Simulación atomística para la incorporación de gases nobles en Bridgmanita (𝑴�𝒈�𝑺�𝒊�𝑶�𝟑� Perovskita)

Abstract

Los gases nobles, por su baja abundancia, diversidad isotópica y comportamiento inerte, son utilizados como trazadores geoquímicos para detectar heterogeneidades en la Tierra. Con el fin de comprender su comportamiento en las fases minerales del manto, es importante estimar su solubilidad desde la incorporación como un primer vistazo. En el Manto Inferior (LM), se ha estudiado experimentalmente la solubilidad en el mineral más abundante y que ejerce mayor control sobre sus propiedades: la bridgmanita (Bm). Sin embargo, no se ha investigado computacionalmente la energética de la incorporación de estos gases ni su concentración en este mineral. En este trabajo se realizó una simulación atomística basada en los primeros principios de la mecánica cuántica en el marco de la teoría del funcional de la densidad utilizando Quantum ESPRESSO, para investigar la incorporación de gases nobles, especialmente He y sus concentraciones máximas en los defectos intrínsecos de la Bm a 0 GPa y entre 1250-4000 K. Los resultados del ajuste del volumen y la energía total a una ecuación de estado indican que la Bm es estable en el LM, con un volumen de equilibrio de 164.34 ų y un módulo de compresibilidad de 250.6 GPa. El estudio de la energética desde la entalpía de reacción muestra que es más favorable formar defectos intrínsecos de Mg y pares iónicos de MgO, siendo esta última con una concentración creciente con la temperatura, sugiriendo una alta polimerización de fórmulas unidad MgSiO3. Estos sitios actúan como trampas físicas que incorporan el He favorablemente, con solubilidades máximas reportadas de 0.63267 en fracción en peso a 0 GPa y 4000 K, siendo 100 veces mayor que las reportadas experimentalmente a las condiciones del LM. Se confirmó la hipótesis planteada de que la incorporación del He en las vacancias depende en gran medida del radio atómico del gas, los huecos disponibles y la composición de la Bm. Este estudio preliminar sienta las bases para extenderlo a condiciones propias del LM (> 25 GPa) para comprender mejor el comportamiento de los gases nobles en el interior terrestre.