本文關鍵詞：礦物輸運性質的計算模擬和實例研究

  更多相關文章： 熱導率 擴散系數(shù) 氦同位素 地幔礦物 第一性原理計算 分子動力學 數(shù)值模擬

【摘要】：礦物內(nèi)部的物質運移和能量傳遞規(guī)律研究是認識地球動力學演化的基礎,因此,礦物輸運性質的定量研究一直是固體地球科學的重要研究方向之一。礦物的輸運性質主要包括表征能量傳遞的熱導率和描述物質運移的擴散系數(shù)以及電子傳輸?shù)碾妼实?其中元素在礦物中的擴散行為是地球內(nèi)部物質輸運的重要途徑之一,而熱量在固體地球中的傳導是能量輸運的重要體現(xiàn)。這兩種現(xiàn)象不僅在數(shù)學上有著極為相似的控制方程,而且在地球的演化過程中相互耦合,有著不可分割的聯(lián)系。例如影響地球內(nèi)部溫度場的重要因素—礦物熱導率受礦物組成成分的影響,而溫度反之是決定物質的擴散快慢,從而成為制約地球內(nèi)部化學元素分布、影響盆地熱結構和成藏作用的重要因素。傳統(tǒng)的實驗方法在礦物輸運性質研究中面臨著諸多難題,最主要的障礙來自于需要在實驗中實現(xiàn)深部地殼甚至地幔條件下的高溫高壓環(huán)境。另外,礦物樣品制備也受諸多因素限制,如樣品中雜質元素的含量和賦存形式、晶體缺陷、裂隙、包裹體等均對礦物的擴散系數(shù)和熱導率有顯著影響,進而所測參數(shù)的適用性受到限制。隨著計算模擬技術的迅速發(fā)展和計算機計算能力的大幅提升,以及對固體輸運屬性理論和數(shù)學描述等方面的不斷完善,基于統(tǒng)計熱力學和計算化學的原子模擬技術在地球科學研究中起到了越來越重要的作用。特別是在高溫高壓領域,原子模擬由于其獨特的優(yōu)勢已逐漸形成了與實驗研究相互促進、相互驗證的一種重要研究手段。本文采用第一性原理和分子動力學模擬計算了橄欖石、方鎂石、鈣鈦礦和后鈣鈦礦等地幔礦物中He擴散系數(shù)以及石英、伊利石和高嶺石等常見礦物的熱導率；并利用宏觀的數(shù)值模擬方法,對地幔中He擴散行為和含油氣盆地中受巖漿侵入巖影響的地熱場演化進行了數(shù)值模擬。主要研究內(nèi)容和新認識包括如下四個方面：(1)利用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法,描述了上地幔礦物橄欖石中氦擴散系數(shù)的各向異性,并首次獲得了上地幔溫壓條件下氦在鎂橄欖石中的擴散系數(shù),確定了氦在橄欖石中的封閉溫度。本文的計算結果不僅與已有的實驗結果十分一致,而且首次得到了氦在上地幔溫壓條件下在橄欖石晶格中擴散的定量數(shù)據(jù)�；谶@一結果,進一步計算表明橄欖石中氦元素的封閉溫度為143～244℃,說明橄欖石可以用來作為中低溫環(huán)境的地質定年工具。綜合考慮溫度和壓力的影響后,認為上地幔中的氦在100 Ma內(nèi)可以擴散到最遠數(shù)十到數(shù)百米的距離,據(jù)此可推測上地幔中氦異常區(qū)域的可能大小。(2)基于第一性原理計算,計算了25到140 GPa壓力范圍內(nèi)下地幔礦物方鎂石(MgO-periclase)、鎂鈣鈦礦(MgSiO3-perovskite)和鎂后鈣鈦礦(MgSiO3-post-perovskite)中氦的擴散系數(shù),并探討了下地幔中氦富集區(qū)域存在的可能性及其地質、地球物理意義。根據(jù)計算結果,估算了下地幔中3He富集區(qū)域的最小尺寸,并評估了下地幔中幾種地震波異常區(qū)域作為3He儲體的可能性。綜合考慮氦在幾種礦物中的擴散速率,在下地幔底部溫壓條件下氦的擴散系數(shù)最高可達到～10-8m2/s。進一步估算了不同尺寸的3He儲集體在下地幔底部的演化過程,結果表明這些儲集體的尺寸必須要達到50 km以上才可能在4.5 Ga的時間內(nèi)保持足夠高的3He濃度,從而影響地幔柱相關的洋島玄武巖中的3He/4He比值。由于下地幔中的超低速區(qū)域(ULVZs)的厚度一般小于40 km,因此基于氦在下地幔礦物中的擴散速率,本文認為ULVZs的尺寸不足以保存足夠多的3He。(3)基于分子動力學模擬計算,獲得了石英、伊利石和高嶺石的熱導率數(shù)值,揭示了晶體結構與熱導率各向異性之間的密切聯(lián)系,查明了石英熱導率的溫度依賴性,并初步探討了晶格空位對熱傳輸能力的抑制作用。常溫條件下,α石英c軸方向的熱導率(13.8 W/mK)明顯高于a、b軸方向(11.1 W/mK),而對于具有層狀結構的粘土礦物,c軸方向熱導率比a、b軸方向低一個數(shù)量級；α石英的熱導率具有明顯的溫度依賴性,當溫度從300K上升到800K時,沿c軸和a軸的熱導率分別從13.8 W/mK和11.1 W/mK迅速降至6.0 W/mK和4.9 W/mK,但在發(fā)生相變轉變?yōu)棣率⒑?反而因β石英特殊的熱收縮性質而隨溫度上升而升高。此外,計算表明石英晶格中O原子空位對熱導率有明顯影響,即使小于0.1%的空位濃度都會使得熱導率下降30%左右。(4)基于二維復雜熱傳導模型,以勝利油區(qū)沾化凹陷羅-151井區(qū)為例,利用有限差分法的數(shù)值模擬方法,計算模擬了輝綠巖巖席侵入烴源巖后的熱傳輸過程,揭示了富有機質圍巖的熱演化歷史和生烴效應,獲得了和油氣開發(fā)實踐可對應的生烴成藏信息。該模型綜合考慮了巖石熱導率,孔隙水汽化等影響因素,計算結果表明：侵位深度為1700 m、厚度為100 m的輝綠巖席的冷卻過程約持續(xù)0.1 My。圍巖由近及遠所經(jīng)歷的最高溫度依次為10 m處為500℃,50 m處為250℃,100 m處為170℃。根據(jù)模擬結果估計的生烴量也與實際生產(chǎn)中的探明儲量一致,這一結果也支持這一由侵入巖烘烤快速生烴,并儲藏于火成巖裂縫和圍巖變質成因孔隙中的成藏作用。
【關鍵詞】：熱導率 擴散系數(shù) 氦同位素 地幔礦物 第一性原理計算 分子動力學 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P57
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-22
• 1.1 礦物中元素氮的擴散及其意義12-15
• 1.1.1 氦擴散在熱定年技術中的應用12-13
• 1.1.2 地幔礦物中氦擴散的研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2 礦物熱導率及其研究意義15-18
• 1.3 研究內(nèi)容和論文概要18-22
• 1.3.1 研究內(nèi)容和研究思路18-19
• 1.3.2 研究方法和工作量19
• 1.3.3 論文內(nèi)容概覽19-21
• 1.3.4 主要創(chuàng)新點21-22
• 第二章 礦物傳遞作用的理論描述22-34
• 2.1 分子動力學方法22-26
• 2.1.1 分子動力學基本思想22-24
• 2.1.2 力場24
• 2.1.3 庫侖力的wolf求和方法24-26
• 2.2 第一性原理計算26-29
• 2.2.1 Born-Oppenheimer近似27
• 2.2.2 Hartree-Fork(HF)方法和post-HF方法27-28
• 2.2.3 密度泛函理論(DFT)28-29
• 2.3 過渡態(tài)理論29-30
• 2.4 過渡態(tài)及反應路徑計算方法30-31
• 2.5 熱傳導/擴散方程的有限差分法求解31-34
• 第三章 橄欖石中氦擴散的第一性原理計算34-48
• 3.1 引言34-35
• 3.2 研究方法35-38
• 3.3 結果與討論38-44
• 3.3.1 擴散路徑及相應的活化能38-39
• 3.3.2 擴散速率39-40
• 3.3.3 與實驗的對比40-42
• 3.3.4 壓力效應42-44
• 3.4 地質意義44-46
• 3.5 小結46-48
• 第四章 下地幔礦物中氦擴散系數(shù)的計算48-65
• 4.1 引言48-49
• 4.2 計算方法49-50
• 4.3 氦在方鎂石中的擴散50-51
• 4.4 氦在硅酸鎂鈣鈦礦中的擴散51-54
• 4.5 氦在硅酸鎂后鈣鈦礦中的擴散54-59
• 4.6 討論59-64
• 4.6.1 氦在下地幔中的擴散59-60
• 4.6.2 地質意義60-64
• 4.7 小結64-65
• 第五章 礦物熱導率的分子動力學模擬計算65-78
• 5.1 引言65-67
• 5.2 分子動力學模擬67-70
• 5.3 石英熱導率的計算70-72
• 5.4 晶格空位對熱導率的影響72-74
• 5.5 粘土礦物的熱導率74-76
• 5.6 泥質巖石熱導率的估算76
• 5.7 小結76-78
• 第六章 巖石熱傳輸作用的數(shù)值模擬：以沾化凹陷為例78-97
• 6.1 引言78-79
• 6.2 地質背景79-82
• 6.3 二維Heat-Flow模型及模擬結果82-91
• 6.3.1 復雜熱傳導模型82-83
• 6.3.2 邊界條件和參數(shù)設定83-85
• 6.3.3 模擬結果85-89
• 6.3.4 模擬結果驗證89-91
• 6.4 生烴動力學模擬91-94
• 6.4.1 模型及參數(shù)91-92
• 6.4.2 模擬結果92-94
• 6.5 討論94-96
• 6.5.1 生烴量94-95
• 6.5.2 邊界條件的選擇95-96
• 6.6 小結96-97
• 結論和下一步工作展望97-100
• 參考文獻100-114
• 致謝114-115
• 攻讀博士學位期間論文發(fā)表情況115-116

【參考文獻】

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本文編號：771084