利用量子力学揭示镁碳酸盐矿物（如MgCO3）同位素分馏行为及其对火星环境和天体演化的指示意义

本文通过密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟，系统研究了无水/含水镁碳酸盐矿物（如菱镁矿、水菱镁矿等）与流体相间的C、O、Mg同位素平衡分馏因子，填补了低温实验数据的空白。研究为解读火星碳酸盐形成机制、天体母体水岩作用及古环境重建提供了关键同位素地球化学依据。

　　

亮点 (Highlights)

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  （1）我们采用量子力学方法（DFT）模拟了一系列镁碳酸盐矿物（包括AMC、五水碳镁石、三水碳镁石、水菱镁矿和菱镁矿）的结构与振动特性。结果表明，在273 K平衡条件下，所有碳酸盐矿物均优先富集¹³C（相较于CO₂(g)分馏约11.6–16.4‰）和¹⁸O（相较于水分馏约37.2–43.7‰）。此外，含水镁碳酸盐结构中的水分子也显示出显著的氢同位素分馏效应。

总结与结论 (Summary and Conclusions)

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  本研究通过第一性原理计算，量化了镁碳酸盐矿物—流体体系的同位素分馏行为，为理解低温行星过程（如火星碳酸盐形成、碳质球粒陨石蚀变）提供了理论框架。计算结果与合成AMC样品的实验数据吻合良好，证实了方法的可靠性。应用这些分馏因子，我们预测了火星探测中菱镁矿的²⁶Mg/²⁴Mg比值，有望约束其形成温度与流体来源。

影响分馏因子计算的因素 (Factors impacting calculation of RPFRs)

计算中最主要的误差来源是振动频率缩放因子的选择，这源于计算方法本身的局限性（例如所用的DFT泛函、截断能设置等）。Schauble & Young (2021)的讨论指出，可采用统一或矿物特定的缩放因子。然而，对不同物种使用不同的缩放因子也可能在预测的约化配分函数比（RPFRs）中引入潜在的非系统性误差。