新时代花岗岩的新理论：花岗岩四阶段理论探讨

花岗岩的成因既是古老的问题,也是当前急迫的科学前沿。100年前花岗岩的火成论与变成论之争,以火成论压倒变成论而收兵。近百年的研究证明,火成论并非完美,关键是玄武岩浆分离结晶成花岗岩的机理受到严峻的挑战。而今,花岗岩源自下地壳变质出熔已经成为不争的事实,说明花岗岩的源头是变质岩。关于花岗岩成因的理论很多,经过多年的筛选,可能花岗岩形成的四阶段理论(从产生、分凝、上升到侵位)是比较合适的。在对该理论详细研究的基础上,本文提出了一个新的花岗岩四阶段理论：从产生、形成、上升到侵位。这是对花岗岩形成过程的描述。如果强调花岗岩形成的机理,则可表述为从出熔、聚集、上升到侵位。四个阶段分为两段：产生和形成(出熔和聚集)是升温过程;上升和侵位是降温过程。该理论的核心是本文提出的“下地壳岩浆房”的猜想,这指的是由部分熔融产生的熔体经聚集形成的巨大空间。首先,这个猜想解决了下地壳岩浆的空间占位问题。由于下地壳原地部分熔融熔出的产物(熔体+残留体)仅仅是物质组成形式发生了变化,不存在空间占位问题,下地壳总体积基本不变。只要存在持续的地幔加热过程,岩浆房体积可以逐渐增大一直到变得非常大。其次,关于花岗岩上升的驱...     

Partial Hessian Vibrational Analysis(PHVA)的原理、方法及在地质学中的应用

PHVA在简化模型大小,提高计算效率在计算科学有重要的地位.应用PHVA方法可以求分子簇模型兴趣区的简谐频率,可以用来研究超大分子或矿物的局部振动性质,可用于化学反应动力学及同位素分馏系数计算等.     

同位素分馏系数中的极大值和极小值

在理论和实验研究中,发现了大量分馏系数随温度的改变出现极大值和极小值的现象。一般认为,稳定同位素的分馏系数随着温度升高呈单调递减趋势,即α和温度T一一对应。但早期理论研究显示,分馏系数同温度的关系呈多样性。比如,Stern和Spindel在理论研究同位素效应的温度影响时指出,cis-HON18 O-N18 OBr体     

同位素温度计中极大值、极小值的意义

同位素地质温度计是应用同位素分馏系数和温度的对应关系研究和恢复古温度的一种有效方法.一般情况下,同位素分馏系数值和温度是一一对应的,但是偶尔也出现同一分馏系数值和多个温度对应的现象,存在极大值和极小值.     

"后Urey模型时代"的稳定同位素地球化学基础理论

简要综述了最近十几争来稳定同位素地球化学基础理论发展的几个热点,包括能处理重元素的同位素分馏的核场效应理论、基于晶格动力学及声子的密度函数微扰理论计算的固体同位素分馏理论、稳定同位素的微观反应动力学理论,以及含压力变量的同位素分馏理论。这些新理论,表明长期基于Urey模型或称Bigeleisen-Mayer公式的稳定同位素地球化学的时代已经结束,更精确、更丰富的理论体系正在逐步建立之中。     

一种重要的固体稳定同位素平衡分馏计算方法——Partial Hessian Vibrational Analysis (PHVA)方法

Partial Hessian Vibrational Analysis(PHVA),中文翻译为"部分力常数矩阵振动分析(方)法"。本文综述了PHVA的思想、原理、数学表达、研究历史、实现及其在同位素分馏计算中的前沿研究成果及存在的争议。     

用分子簇模型计算矿物的稳定同位素分馏的一个问题

簇合物模型(Cluster Model)已经被广泛地用来模拟矿物的局域结构和物理化学性质.但是,在计算矿物稳定同位素平衡分馏时,是否忽略平动和转动能还存在分歧.本文通过理论推导和对实际体系的计算研究了这一问题,详细评估了平动和转动能在配分函数之比中的贡献,给出了可以忽略的条件,说明在一般情况下,应用分子簇方法研究矿物的同位素分馏时,不应该忽略平动和转动能的贡献.     

稳定同位素分馏计算的一个普遍错误

Urey模型(或称Bigeleisen-Mayer公式)是稳定同位素分馏计算的理论基石,它需要使用不同同位素替代后的分子的振动频率来计算两个分子之间的同位素交换反应平衡常数.由于在Urey模型推导过程中使用了简谐振动和刚性转子近似,并利用了同样需要在简谐近似下才成立的Teller-Redlich乘积定则,导致当使用Urey模型时,应该只能使用简谐振动频率.但是,从应用Urey模型进行分馏大小计算的几十年以来,无论Urey或Bigeleisen本人,还是此后众多的研究者都忽略了这个要求.他们要么直接使用光谱数据(真实频率),也就是包含非谐(anharmonicity)贡献后的振动频率,要么使用量子化学方法计算出的简谐振动频率,用校正因子(scaling factor)向真实频率校正.这些做法,不仅不能提高Urey模型的计算精度,反而是造成误差的最主要的原因之一,这是一个历史性的错误.本文通过对Urey模型推导的某些关键步骤的解释,以及对比使用简谐振动频率和含非简谐校正频率的分馏计算结果之间的差别,说明了在Urey模型中必须使用简谐频率的重要性,尤其在量子化学计算已经广泛应用于同位素分馏计算的今天,纠正这种错误,会提高日益增多的这一类计算的精度.     

量子科学与大数据科学：推动地质学跨越式发展的两大利器

在理科数、理、化、生、地5大基础学科中,量子物理学、量子数学(量子计算、量子天文)、量子化学已经成为当代科学快速发展的引擎。令人称奇的是,最近,量子生物学也异军突起,在量子应用方面取得了飞速的进步。相比之下,量子地球科学落伍了。如何解决地质落后的问题,笔者认为,在地球科学研究中,量子科学和大数据科学可能是应当引起人们重视的两个领域。可是,针对量子与地质能否结合,量子科学能否引入地质学等问题,学术界有不同的见解。本文介绍了量子科技的发展、应用与展望,探讨在中国发展量子地球科学的紧迫性和可能性,建议近期应当关注量子地球科学研究领域。大数据研究在地球科学领域正蓬勃发展着,本文讨论了以下若干问题：大数据与范式革命、大数据思维、大数据与人工智能、大数据与实用主义,以及地质大数据前瞻与挑战等问题。本文认为,量子地球科学研究应当未雨绸缪,地质大数据研究应当大力加强。     

"水-水蒸气"分馏机理的理论解释

1 研究背景 水-水蒸气中水分子的氢氧同位素,是地质学中传统同位素,其研究历史很久.但不同温度下,水和水蒸气的氢氧同位素分馏的具体机制还不是很清楚,有必要重新研究.该分馏机制,是许多重要地学应用方面的基础,比如应用氧同位素温度计来研究北极冰芯,从而重建几十万年以来的气候变化;利用氢氧同位素特征来区别地质体中的流体来源.