石榴石中氢扩散：从原子尺度模拟获取的洞见

石榴石广泛用于探讀岩石的压力-温度-时间历史，但其物理属性（如弹性和扩散）受微量氢的影响显著。目前仅限于室压条件下对石榴石 H 扩散的实验测量。我们利用原子尺度模拟研究石榴石中 H 的扩散，聚焦于 Si 与 Mg 位置的质子化缺陷，这些缺陷被证明为能量最优的构型。由于 H 的瞬时被捕，H 扩散的 ab initio 模拟计算困难。我们通过训练深层神经网络编码相互作用势能，克服了这一挑战。我们的结果表明，无缺陷石榴石晶格中氢的迁移性很高，而在有缺陷晶格中 H 的扩散性显著降低。仅关注 H 的轨迹模拟凸显了更重原子（如 Mg）振动在 H 解捕过程中的关键作用。我们识别出两种 H 扩散机制：在高氢含量下因空位被氢饱和而呈现受扩散子支配、活动能低的 regime；在低氢含量下因 H 原子被捕于空位位点而呈现受空位支配、活动能高的 regime。这些 regime 解释了 H 浓度相关的扩散性以及脱质子化与 D-H 交换实验中活动能差异的现象。这项研究阐明了空位在 H 扩散中的关键作用，展示了机器学习相互作用势能在研究地球内部动力学过程中的实用性。