硅酸盐气化与凝聚过程的相平衡与化学分异

Silicate vapors play important roles in the planetary formation and accretion. Phase equilibria and chemical fractionation in silicate vaporizations and condensations have been recognized to be indispensible for the variations of compositions and element abundance in the early earth and terrestrial planets. Present knowledge of the properties of silicate vapors and their phase equilibria is extremely scarce, the experimental measurements of vapor-liquid phase equilibria of silicates in high temperature regime are still in the infancy, and the extrapolations with the aid of empirical thermodynamic models turn out to be unreliable or even erroneous. Utilizing first principles simulations, combining techniques of computational geometry, statistical mechanics and thermodynamics, we propose to systematically study the solid-vapor and liquid-vapor phase equilibria of silicates and the accompanying fractionations of major and minor elements. From the simulation and modeling results, we aim at providing vital constraints for the study of planetary accretion events related with silicate vapors, which would be helpful for our understanding of relevant disputed scientific problems such as condensation mechanism of solar nebula, giant impact in the early earth and the formation mechanism of the moon.

硅酸盐气体在行星形成与演化过程中发挥着重要作用，硅酸盐气化与凝聚过程的相平衡与化学分异是造成行星与地球早期物质成分与元素丰度变化的重要因素。目前人们对硅酸盐气体及其相平衡特性的认识还非常不足，高温下测定硅酸盐气液平衡性质的实验研究还很不完善，而借助热力学模型经验外推的可靠性与准确性没有保证。为此，本项目拟采用第一性原理模拟方法，结合计算几何学、统计力学以及热力学等方法，对硅酸盐气化与凝聚过程中的气固平衡、气液平衡以及各种主、微量元素在两相间的分配关系做系统研究，为研究涉及硅酸盐气体的行星演化过程提供关键性约束，从而促进我们对星云凝聚机理、地球早期大撞击、月球起源等重要科学问题的理解。

地球与行星早期剧烈的撞击事件伴随着硅酸盐矿物与熔体的大规模气化，高温的硅酸盐气体是撞击事件后元素分异的重要媒介，其产生与凝聚机制近年来在行星演化模型中日益受到重视。然而，目前人们对硅酸盐的高温相平衡知之甚少，对硅酸盐的气液平衡、临界点方面性质的认识尤其缺乏。.围绕硅酸盐气化与凝聚过程的相平衡与化学分异这一主题，本项目开展了大规模分子模拟研究和热力学计算，主要取得如下进展与成果：（1）我们建立了一套预测固-液-气相变的第一性原理模拟方法，提出和完善了修正密度泛函理论中系统偏差的半经验方法，通过与实验数据和观测的对比证明了该方法的有效性和准确性；（2）我们得到了MgSiO3、SiO2体系的气液平衡曲线，并估算出MgSiO3的临界温度约为7295 K、临界压力约为1753 bar、临界密度约为561.1 kg/m3，SiO2的临界温度在5500K左右，临界压力和临界密度接近于或者略大于MgSiO3的值；（3）MgSiO3、SiO2体系气液平衡时饱和气体的成分都是以SiO和O2为主，表明硅酸盐体系的气液平衡是高度不一致相变，物种变化与反应的复杂性进一步增加了第一性原理模拟的重要性和必要性；（4）我们还聚焦于撞击烟柱中高温矿物气体冷凝而成的气凝球粒，仔细分析了其中原生尖晶石相的化学成分特征，并以此为窗口推测了烟柱中的气体成分、氧逸度等，研究表明气凝球粒的形成需要有撞击烟柱中混杂的空气参与作用，并在一定程度上提供了地球早期大气中氧逸度变化以及撞击烟柱不均一性的记录，这为关于硅酸盐气体凝聚形成气凝球粒的机制提供了重要启示。.由于本项目得到的典型硅酸盐体系的临界点都远低于前人数值模拟采用的经验值，加上硅酸盐气体的成分也被证明比前人模型所假设的物种更复杂，表明地球与行星早期硅酸盐气体的密度、总量也许都要远大于前人数值模拟的估计，这些在很大程度上加强了硅酸盐气体所起的作用，本项目在硅酸盐高温相平衡方面所做的探索为将来进一步厘清这些作用提供了重要约束。