地质流体中络合物同位素平衡分馏系数的第一性原理计算

地质流体中不同络合物之间的稳定同位素平衡分馏系数是利用稳定同位素示踪地质流体演化过程的必要前提。但由于受实验条件的限制,流体中部分元素不同络合物之间的同位素分馏系数难以通过实验精确测定。基于第一性原理的理论计算是获得溶液中不同络合物之间稳定同位素平衡分馏系数的一种重要手段,能够获取各种极端条件下同位素分馏系数。在应用第一性原理计算溶液中不同络合物间同位素平衡分馏系数时,需要对溶液的动态特性和水分子之间的相互作用进行模拟。目前,显式溶剂模型和隐式溶剂模型是模拟地质流体中水溶液环境的2种主要模型,均已成功应用于同位素分馏系数的计算。文章系统介绍了这2种模型的计算方法,并且对比研究了这2种模型计算约化配分函数比(β)的优势及不足,结果显示,2种模型的主要差异表现在3个方面:(1)计算耗时的不同,隐式溶剂模型计算的原子数目少,结构单一,因此耗时少;显式溶剂模型计算的原子数目多,结构复杂多样,因此在同一计算和理论水平条件下,耗时比隐式溶剂模型多;(2)水分子数和构型的不同,隐式溶剂模型只有一个构型,因而不能评估络合物构型对β值的影响;而显式溶剂模型能够通过添加不同数量的水分子及建立不同的初始构型有效评估水分子数量及构型对计算结果的影响;(3)隐式溶剂模型将溶质周围的水环境定义为具有均匀介电常数的连续介质,没有充分考虑水的动态特性和水分子之间的相互作用,导致计算结果误差较大;而显式溶剂模型能更好的处理水分子的动态特征及分子间形成的氢键,计算结果更为准确。通过2种模型的对比研究表明,显式溶剂模型能够更好的模拟水分子和溶质间的相互作用,计算获得的各络合物之间的同位素平衡分馏系数更为准确。本研究结果可以为今后开展相关同位素分馏计算时选择何种模型提供重要依据。