地幔矿物岩石中扩散系数的热动力学计算及应用研究

Quantitative determination of elemental diffusion coefficients of minerals and rocks plays a key role in studying many geodynamical processes in the Earth's interior and the evolution of Earth. On the basis of a thermodynamic model (termed the cBΩ model), in this project we will try to calculate the diffusion coefficients of major elements (Si、O、Mg、Fe) and some trace elements (Pb、REE、Sr、Ar, etc.) by employing the elastic properties and equation of state of mantle minerals and rocks. Furthermore, we will systematically establish a new method for predicting different kinds of diffusion coefficients, and investigate the regular patterns of diffusion coefficients and activation parameters as a function of temperature, pressure and composition. After this project being finished, our results can not only make a great contribution to diffusion database and provide additional direction for experimental research in the future , but also can provide some significantly scientific evidences and methods for further geophysical and geochemical applications.

矿物岩石中元素扩散系数的定量确定对研究地球内部的各种动力学过程和地球演化具有重要的意义。本课题基于热动力学理论模型（cBΩ模型），利用矿物岩石的弹性数据和状态方程来计算地球上的主要元素（Si、O、Mg、Fe）和一些微量元素（Pb、REE、Sr、Ar等）在地幔矿物岩石中的扩散系数。在此基础上，系统建立计算不同类型扩散系数的新方法，研究扩散系数以及与扩散有关的活化参数随着温度、压力、成分等因素的变化规律。该研究成果不仅能够极大地丰富元素的扩散数据，对将来的实验设计起到指导作用，而且还能够为进一步的地球物理和地球化学应用提供重要的研究手段和科学依据。

本研究基于热力学理论和cBΩ理论模型，系统建立了不同类型扩散系数（自扩散、互扩散、杂质扩散等）的理论计算方法。利用矿物岩石已知的弹性参数，定量研究了各种因素（温度、压力、成分、水含量、各向异性等）对地幔矿物岩石中主要元素（Si、O、Mg、Fe）和一些微量元素（H、C、Pb、REE、Sr、Ar、K、Na、Cl等）扩散系数的影响及其变化规律，我们的理论计算结果与实验测量完全一致。本研究还对一些重要的扩散参数（活化焓、活化熵、活化体积）做了准确预测，并将得到的扩散系数进一步应用到地幔电导率和流变性等重要地学问题。本项目已经发表学术论文9篇，其中国际SCI论文8篇，国内核心期刊1篇，已投稿在审论文2篇，待撰写论文2-4篇，已发表论文他引30余次。