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我院在硅酸盐熔体计算研究方面取得重要进展

发布者:陆昀乔发布时间:2020-09-11浏览次数:119

地球化学证据显示早期地球可能经历过几次全球性的熔融事件,导致早期陆壳的形成,并促进了铁质地核与硅酸盐地幔间的化学分异。硅酸盐熔体作为地球内部物质和能量迁移的重要载体,在地球演化过程中扮演了重要角色,其输运性质和热力学性质决定了岩浆洋的化学演化和热演化过程。例如硅酸盐熔体的黏度影响着碰撞后的下沉金属与周围硅酸盐熔体间的平衡,并强烈地影响了地球早期岩浆洋的冷却时间。此外,硅酸盐熔体的绝热温度剖面和地幔液相线同时决定了岩浆洋的结晶路径。到底岩浆洋的热力学状态如何?其冷却过程是怎样的?这些问题对了解当今地幔的结构具有重要意义。

本工作采用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学方法对铁橄榄石(Fe2SiO4)进行了高温高压研究,获得了该组分的P-V-T状态方程和高温高压下的黏度。基于状态方程,我们推导出了一系列基本的热力学参数,并获得了Fe2SiO4熔体在岩浆洋中的绝热温度剖面(图1)。根据Fe2SiO4熔体的黏度,我们构建其黏度模型并进一步讨论了岩浆洋的黏度剖面(图2)。结合我们前期的工作(Sun et al., 2019, GRL),发现Fe(Mg,Fe)SiO3熔体和(Mg,Fe)2SiO4熔体的绝热温度剖面影响较小,特别是当位温超过3000 K时,Fe的影响可以忽略。研究得到岩浆洋结晶时的位温上限为3250 K,岩浆洋顶部和核幔边界处的黏度下限分别0.0020 Pa·s0.0068 Pa·s。早期岩浆洋的黏度范围基本处于m Pa·s级,与常温常压下水的黏度相当。该研究进一步约束了岩浆洋的物理化学性质,为建立定量化的岩浆洋热演化模型奠定了基础。


1. Fe2SiO4熔体的绝热温度剖面



2. 硅酸盐熔体在岩浆洋中的黏度剖面

上述成果近期以“Physical state of an early magma ocean constrained by the thermodynamics and viscosity of iron silicate liquid”为题发表于《Earth and Planetary Science Letters》(2020,v551)。我院博士后孙义程为论文第一作者,刘显东教授、尹坤博士、周会群教授和陆现彩教授为论文的合作作者。


论文链接:https://doi.org/10.1016/j.epsl.2020.116556



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