地幔主要矿物间Mg、Si、Ca平衡同位素分馏系数的理论计算

With advance in isotopic analytical technologies, isotope tracing of the process of Earth's interior becomes very attractive. This requires that we have good knowledge on the equilibrium isotope fractionation between minerals for various elements. In this project, we will investigate the equilibrium isotope fractionation between minerals for elements such as Mg, Si, Ca using first principles calculations; investigate the effect of chemical composition, pressure, and phase transformations on isotopic fractionation. Based on calculated results, We will discuss the implication of the results on the Earth differentiation and substance cycle of deep Earth's interior. We can expect some of high-pressure phase transformations of minerals will significantly change the isotope fractionation properties of the mineral. We will pay close attention to the special fractionation features of different isotopes through phase transformations and explore the possibility to trace the deep process in Earth's interior by taking advantage of the effect of the phase transformations of minerals on isotope fractionation .

近些年同位素分析技术的进步为我们展示了利用同位素示踪深部过程的广阔前景，为此我们急需知道各矿物间不同元素高温高压下的平衡同位素分馏系数。本项目中，我们将利用第一性原理计算矿物间同位素分馏系数方面的优势，系统研究地幔主要矿物Mg、Si、Ca等元素在不同矿物间的平衡同位素分馏系数，研究化学成分、压强、相变等对不同元素同位素分馏影响的异同，从微观角度分析其机理，综合计算结果，分析地幔中Mg、Si等同位素分布的均一性，以深化对地幔中Mg、Si同位素分布变化的认识，并探讨其对认识地球分异演化、深部物质循环等方面的意义。可以预期一些相变会显著影响同位素分馏特性，根据相变对不同元素同位素分馏影响的特征，探讨利用相变对同位素的影响示踪地球深部过程的可能性。

地质过程通常会产生同位素分馏，同位素分馏是示踪地质过程的重要方法，其中需要的一个关键参数是平衡分馏系数。本项目用第一性原理计算研究地幔主要矿物间的Mg、Si、Ca 等同位素高温高压下的平衡分馏系数。重要结果包括：（a）计算了橄榄石及其高压相间的同位素分馏，分析了化学环境、压强、相变等对Mg、Si、O同位素分馏的影响，探讨这些结果对认识地幔同位素是否均一和估计地核中Si的含量的意义;（b）计算了主要硅酸盐矿物石英、钠长石、钙长石、以及锆石的Si和O的同位素平衡分馏系数，指出月球上的铁斜长岩的Si同位素数据可以用月球岩浆海过程中的结晶和钙长石的聚集解释；（c）碳酸盐矿物间的Mg、Ca同位素分馏 ；（d）斜方辉石中Ca浓度变化对Ca同位素分馏的影响；和 (e)长石中K的浓度对K同位素分馏的影响等 。已发表SCI文章11篇，其中Earth and Planetary Science Letters 上3篇、Geochimica et Cosmochimica Acta 3篇。多次参加美国地球物理联合会等重要国际会议，我本人在戈德施密特2016会议上以邀请报告的形式介绍碳酸盐Mg、Ca同位素分馏的工作。工作发表后受到国际同行的广泛关注和积极的正面引用，如google scholar 显示：Wu et al., 2015a EPSL 已被引用19次，Wu et al., 2015b EPSL 已被引用20次，Qin et al ., 2016 CMP 已被引用12次， Wang et al., 2017 GCA 已被引用 8次。 在基金的资助下，多个学生取得了非常优秀的成果，比如王文忠同学就因其突出表现而获得了多种奖励，包括：地球科学联合会和矿物岩石地球化学会议上的优秀报告奖、国家奖学金一等奖（2次）、李四光奖学金和唐立新奖学金等。