俯冲带流体中的微量元素

摘要

微量元素是俯冲带流体活动的最为重要的地球化学示踪剂之一,其活化和迁移与流体成分和性质紧密相联.人们对地壳温压条件的微量元素地球化学行为特征有较多研究,对更高温压条件的深俯冲带流体中微量元素的认识还非常不足.从原子尺度上揭示微量元素在高压流体中的络合情况和输运性质,可以更好地理解其活动性特征的微观机理,为定量预测其地球化学行为奠定重要基础.由于俯冲带中流体主要分为热液流体、含水硅酸盐熔体以及超临界流体，本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学方法，分别系统考察了：稀土元素（REE）在水溶液中与H2O、Cl-、F-、SO42-等分子/离子的络合情况；REE 在含水硅酸盐熔体中与OH-、SiO2、以及Si-Al-Na团簇的络合情况；以及超临界压力之上流体中REE 的络合物。与此同时，结合计算几何学方法和热力学积分法，计算了这些典型络合物的生成自由能、偏摩尔体积等重要热力学参数，为相关热力学建模工作提供了关键约束。本研究计算结果还表明：Cl-、F-等卤族元素阴离子和Si-Al-Na团簇有利于降低轻稀土（LREE）的化学势，使得硅酸盐熔体和超临界流体中LREE的溶解度增加、LREE/HREE比值增加、以及其流体/固体分配系数增加，与相关实验结果相符。