玄武岩熔体中温度无关的多组分扩散特征矩阵与扩散计算器开发

为解决玄武岩熔体中多组分扩散矩阵的温度依赖性问题，研究人员通过26组扩散偶实验和新型特征矩阵拟合方法，验证了特征向量矩阵的温度无关性，并开发了开源扩散计算器。该研究揭示了特征组分扩散系数的组分依赖性，为岩浆混合和矿物溶解过程的精确模拟提供了关键参数，对理解地球内部物质迁移机制具有重要意义。

　　

在岩浆演化和矿物溶解过程中，多组分扩散是控制元素迁移的关键机制。然而，传统有效二元扩散模型（EBD）无法解释非单调浓度剖面，而多组分扩散矩阵的测定又面临温度依赖性不确定的难题。玄武岩作为地球内部最常见的熔体类型，其8组分（SiO₂-TiO₂-Al₂O₃-FeO-MgO-CaO-Na₂O-K₂O）扩散矩阵的特征向量是否随温度变化，直接影响岩浆混合和矿床形成等地质过程的模拟精度。

为解决这一科学问题，Bobo Bai和Youxue Zhang团队在《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表的研究中，整合了26组扩散偶实验数据（包括1260°C、1350°C和1500°C三个温度点），采用BFGS优化算法对49维特征向量矩阵和21个特征值进行全局拟合。关键技术包括：1）基于质量守恒的扩散矩阵对角化方法；2）特征组分（eigen-component）的数学定义与物理意义解析；3）Arrhenius关系拟合特征值温度依赖性；4）界面位置校正算法处理淬火裂纹干扰。

研究结果部分：

1. 1.

   特征向量矩阵的温度无关性验证：单一特征向量矩阵[Q₁]拟合所有温度数据的平均χ²_ν=1.20，与分温度拟合结果（χ²_ν=1.15）相当，证实特征向量在1260-1500°C范围内保持稳定。

2. 2.

   特征值温度依赖性：7个特征值（λ₁-λ₇）均符合Arrhenius关系，活化能介于100-210 kJ/mol，其中λ₆（K₂O相关）和λ₄（FeO-CaO交换）显示显著组分依赖性。

3. 3.

   特征组分物理意义：通过[Q₁]矩阵解析出7个独立扩散组分，如e₁（0.98Al₂O₃+0.12CaO交换）、e₆（0.69CaO+0.33K₂O交换）等，揭示了熔体中的元素耦合机制。

讨论部分强调，该研究首次在8组分玄武岩体系中证实特征向量矩阵的温度无关性，并开发了开源计算器（含密度校正功能），使扩散矩阵的预测效率提升3倍。特征组分分析方法可诊断扩散系数的组分依赖性，如BS13&14C实验中λ₆随Z₆增加2.7倍。这一突破为岩浆房混合模拟、矿床成因解释提供了定量工具，但需注意该矩阵目前仅适用于特定基性熔体组成范围。未来可通过扩大组分范围和高压实验进一步验证其普适性。