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CALYPSO晶体结构预测方法为揭开著名“硫过量”谜团提供新思路

时间:2022-05-26        点击:

研究发现火山喷发释放的硫(主要以SO2的形式)比火山熔体中所能容纳硫的含量高出几个数量级,这就是著名的火山喷发“硫过量”谜团。探索硫-氧在地球内部温压条件下的存在形式对理解“过量硫”的来源具有重要意义。

吉林大学物理学院马琰铭教授研究团队与北京高压科学研究中心毛河光院士合作, 采用研究团队自主研发的CALYPSO晶体结构预测方法,对硫-氧化合物高压结构开展了系统研究,预言了一种包含S(+II)和S(+IV)混合价态的新型硫氧化合物—S3O4。计算发现,在深地幔压力条件下,该化合物可通过含硫矿物的氧化还原反应获得,而在地球浅层的温压条件下,该化合物会发生分解,产生SO2和S。研究工作为破解火山喷发过程中的“硫过量”谜团和理解地球内部的硫循环提供新思路。


图1 (a)S3O4晶体结构,S1和S2分别表示二价和四价硫;(b)S3O4相对于SO2和S的稳定性

进一步计算发现,在深地幔高压条件下,部分含硫矿物(如硫酸盐和硫化物)可以发生氧化还原反应生成S3O4,据此提出了硫在地球内部可能的循环过程(图2):① 含硫化合物(如硫酸盐和硫化物)通过板块俯冲,被输送到深地幔;② 含硫化合物与铁或针铁矿发生氧化还原反应生成S3O4;③ S3O4通过地质活动(如地幔柱等)输运到地球浅层,发生分解生成S和SO2。


2 地球内部硫循环过程示意图

该论文的第一作者为吉林大学物理学院2019级博士研究生刘思瑜和高朋越博士。吉林大学物理学院超硬材料国家重点实验室和计算方法与软件国际中心吕健、王彦超教授和北京高压科学研究中心毛河光院士为本文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、吉林大学科学技术创新研究团队和交叉学科创新平台的资助。

谨以此文献给吉林大学物理学科七十华诞!

论文全文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927322000056


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