Predictive calculation of the equilibrium isotopic fractionation factor between minerals within the framework of the density functional theory
Calcul prédictif du facteur de partage isotopique entre minéraux dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité
Résumé
In this work, we applied electronic structure calculations based on density functional theory to compute oxygen, hydrogen and silicon fractionation properties between several materials of interest in Earth Sciences. Understanding of such mechanisms is a main objective in geochemistry, since the isotopic content of minerals is a witness of geochemical events. Electronic structure calculations enables the determination of the complete vibrational properties of one material at the harmonic level, from which its fractionation properties can be deduced. Our goal is to validate an ab initio approach, i.e. free from any parameter coming from experiment, enaling the prediction of the fractionation between two minerals. We studied the materials: quartz, gas water, ice, kaolinite, lizardite, enstatite, forsterite, brucite and gibbsite. Some of them have been the subject of precise experimental studies of their various physical properties, which permits us to validate our approach, and all are of main interest in Earth Sciences, which permits us to propose new fractionation laws as a function of temperature, and to check the validity of laws existing in the litterature. This is the first time that such a systematic study, based on ab initio approaches, is realized on so many different systems. That is why we realized the possibly most complete study of the possible sources of error in our calculation. Moreover, this approach enables detailed analysis of the physical processes driving isotopic fractionation.
Dans ce travail, nous avons appliqué les méthodes de calcul électronique basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité pour calculer les propriétés de partage isotopique à l'équilibre de l'hydrogène, de l'oxygène et du silicium entre divers matériaux d'intérêt en sciences de la Terre. La compréhension de ces mécanismes de partage est un enjeu majeur en géochimie, car le contenu isotopique des minéraux constitue un témoin des événements géochimiques. Le calcul électronique permet de déterminer les propriétés vibrationnelles complètes d'un matériau au niveau harmonique,
desquelles on déduit ses propriétés de partage. Notre but est de valider une approche ab initio, i.e. libre de tout paramètre issu de l'expérience, permettant la prédiction du partage entre deux matériaux. On s'est intéressé aux matériaux: quartz, vapeur d'eau, glace, kaolinite, lizardite, enstatite, forstérite, brucite et gibbsite. Certains ont fait l'objet d'études expérimentales précises de leurs différentes propriétés physiques, ce qui nous permet de valider notre approche, et tous sont de grand intérêt en sciences de la Terre, ce qui nous permet de proposer de nouvelles lois de partage en fonction de la température, et de vérifier la validité de celles déjà proposées. C'est la première fois qu'une telle étude systématique est réalisée à partir d'une approche ab initio, et sur autant de systèmes différents. On a donc procédé à une étude la plus complète possible des sources d'erreur susceptibles d'influencer le résultat final. Par ailleurs, cette approche nous permet d'analyser de façon plus détaillée les processus physiques à l'origine du partage isotopique dans ces différents matériaux.
desquelles on déduit ses propriétés de partage. Notre but est de valider une approche ab initio, i.e. libre de tout paramètre issu de l'expérience, permettant la prédiction du partage entre deux matériaux. On s'est intéressé aux matériaux: quartz, vapeur d'eau, glace, kaolinite, lizardite, enstatite, forstérite, brucite et gibbsite. Certains ont fait l'objet d'études expérimentales précises de leurs différentes propriétés physiques, ce qui nous permet de valider notre approche, et tous sont de grand intérêt en sciences de la Terre, ce qui nous permet de proposer de nouvelles lois de partage en fonction de la température, et de vérifier la validité de celles déjà proposées. C'est la première fois qu'une telle étude systématique est réalisée à partir d'une approche ab initio, et sur autant de systèmes différents. On a donc procédé à une étude la plus complète possible des sources d'erreur susceptibles d'influencer le résultat final. Par ailleurs, cette approche nous permet d'analyser de façon plus détaillée les processus physiques à l'origine du partage isotopique dans ces différents matériaux.
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