原因造成。然而，在方解石和文石vs. Mg2+(aq)体系中，实验与理论计算之间存在着巨大的差异。造成这些差异主要原因可能是以下几点：在实验过程中含Mg的水合物进入了矿物；在矿物形成过程中，矿物可能并非直接从溶液中沉积形成，而是由中间产物转化而来；矿物中Mg的成分效应会对Mg同位素的分馏产生明显的影响。根据我们的计算结果，在常温下，Mg-ACCs与Mg2+(aq)之间存在~1.45‰平衡分馏，这与前人的实验结果是吻合的。对于水镁石vs. Mg2+(aq)体系，理论计算结果表明水镁石相对含Mg溶液会富集更重的Mg同位素，并且在常温下其平衡分馏系数为2.7‰和2.9‰（分别在B3LYP/6-31G*和B3LYP/6-311G*的理论水平下）。这明显大于前人实验预测的值，却与另一个理论计算结果相近。近年来许多地幔矿物研究工作表明，即使在岩浆温度下，仍然存在一定并且可观测的同位素分馏。因此，本论文还将VVCM方法应用于计算高温矿物相之间的Mg同位素分馏。主要涉及的体系包括镁橄榄石、单斜辉石、斜方辉石、尖晶石和角闪石。重Mg同位素富集顺序预测为尖晶石>角闪石>单斜辉石>斜方辉石>镁橄榄石，这与前人样品观测结果是一致的。综上所述，本论文利用VVCM方法预测了一系列矿物-溶液和矿物-矿物之间的Mg同位素分馏，并且就已有工作之间存在的争议做出了系统的讨论。本论文为研究不断增加的Mg同位素数据提供了一个基础。