矿物输运性质的计算模拟和实例研究

发布时间：2017-09-01 08:42

  本文关键词：矿物输运性质的计算模拟和实例研究

  更多相关文章： 热导率 扩散系数 氦同位素 地幔矿物 第一性原理计算 分子动力学 数值模拟

【摘要】：矿物内部的物质运移和能量传递规律研究是认识地球动力学演化的基础,因此,矿物输运性质的定量研究一直是固体地球科学的重要研究方向之一。矿物的输运性质主要包括表征能量传递的热导率和描述物质运移的扩散系数以及电子传输的电导率等,其中元素在矿物中的扩散行为是地球内部物质输运的重要途径之一,而热量在固体地球中的传导是能量输运的重要体现。这两种现象不仅在数学上有着极为相似的控制方程,而且在地球的演化过程中相互耦合,有着不可分割的联系。例如影响地球内部温度场的重要因素—矿物热导率受矿物组成成分的影响,而温度反之是决定物质的扩散快慢,从而成为制约地球内部化学元素分布、影响盆地热结构和成藏作用的重要因素。传统的实验方法在矿物输运性质研究中面临着诸多难题,最主要的障碍来自于需要在实验中实现深部地壳甚至地幔条件下的高温高压环境。另外,矿物样品制备也受诸多因素限制,如样品中杂质元素的含量和赋存形式、晶体缺陷、裂隙、包裹体等均对矿物的扩散系数和热导率有显著影响,进而所测参数的适用性受到限制。随着计算模拟技术的迅速发展和计算机计算能力的大幅提升,以及对固体输运属性理论和数学描述等方面的不断完善,基于统计热力学和计算化学的原子模拟技术在地球科学研究中起到了越来越重要的作用。特别是在高温高压领域,原子模拟由于其独特的优势已逐渐形成了与实验研究相互促进、相互验证的一种重要研究手段。本文采用第一性原理和分子动力学模拟计算了橄榄石、方镁石、钙钛矿和后钙钛矿等地幔矿物中He扩散系数以及石英、伊利石和高岭石等常见矿物的热导率；并利用宏观的数值模拟方法,对地幔中He扩散行为和含油气盆地中受岩浆侵入岩影响的地热场演化进行了数值模拟。主要研究内容和新认识包括如下四个方面：(1)利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,描述了上地幔矿物橄榄石中氦扩散系数的各向异性,并首次获得了上地幔温压条件下氦在镁橄榄石中的扩散系数,确定了氦在橄榄石中的封闭温度。本文的计算结果不仅与已有的实验结果十分一致,而且首次得到了氦在上地幔温压条件下在橄榄石晶格中扩散的定量数据。基于这一结果,进一步计算表明橄榄石中氦元素的封闭温度为143～244℃,说明橄榄石可以用来作为中低温环境的地质定年工具。综合考虑温度和压力的影响后,认为上地幔中的氦在100 Ma内可以扩散到最远数十到数百米的距离,据此可推测上地幔中氦异常区域的可能大小。(2)基于第一性原理计算,计算了25到140 GPa压力范围内下地幔矿物方镁石(MgO-periclase)、镁钙钛矿(MgSiO3-perovskite)和镁后钙钛矿(MgSiO3-post-perovskite)中氦的扩散系数,并探讨了下地幔中氦富集区域存在的可能性及其地质、地球物理意义。根据计算结果,估算了下地幔中3He富集区域的最小尺寸,并评估了下地幔中几种地震波异常区域作为3He储体的可能性。综合考虑氦在几种矿物中的扩散速率,在下地幔底部温压条件下氦的扩散系数最高可达到～10-8m2/s。进一步估算了不同尺寸的3He储集体在下地幔底部的演化过程,结果表明这些储集体的尺寸必须要达到50 km以上才可能在4.5 Ga的时间内保持足够高的3He浓度,从而影响地幔柱相关的洋岛玄武岩中的3He/4He比值。由于下地幔中的超低速区域(ULVZs)的厚度一般小于40 km,因此基于氦在下地幔矿物中的扩散速率,本文认为ULVZs的尺寸不足以保存足够多的3He。(3)基于分子动力学模拟计算,获得了石英、伊利石和高岭石的热导率数值,揭示了晶体结构与热导率各向异性之间的密切联系,查明了石英热导率的温度依赖性,并初步探讨了晶格空位对热传输能力的抑制作用。常温条件下,α石英c轴方向的热导率(13.8 W/mK)明显高于a、b轴方向(11.1 W/mK),而对于具有层状结构的粘土矿物,c轴方向热导率比a、b轴方向低一个数量级；α石英的热导率具有明显的温度依赖性,当温度从300K上升到800K时,沿c轴和a轴的热导率分别从13.8 W/mK和11.1 W/mK迅速降至6.0 W/mK和4.9 W/mK,但在发生相变转变为β石英后,反而因β石英特殊的热收缩性质而随温度上升而升高。此外,计算表明石英晶格中O原子空位对热导率有明显影响,即使小于0.1%的空位浓度都会使得热导率下降30%左右。(4)基于二维复杂热传导模型,以胜利油区沾化凹陷罗-151井区为例,利用有限差分法的数值模拟方法,计算模拟了辉绿岩岩席侵入烃源岩后的热传输过程,揭示了富有机质围岩的热演化历史和生烃效应,获得了和油气开发实践可对应的生烃成藏信息。该模型综合考虑了岩石热导率,孔隙水汽化等影响因素,计算结果表明：侵位深度为1700 m、厚度为100 m的辉绿岩席的冷却过程约持续0.1 My。围岩由近及远所经历的最高温度依次为10 m处为500℃,50 m处为250℃,100 m处为170℃。根据模拟结果估计的生烃量也与实际生产中的探明储量一致,这一结果也支持这一由侵入岩烘烤快速生烃,并储藏于火成岩裂缝和围岩变质成因孔隙中的成藏作用。
【关键词】：热导率 扩散系数 氦同位素 地幔矿物 第一性原理计算 分子动力学 数值模拟
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P57
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 矿物中元素氮的扩散及其意义12-15
• 1.1.1 氦扩散在热定年技术中的应用12-13
• 1.1.2 地幔矿物中氦扩散的研究现状13-15
• 1.2 矿物热导率及其研究意义15-18
• 1.3 研究内容和论文概要18-22
• 1.3.1 研究内容和研究思路18-19
• 1.3.2 研究方法和工作量19
• 1.3.3 论文内容概览19-21
• 1.3.4 主要创新点21-22
• 第二章 矿物传递作用的理论描述22-34
• 2.1 分子动力学方法22-26
• 2.1.1 分子动力学基本思想22-24
• 2.1.2 力场24
• 2.1.3 库仑力的wolf求和方法24-26
• 2.2 第一性原理计算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 密度泛函理论(DFT)28-29
• 2.3 过渡态理论29-30
• 2.4 过渡态及反应路径计算方法30-31
• 2.5 热传导/扩散方程的有限差分法求解31-34
• 第三章 橄榄石中氦扩散的第一性原理计算34-48
• 3.1 引言34-35
• 3.2 研究方法35-38
• 3.3 结果与讨论38-44
• 3.3.1 扩散路径及相应的活化能38-39
• 3.3.2 扩散速率39-40
• 3.3.3 与实验的对比40-42
• 3.3.4 压力效应42-44
• 3.4 地质意义44-46
• 3.5 小结46-48
• 第四章 下地幔矿物中氦扩散系数的计算48-65
• 4.1 引言48-49
• 4.2 计算方法49-50
• 4.3 氦在方镁石中的扩散50-51
• 4.4 氦在硅酸镁钙钛矿中的扩散51-54
• 4.5 氦在硅酸镁后钙钛矿中的扩散54-59
• 4.6 讨论59-64
• 4.6.1 氦在下地幔中的扩散59-60
• 4.6.2 地质意义60-64
• 4.7 小结64-65
• 第五章 矿物热导率的分子动力学模拟计算65-78
• 5.1 引言65-67
• 5.2 分子动力学模拟67-70
• 5.3 石英热导率的计算70-72
• 5.4 晶格空位对热导率的影响72-74
• 5.5 粘土矿物的热导率74-76
• 5.6 泥质岩石热导率的估算76
• 5.7 小结76-78
• 第六章 岩石热传输作用的数值模拟：以沾化凹陷为例78-97
• 6.1 引言78-79
• 6.2 地质背景79-82
• 6.3 二维Heat-Flow模型及模拟结果82-91
• 6.3.1 复杂热传导模型82-83
• 6.3.2 边界条件和参数设定83-85
• 6.3.3 模拟结果85-89
• 6.3.4 模拟结果验证89-91
• 6.4 生烃动力学模拟91-94
• 6.4.1 模型及参数91-92
• 6.4.2 模拟结果92-94
• 6.5 讨论94-96
• 6.5.1 生烃量94-95
• 6.5.2 边界条件的选择95-96
• 6.6 小结96-97
• 结论和下一步工作展望97-100
• 参考文献100-114
• 致谢114-115
• 攻读博士学位期间论文发表情况115-116

【参考文献】

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本文编号：771084