蒙脱石晶体结构构型及其XRD、IR的分子模拟

利用Cerius2软件分别构建了15种含有0～96个水分子的Li-、Na-、K-蒙脱石超晶格模型。分析了模型结构中的键长和键角,运用分子力场方法—UFF力场构型优化得到蒙脱石的最优构型及其总能量等参数,在此基础上计算了3种蒙脱石含有32、64和96个水分子时晶体结构的X射线衍射(XRD)和红外吸收光谱(IR)。结果表明,蒙脱石结构模型中键长和键角等参数说明其结构具有合理性;当蒙脱石的结构达到能量最小构型时,体系的总能量随着水含量的增加而降低;XRD的模拟结果和实验结果相一致;IR的模拟结果与实验结果有所偏离,可能是由选取的分子力场和分子位能模型所致。     

深层龙马溪组页岩气藏黏土矿物水岩作用微观机制

水岩作用对页岩气藏的地球化学特性和高效开采研究具有重要的意义。为研究我国西南龙马溪组深层页岩气藏水岩作用的微观机制,针对龙马溪组深层页岩组构特征,建立了深层页岩典型黏土矿物(镁蒙脱石、铁蒙脱石和伊利石)水岩作用的分子动力学模型,分析含水量、温度和矿物特征变化对晶胞层间距和水分子扩散系数的影响,通过实验验证水岩作用对典型矿物微观结构的影响程度。研究表明,随着层间水分子数量增加,蒙脱石和伊利石晶胞层间距增大;随着温度增加,蒙脱石和伊利石晶胞层间距变化不明显,层间水分子扩散系数增加;含水量和温度一定,蒙脱石晶胞层间距远大于伊利石,而伊利石的晶胞层间水分子扩散系数远大于蒙脱石,且镁蒙脱石大于铁蒙脱石晶胞层间距,而铁蒙脱石的水分子扩散系数大于镁蒙脱石。上述研究表明,水含量增加会加剧典型黏土矿物晶层破坏的程度,而温度升高会引起典型矿物晶层破坏速度的增快。与浅层页岩相比,温度升高可能导致深部页岩水岩作用更加剧烈。     

碱性溶液饱和高庙子钙基膨润土膨胀特性及预测

建设高放废物地质处置库需要大量混凝土,而放射性核素衰变释放的大量热量会加速水泥老化,产生的碱性孔隙水会对膨润土的缓冲性能产生不利影响。以高庙子(GMZ)钙基膨润土为试验材料,选用NaOH溶液模拟碱性孔隙水,利用自主研制的耐腐蚀固结仪,完成不同浓度和不同干密度下的膨胀力实验。结果表明,在相同浓度碱性溶液饱和后试样的最终膨胀力随初始干密度的增大而增大;初始干密度相同时,低浓度碱性溶液对膨润土膨胀力有强化作用,高浓度碱性溶液对膨润土膨胀力有弱化作用;在0.3、0.5、1.0 mol/L NaOH溶液环境下试样的膨胀力在达到最大值后会出现下降,膨胀力衰减的程度与溶液浓度有关而与干密度无关。通过X射线衍射试验(XRD)分析矿物成分和晶层间距得到,蒙脱石含量和方英石含量随碱溶液浓度升高而降低,长石含量随着碱溶液浓度升高而上升;NaOH溶液会使钙基膨润土钠化,钠化程度受溶液浓度影响。最后利用蒙脱石孔隙比的概念,对试样的蒙脱石孔隙比和最终膨胀力结果在双对数坐标系中线性拟合,给出预测碱性溶液饱和钙基膨润土膨胀力的表达式。     

溶液矿化度及加量对钠-蒙脱石晶间距的影响研究

自来水引起的钠-蒙脱石黏土矿物晶间距增量大于不同矿化度的KCl、NaCl、CaCl2溶液,在水中加入不同类型的盐有助于稳定钠-蒙脱石黏土矿物,抑制黏土矿物晶间距扩展。不同类型、不同矿化度盐溶液引起的钠-蒙脱石黏土矿物晶间距增量不同,比较KCl、NaCl、CaCl2 3种溶液,KCl溶液引起的晶间距变化量最小,在饱和KCl溶液作用下,钠-蒙脱石黏土的晶间距变化量仅1.32%。钠-蒙脱石与不同类型溶液接触,随溶液加量增加,晶间距增量逐渐减小并逐渐趋于稳定。钠-蒙脱石的水化膨胀量与溶液总加量无直接关系,当黏土矿物浸泡在水溶液中时,晶间距不会随着水的总量增加而无限扩展。钠-蒙脱石与加量相同的不同类型溶液接触时,晶间距随接触时间增加呈复杂指数函数变化,表现出在初期突变增大并很快趋于稳定的特点。     

邻菲罗啉对蒙脱石吸附性的影响

为了提高蒙脱石对大分子物质的吸附性,利用邻菲罗啉可与过渡金属离子形成配合物的性质,用两种方法对蒙脱石加以改性。通过测定改性蒙脱石对染料的脱色性及分析XRD图,研究邻菲罗啉的配合物的生成方式对蒙脱石层间结构及吸附性能的影响,并探讨了改性蒙脱石的热稳定性。结果表明,邻菲罗啉能够进一步撑开层间含有过渡金属离子的蒙脱石片层,使层间距明显增大到1.76nm以上;采用过渡金属离子为先驱体,先插入蒙脱石层间、再原位生成配合物的两步法能获得既增大层间距、又提高有序度的良好效果;改性蒙脱石在400℃以下具有很好的热稳定性。     

短小芽孢杆菌-蒙脱石相互作用实验研究

主要探讨短小芽孢杆菌与钙基蒙脱石相互作用过程中的现象及机理。SEM结果显示,大量土壤菌黏附、包裹于蒙脱石表面。加入蒙脱石后,短小芽孢杆菌-钙基蒙脱体系中有机酸含量明显降低。XRD结果表明,短小芽孢杆菌作用后蒙脱石层间距增大,001面衍射峰钝化。FTIR显示作用后蒙脱石出现了来自于土壤菌的新峰,其他基团峰出现蓝移或红移现象。经二阶导数红外光谱分析验证,蒙脱石中确实出现了来自于土壤菌的其他基团振动,揭示土壤菌代谢产物进入蒙脱石层间域内的初步可能性,这将为矿物-微生物相互作用间的机理研究提供新依据。     

土壤菌与蒙脱石相互作用特性研究

为了探讨土壤菌与蒙脱石相互作用体系的特性,本文选取了11株吸附Sr2+效果较好的土壤菌株与提纯好的蒙脱石进行相互作用。通过对土壤菌与蒙脱石相互作用1d后培养液的pH值、葡萄糖(GLU)、Ca2+、Mg2+、Na+等的变化测试,比较了土壤菌株与蒙脱石作用后的特性变化;利用XRD分析,对土壤菌作用后的蒙脱石层间距变化进行了初步研究。结果表明吸附Sr2+效果较好的菌株大多数消耗GLU,阴性菌占大多数;与蒙脱石作用1 d后,GLU消耗率提高。与蒙脱石作用后,溶液pH有所上升。离子溶出比例趋势:Ca2+>Mg2+>Na+。蒙脱石与土壤菌相互作用1d后,层间距都有所增大,层间距的扩增与GLU消耗呈现一定的关系。与革兰氏阴性菌相比较,革兰氏阳性菌与蒙脱石相互作用1d后,蒙脱石层间距的扩增较大。     

蒙脱石脱水作用与地面沉降关系的研究展望

粘土矿物在地面沉降中的作用、粘土矿物的脱水作用对地面沉降的影响等日益成为评价和防治地质、工程、水文、环境等问题的关键,也一直是相关领域的研究难题而逐渐引起高度重视。本文回顾了蒙脱石层间水性质、层间水化膨胀和脱水收缩的影响因素,提出蒙脱石层间的固溶体特征,在总结蒙脱石脱水作用与地面沉降关系研究成果的基础上,提出了用蒙脱石脱水作用研究地面沉降的思路。最后讨论了用蒙脱石的脱水作用研究地面滞后沉降及沉降趋势预测的可能性。     

蒸馏水中蒙脱石晶层间膨胀压力理论研究

蒙脱石颗粒周围的溶液浓度对其膨胀性有较大影响,传统的双电层模型可以对电解质环境下蒙脱石的膨胀特性做出较好的模拟,但并不适于蒸馏水的情况。针对膨润土在蒸馏水或纯水中已有的膨胀特性试验,本文在前人的研究基础上详细推导了蒸馏水中蒙脱石晶层间的膨胀压力模型,并给出一种简便算法。运用此算法可以避免非线性方程的求解,从而可以较方便的将膨胀力和晶层间距联系起来。     

蒙脱石晶体膨胀和收缩机理研究

研究了不同种类和浓度电解质溶液调制的Ca-蒙脱和Na-蒙脱石试样的（001）晶面间距与电解质种类和浓度的关系，进而阐述了蒙脱石品体胀、缩的渗透压作用机理。该机理较以往的理论更好地解释试验观察到的现象。     

基于结构面性状对岩体力学性质响应的模拟研究

为研究结构面性状对锦屏大奔流料场边坡岩体性质的影响,在对该边坡砂岩进行室内三轴压缩试验的基础上,开展含4组不同结构面性状岩体的力学模拟测试,最后对该边坡岩体的开挖进行数值模拟。试验结果表明,岩样破坏过程可以分为4个典型的阶段: 弹性变形阶段,屈服阶段,残余强度阶段及塑性流动阶段。随着围压的增大,岩石破坏所需偏应力逐渐增大,且岩石逐渐表现出延性特征。结构面性状模拟结果表明,含软弱充填结构面比不含者对岩体力学性质影响(弱化)大,有倾角结构面比无倾角结构面对岩体性质影响较大,大倾角结构面总体上比小倾角的影响大,软弱充填厚度对岩体内摩擦角影响较大。实例模拟结果表明,开挖卸荷使得边坡后缘岩体产生卸荷回弹变形,产生X向拉伸位移,煌斑岩脉的存在使得塑性区域沿此软弱带发展,开挖第8步时,塑性区贯通,边坡发生失稳。研究结果对陡高边坡岩体开挖的稳定性评价具有一定指导意义。     

Molecular models of a hydrated calcite mineral surface

Hydrated mineral surfaces play an important role in many processes in biological, geological, and industrial applications. An energy force field was developed for molecular mechanics and molecular dynamics simulations of hydrated carbonate minerals and was applied to investigate the behavior of water on the calcite surface. The force field is a significant development for large-scale molecular simulations of these systems, and provides good agreement with experimental and previous modeling results. Simulations indicate that water molecules are significantly ordered near the calcite surface. The predominant surface configuration (75-80%) results from coordination of a water molecule with a single calcium cation-carbonate anion pair, while the less common situation involves water coordination with two ion pairs. Surface restructuring and variation in coordination in the water layers results in distinct distances for water oxygens above the calcite surface—a two-component first monolayer (2.3 and 3.0 Å) and a secondary monolayer (5.0 Å). The different coordinations also alter lateral displacement, hydrogen bonding, and surface-normal orientation of the water molecules. The ordering of water molecules and the formation of a unique hydrogen bonding network at the calcite surface influence the physical properties of the interfacial water. Surface exchange of water molecules is observed by molecular dynamics simulation to occur at a rate of one exchange per 10 ps. Diffusion coefficients derived from mean square displacement analysis of atomic trajectories indicate a dependence of water transport based on the distance of the water molecules from the calcite surface.     

鄂尔多斯盆地合水地区长6致密砂岩储层现今地应力分布特征及其开发建议

致密油藏物性差,非均质性强,现今地应力分布特征影响着致密油藏钻井施工、井网部署、压裂改造和注水管理等方面。文章根据微地震监测法分析了鄂尔多斯盆地合水地区长6储层单井现今地应力的方向,利用水力压裂资料分析了研究区单井现今地应力大小。在单井现今应力分析的基础上,结合合水地区长6储层构造、沉积、岩相特点建立了三维非均质地质模型,通过室内三轴岩石力学试验与施工数据,得到不同岩相的岩石物理参数,由此建立三维力学模型。利用Ansys进行有限元数值模拟,得到了研究区长6储层三维现今地应力分布模型,模拟结果表明水平最大主应力范围为34~42 MPa;水平最小主应力范围为25~36 MPa;水平差应力范围为3~10 MPa,并将结果与实际测量的井点应力大小进行对比,误差小于10%,模拟结果可信。分析模拟结果可知研究区现今地应力的分布主要受到了岩石物理力学性质差异的影响,而构造格架的影响较小。在结果分析的基础上,建议研究区布井时,不仅考虑地应力的影响,还应将天然裂缝作为影响因素考虑,同时,为尽可能地降低开发成本,在差应力相等的区域,油气工业井一般部署在应力值低的地方。      

灌溉引起的黄土工程地质性质变化

引水灌溉改变了黄土的原生环境,使黄土在增湿乃至饱和的过程中,微结构、物理、力学及水理性质都不同程度地发生了变化,成为诱发黄土灾害的重要条件.以甘肃省黑方台灌区为研究区,开展从原位试验到室内测试、从传统土力学到非饱和土力学、从微观到宏观的多角度系统研究,揭示灌溉引起的黄土工程地质性质变化.研究结果表明,灌溉造成黄土原生结构破坏,孔隙总量和孔隙度普遍减小,造成天然含水量、天然密度、干密度等物理性质指标增高,天然孔隙比降低,黄土压缩性和湿陷性趋低,抗剪强度降幅尤为明显;从非饱和土力学角度看,灌溉使得黄土含水量增加,基质吸力降低,非饱和黄土强度参数也随之呈递减趋势;从黄土时效变形分析看,灌溉使得黄土更易发生蠕变变形和破坏.     

非均质储层三维构造应力场模拟方法

浊积砂低渗透储层为一种重要的储层类型,因其构造形态复杂、非均质性强等特点,极易导致其内部构造应力场异常分布;准确计算该类型储层的应力场分布、识别构造应力场异常区,对低渗透油藏的开发具有重要的指导意义。本次研究中,首先,在PETREL系统中依次建立浊积砂储层构造模型、浊积砂储层沉积微相模型和浊积砂储层层速度模型,并根据纵横波速度转换关系、纵横波速度与动态岩石力学参数转换关系、动静态岩石力学参数转换关系,由浊积砂储层层速度模型计算得到三维岩石力学参数模型;其次,将PETREL系统中的浊积砂储层构造模型转换为ANSYS系统中的浊积砂储层几何模型,解决浊积砂储层构造形态复杂的问题;然后,进行网格划分,并按照“距离扫描法”将三维岩石力学参数加载到浊积砂储层ANSYS有限元分析模型中,从而解决“非均质性强”的问题;最后,根据浊积砂储层区域构造背景及单井实测的地应力状态,设置初始边界条件和负载,进行计算。井点实测应力值和应力方向的检验表明,模拟结果准确可靠,能够体现出受浊积砂储层构造形态和储层非均质性影响而引起的局部构造应力场的异常。     

开采引起上覆公路地表沉降与变形的数值分析

由于开采的需要,某矿群已从露天转入地下开采,在其开采境界内上部有一条乡镇公路穿过,为最大限度地回收资源和保证上部公路的安全运行,通过岩体宏观结构调查分析、取样、室内岩石力学试验和工程类比,综合确定岩体力学参数;并采用三维有限元对三种不同的开采方案引起公路地表的沉降高度进行了卸荷模拟和数值计算,模拟计算结果表明：随着开采高度的增加,公路地表沉降高度呈非线性增加,开采高度越高,其地表沉降高度越大,开采高度采超过1 300水平时,上部围岩将处于不稳定状态,影响公路的安全运行。通过工业试验,开采高度定为1 300水平时,其沉降高度在15 cm以内,能够保证上覆公路的安全运行。     

冻融循环作用下含水率对粗颗粒填料水分迁移影响的宏细观试验研究北大核心CSCD

冻融循环作用和初始含水率是影响粗颗粒填料水分迁移特征和冻胀融沉变形的两个主要因素。为明确冻融循环作用下,不同初始含水率粗颗粒填料的水分迁移特征及细观机制,采用荧光素为追踪剂,以CT细观机理观测为研究手段,开展了不同初始含水率条件下粗颗粒填料的一系列冻融循环试验,探究了温度场和冻深变化、水分迁移图像、补水量变化、最终含水率分布及CT值变化规律等。试验结果表明,冻深基本随冻融循环的次数增加不断加深,初始含水率越大,不同冻融循环作用下冻深的变化越稳定。外界补水量和液态水迁移高度与初始含水率呈负相关。CT扫描结果分析表明,经历多次冻融循环后,试样中的水分迁移导致土体孔隙结构及颗粒构造发生变化,试样的密度普遍增加,孔隙率以减小为主,进而导致土体发生相应变形。     

玉龙雪山西麓冰碛(水)砾岩的工程地质特性研究

作为滇西北、川西和西藏地区最重要的第四纪堆积物类型之一,冰川堆积物的工程性质及其相关的地质灾害和工程问题研究日益受到工程界的关注。通过对上述地区大量冰碛物和冰水沉积物的现场调查发现,冰碛物和冰水沉积物是一类成分、结构和性质都十分复杂的第四纪堆积物,其工程性质主要与母岩成分和充填胶结物的矿物成分密切相关。发育在石灰岩地区的冰碛物和冰水沉积物因钙质（方解石）的次生胶结,而成为单轴抗压强度达10.94～14.22 MPa的岩石,作者称其为“冰碛（水）砾岩”。结合滇藏铁路滇西北段线路比选和优化工作,对云南玉龙雪山西麓第四纪冰川堆积物的类型和分布特征进行了详细的野外调查;在室内物理力学试验的基础上,着重研究了冰碛（水）砾岩的胶结物成分与胶结作用、水稳性、力学性质、声波速度等方面的特性,这不仅可以丰富现代岩石力学的研究内容,而且对本区铁路工程建设和水力资源的开发具有重要的实际价值。     

热水溶液地球化学

概述了热水溶液地球化学的主要研究内容和近年来在实验和理论研究方面的进展，包括高温高压下水的热力学性质、状态方程式、介电常数、电导率和电离平衡；ＮａＣｌ－ＣＯ２－Ｈ２Ｏ体系及其边界体系（ＮａＣｌ－Ｈ２Ｏ和ＣＯ２－Ｈ２Ｏ）的相关系、热力学性质和状态方程式，特别是利用人工流体包裹体技术和分子动力学模拟取得的新成果；高温高压电解质稀水溶液的电导测定；以ＨＫＦ模型为基础，热水溶液中不同物种的标准偏摩尔热力学性质和高温高压有关物理化学参数的估算；热水溶液中的物种形成（热液流体中的矿物溶解度测定、电势测量和谱学研究）；水和热水溶液结构的红外和拉曼谱学研究；水和热水溶液的传输性质（粘度和导热系数）。