结构矿物学的新成果

近年来,结构矿物学有了很大发展,其原因有如下几个方面:1．各种衍射方法(X射线衍射,中子衍射、电子衍射)日趋完善,特别是四圆衍射仪(包括X射线四圆衍射仪和中子衍射四圆衍射仪)的日益普及,结构分析的解析程序日臻完备,大大提高了矿物结构分析的精度和速度;2．各种谱学研究方法(气外光谱、穆斯堡尔谱、顺磁共振、核磁共振等)用于矿物结构的研究;3．高分辨率电镜的应用。总之,结构分析手段的提高促进了结构矿物学     

中阶构造煤等温吸附/解吸特征及机理

选择四个不同变形程度的中阶煤样品作为研究对象,通过开展煤样的等温CH4吸附/解吸实验、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)测试分析,研究了构造煤等温吸附/解吸性随煤变形程度的演化特征及其地球化学机理.结果表明,构造煤等温CH4吸附和解吸曲线随压力升高均呈现先快速增大后逐渐稳定的变化趋势,符合I型等温线...     

高压条件下页岩对CH_4、CO_2气体吸附特征及其在二元混合气体中应用:以四川盆地焦石坝地区龙马溪组页岩为例

为了解高压条件下页岩对甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)及二元混合气体吸附行为,以四川盆地焦石坝地区下志留统龙马溪组页岩样品为研究对象,通过重量法等温吸附实验,研究了不同温度压力条件下CH4、CO2在页岩中的吸附行为。实验表明,在0.01～50 MPa, 40～100℃条件下,页岩对CH4、CO2过剩吸附量随压力增大而增加,直至达到最大值,然后随压力增大而减小;绝对吸附量随压力增大而增加,在40～43MPa之后,吸附量趋于稳定。在高压条件下,页岩对CO2吸附量大于CH4,约为其5倍。利用CH4、CO2单一气体Langmuir吸附量和Langmuir压力,通过扩展的(Extended) Langmuir模型进行拟合,对不同比例CH4/CO2二元混合气体吸附量进行模拟预测,研究表明,二元气体总吸附量随混合气中CO2比例增大而增加。在高压条件下, Langmuir过剩吸附模型能较好地拟合CH4、CO2在页岩中的吸附,扩展的Langmuir过剩吸附模型也能较好地拟合二元混合气体在页岩中的吸附。     

超临界态甲烷密度研究

超临界甲烷密度不仅是非常规天然气资源量计算与吸附能力测定的重要参数,同时也是衡量超临界甲烷扩散效率与溶解有机物能力的主要指标。通过对比分析各种气体状态方程的适用性,认为基于亥姆霍兹能量基本状态方程可以准确计算0~30 MPa、270~360 K条件下甲烷的密度。利用Microsoft Office Excel编写了甲烷密度的计算程序,与NIST （美国国家标准与技术研究院）商业软件计算结果相比,误差小于0.05%。分析了0~100 MPa、270~360 K范围内甲烷密度的变化规律。结果表明,甲烷密度随压力增大而增大,在低于30 MPa时增速较大且对温度的敏感性较强,高于30 MPa时增速逐渐变缓,且敏感性减弱。在煤层原位条件下随着埋深的增大,甲烷密度随温度升高而减小,随压力增大而增大;在温度与压力共同作用下,甲烷密度呈先增速不变、近似线性增加,后增速逐渐减小、凸曲线形增加的变化规律。游离态甲烷密度受温度的影响比吸附态甲烷小,是深部煤层气资源增量的主要贡献者。研究结果为深部煤层气赋存及其潜力预测提供了基础参数。      

钙长石成分熔体粘滞度和自扩散系数压力效应的分子动力学研究

用分子动力学方法,研究了1999 K下,压力由23 MPa上升到15183 MPa的过程中,CaAl_2Si_2O_8成分熔体的微观结构、剪切粘滞度和粒子自扩散系数的压力效应。在此基础上,探讨压力对剪切粘滞度与粒子自扩散系数之间关系的影响,并将它同微观结构的变化联系起来。结果表明,粒子自扩散系数的压力效应与熔体结构有很强的相关性;压力的挤压效应阻碍了粒子的扩散,而Si-O和Al-O 5次配位体的形成又加速了扩散过程,两种相反的作用相互抵消,造成的结果是在0～5 GPa范围内,Si~(4 ),O~(2-)和Al~(3 )等网架形成粒子的自扩散系数随压力变化不明显;当压力继续增大时,挤压效应占了主导,导致自扩散系数值快速减小。Ca~(2 )作为网架修饰粒子,自扩散系数随压力升高单调下降。压力小于5 GPa时,粒子自扩散系数的大小关系是:D_(Ca)>D_(Al)>D_O>D_(Si)。系统粘滞度随压力的变化与熔体中BO的含量密切相关:BO含量小于域值时,一定范围内BO含量的变化不会对粘滞度产生很大的影响,超过域值,BO含量的微小增加会导致粘滞度值迅速增大。有效应用Eyring方程的关键是方程中粒子跳跃距离的确定,本研究发现,Si~(4 )和O~(2-)的跳跃距离可以通过系统中非桥氧的百分含量来获得。这一发现使得我们能够利用系统中NBO的含量,结合Eyring方程有效进行不同压     

方解石,白云石,菱铁矿分别与含CO2水溶液反应平衡时的温度和压力

本文运用热力学原理确立了方解石、白云石、菱铁矿分别与含CO_2水溶液反应平衡时的温度和压力函数关系式。它们反应平衡所需要的最高临界温度分别为266K,264K和261K,最低临界压力分别为86.5MPa,106.8MPa和133.7MFa;在含CO_2水溶液中的溶解度均随压力增大、温度降低而增加;其生成则随压力减小和温度升高而变易。当温度、压力和水中含CO_2的量相同时,它们的溶解度大小顺序是方解石>白云石>菱铁矿。     

4．0％NaCl水溶液临界区域内白钨矿溶解度实验测定

溶解度的临界异常现象是超临界流体萃取技术的理论基础,目前在食品、化工等领域已得到广泛应用,但在地质领域的应用相对较少。在地质流体临界区域内金属矿物溶解度的变化行为尚需实验查明。本文在34MPa 恒压、250℃～470℃条件下和420℃恒温、压力为20～50MP 条件下分别在快速淬火高压釜中实验测定了化学试剂白钨矿在4.0%NaCl 水溶液中的溶解度。4.0%NaCl 水溶液的临界温度和临界压力分别约为411℃和31.4MPa。在34MPa 恒压条件下,白钨矿的溶解度随体系温度的升高而缓慢增大,但在体系临界温度附近突然出现极大值现象。在34MPa 恒压和温度在250℃～400℃区间内白钨矿与 WO_3在4.0%NaCl 水溶液中的溶解度(单位为 mmol/L)基本相同,这表明溶解态钨在热液流体中的存在形式可能相同。在420℃恒温条件下,白钨矿的溶解度随体系压力的升高而增大,在体系临界压力附近可能出现涨落现象,有待进一步实验查证。在4.0%NaCl 水溶液临界区域内,白钨矿的溶解度对体系温度和压力的变化反应敏感,表明白钨矿的溶解度在热液流体临界区域内具有临界异常现象。结合前人研究结果发现,白钨矿、石英、WO_3、MoO_3等物质在热液流体中的溶解度变化行为基本相似,即溶解度随体系温度和压力的升高而增大,在临界区域内出现临界异常现象。矿物溶解度的临界异常现象对揭示热液型钨矿床成矿物质的萃取、迁移和沉淀富集机制具有重要意义。     

4GPa,室温至33O℃条件下方解石Ⅲ的原位Ⅹ衍射

利用能量色散X射线衍射技术,结合金刚石压腔外加热技术,在4.07～4.75 GPa,25～330℃条件下,进行了方解石Ⅲ的X衍射测量.结果表明,在实验的温压范围内,方解石Ⅲ稳定存在.随温度升高,方解石的晶胞参数逐渐增大.     

不同温度条件下气体压力升降过程中瓦斯运移规律的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,对不同温度条件下型煤试件在气体压力升降过程的渗流特性进行了试验研究,以模拟随采深增加引起的地温升高条件下煤的渗透特性。同时,为探讨低渗储层的滑脱效应进行了相同条件下氦气的平行试验。研究结果表明：（1）升压阶段,轴向应变增大,径向应变减小,近似呈线性变化;降压阶段,随气体压力降低,应变呈现出与升压阶段相同的变化趋势。随温度升高,应变随气体压力变化的斜率增大。（2）升压阶段,随气体压力升高,渗透率呈二次抛物线型变化,约在气体压力为3.0 MPa左右到达最小;降压阶段,随气体压力减小,渗透率先略有减小后增大,升压阶段渗透率大于降压阶段渗透率。（3）升压阶段滑脱效应引起的渗透率变化量大于降压阶段的变化量,且滑脱效应所引起的渗透率变化量随气体压力增加呈幂指数函数降低。     

高温高压微束衍射实验进展及其地学应用

同步辐射X射线微束衍射技术与静态高压装置(包括金刚石压砧设备和大腔体压力机设备)结合运用是研究高温高压下物质晶体结构、相变等的有效方法。金刚石压砧高温高压实验技术的发展体现在:在产生极端高温高压的同时,获得准确的实验温度压力值,采用充装气体传压介质等方法减小压力梯度,采用激光双面加温技术和改进激光光路以减小样品径向和轴向的温度梯度。大腔体压力机高温高压实验技术的发展主要表现在产生更高的实验压力,以及测试过程中使样品在一定幅度摆动以消除晶体生长和择优取向对衍射数据的影响。同步辐射X射线微束衍射技术的发展主要表现在更高亮度和更宽能量范围的同步辐射光源的使用、X射线聚焦技术的发展,以及角色散X射线衍射测试技术的进步。介绍了近年来高温高压微束衍射实验在地球科学领域所取得的一些最新进展,包括硅酸盐超钙钛矿的实验发现,铁的高温高压相变及熔融曲线、SiO2 超斯石英相变、橄榄石尖晶石相—超尖晶石相转变压力的精确测定等研究结果;认为硅酸盐超钙钛矿的进一步深入研究,水对地球深部矿物岩石力学性质及熔融行为的影响,高温高压下物质的化学反应性和地球深部元素的地球化学行为等,是今后高温高压实验研究的重要方向。     

地震荷载作用下温度和围压对冻土强度影响的试验研究

通过对重塑冻结兰州黄土的动三轴试验，较系统研究了地震荷载作用下冻土的动强度特性，并且定量研究了其在不同温度(-2℃、-5℃、-7℃)和围压(1MPa、3MPa、5MPa)条件下的变化规律．结果发现：冻结黄土的动抗剪强度随围压的增大、温度的降低、振次的减少而增大；动粘聚力Cd随振次的减小和温度的降低而增大；动内摩擦角吼随振次的增大和温度的降低而增大。     

近临界特性的地层水及其对烃源岩生排烃过程的影响

研究利用特制的地层孔隙热压模拟实验装置, 开展了模拟地层孔隙空间高压液态水热体系烃源岩生排烃模拟实验.模拟实验施加的流体压力为38±2 MPa, 温度为290~390 ℃.模拟实验结果显示了有关高压液态水及其与之相联系的流体压力和孔隙空间等因素对烃源岩生排烃影响作用的一些重要现象, 实验发现高压液态水介质条件有利于液态油的生成和保存, 不利于液态油向气态烃的转化, 而且干酪根的生烃潜力和排油效率有一定的提高.这些新的实验现象可能主要与近临界特性的高压液态地层水的作用有关, 进一步推断近临界特性的高压液态水参与干酪根向油气的转化反应, 增加了水对油气的溶解能力.在地下实际烃源岩生排烃的温压(100~200 ℃, 30~120 MPa)条件下, 岩石孔隙中的地层水是一种相对低温高压压缩液态水, 这种地层水可能具有近临界特性, 对烃源岩生排烃过程有重要影响.但目前对这种现象的机理和石油地质意义还知之较少.因此, 加强高压地层水近临界条件下烃源岩生排烃热压模拟实验研究, 对进一步深入理解地层条件下的近临界水介质、流体压力、孔隙空间因素对生排烃过程的影响, 深化烃源岩生排烃机理的探讨, 建立地质尺度上的烃源岩生排烃动力学模型, 都具有重要的理论和实际意义.      

汪清、农安和桦甸油页岩物理力学性质及裂缝起裂压力对比分析研究

本文主要探究了吉林省汪清、农安和桦甸地区油页岩物理力学性质的关键参数和裂缝起裂压力的取值范围及其分布特点。首先对汪清、农安、桦甸三地油页岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比参数取值范围进行了对比分析,发现三地油页岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比范围是相近的,由此得到吉林省油页岩抗压强度的范围是9～30 MPa,均值是15.35 MPa;抗拉强度的范围是0.3～3 MPa,均值是0.95 MPa;弹性模量的范围是0.22～9.9 GPa,均值是3.1 GPa;泊松比的范围是0.2～0.5,均值是0.33。随后,计算了三地油页岩在不同埋藏深度下的裂缝起裂压力,发现在相同埋藏深度下,汪清、农安、桦甸三地油页岩裂缝起裂压力是依次减小的;并且随埋藏深度的增加,裂缝起裂压力近似线性增大。最后,得到吉林省油页岩在不同埋藏深度下的裂缝起裂压力：当埋藏深度d=200 m时,起裂压力范围是0.5～2.3 MPa;当d=400 m时,起裂压力范围是1.0～4.5 MPa;当d=600 m时,起裂压力范围是1.6～6.8 MPa;当d=800 m时,起裂压力范围是2.1～9.0 MPa;因此,对吉林省油页岩进行水力压裂开采时,建议压力范围控制在0.5～9 MPa。     

阿拉善雅布赖风沙区不同水分条件下白刺叶片的水分生理特征

对雅布赖风沙口固定沙丘(阳坡和阴坡)、丘间低地和对照(人工加水)4种生境中白刺的叶片水势(Ψs)、含水量(LWC)、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Cs)等进行了对比研究.结果表明:各生境下白刺叶片白刺叶片渗透势值分别为-3.11MPa,-2.02MPa,-1.34MPa和-1.21MPa;白刺叶片水势随生境土壤水势(Ψsoil)升高而增加,变化趋势为:固定沙丘丘间低地对照(p0.01).叶片含水量随生活型及生境的变化与渗透势相似,而叶片渗透势与含水量呈显著正相关(p0.01),与气孔导度呈显著的指数关系(p0.01).0～2500μmol·m-2·s-1光强范围内,白刺的净光合速率随土壤含水量的增大而增大,蒸腾速率随光强的增高不断增大.白刺叶片平均水分利用效率在丘间低地土壤含水量为6.9%时达到最大值,因此,白刺的光能利用效率和水分利用效率都比较好的土壤含水量应该为7%左右.     

高压条件下CO2对页岩微观孔隙结构影响及其在页岩中的吸附特征

为了解高压条件下二氧化碳（CO₂）对页岩微观孔隙结构改造及吸附行为,以四川盆地焦页6井页岩为研究对象,通过低温N₂吸附和重量法等温吸附实验,研究了不同温压条件下CO₂处理前后的页岩微观结构特征及CO₂在页岩中的吸附行为.研究表明随处理温度升高,CO₂作用后的页岩比表面积呈下降趋势,平均孔径和孔体积呈上升趋势,微孔、中孔比例减少,宏孔比例增大.CO₂会改变页岩孔隙结构,改变程度与温度呈正相关关系.研究同时表明页岩对CO₂的过剩吸附量随压力增大而增加直至达到最大值,后随压力增大而减小;绝对吸附量随压力增大而增加,在40 MPa之后,吸附量趋于稳定.页岩对CO₂的吸附行为与温度压力有关,在高压条件下,Langmuir模型依然能较好地拟合CO₂在页岩中的吸附.      

不同温度下孔隙压力对煤岩渗流特性的影响机制

在深部煤层瓦斯抽采过程中,地温较高且孔隙压力逐渐降低,而目前综合考虑温度和孔隙压力对煤岩渗透特性耦合作用的研究较少.利用自主研发的出口端压力可调的三轴渗流装置,以贵州矿区原煤试件为研究对象,进行不同温度下改变孔隙压力的渗流试验,并建立了考虑温度的渗透率匹配模型.研究表明,煤岩渗透率随孔隙压力增大按指数函数减小;煤岩渗透率随压差的增大而减小,随温度的升高而降低,在不同的温度状态下,渗透率的下降速率和变化幅度有所不同.在模拟瓦斯开发的物理试验中,压差应尽量小,减少其误差,为建立不同边界条件的渗透率模型提供帮助;随温度的升高,温度突变系数呈增大的趋势;随孔隙压力的增大,温度突变系数呈减小的趋势.温度突变系数在整个阶段不为常数,且割理压缩系数可变,这两个特征更能真实地匹配模型,反映瓦斯的开发过程.      

碱性长石晶胞参数与结构状态的研究

碱性长石又名钾钠长石,是地壳上广泛分布的造岩矿物之一.近年来,用近代物理的方法(如X射线粉晶及单晶衍射、中子衍射、红外吸收谱及透射电镜等)进行深入的研究,已经揭示了该矿物的许多真实行为.在近期,长石的结构状态有序度、超结构状态(连生、出溶、晶畴、失步或反相,调制结构等)新概念的大量引入,为成岩成矿的研究提供新的信息.     

高温高压下CO2在水中溶解度实验及理论模型

利用自行研制的高温高压反应釜,在不同温度、压力和矿化度条件下测试CO₂在地层水中的溶解度。实验结果表明:温度一定的条件下,CO₂在水中的溶解度随压力的增加而增加;压力一定的条件下,CO₂在水中溶解度的主要变化趋势为随温度的增加而降低,当温度大于100℃、压力在22 MPa左右时,CO₂在地层水中的溶解度将发生异常,出现低压(小于22 MPa)时随温度的增加而降低,高压(大于22 MPa)时随温度的增加而略微升高;在温度压力都一定的条件下,CO₂在水中的溶解度随矿化度的增加而降低。并且,在新测得的实验数据和已有的实验数据的基础上,通过修正PR-HV状态方程中的参数,建立了一个能够精确计算CO₂在水中溶解度的模型;并将该模型与其他模型对比。对比结果表明,该模型计算精度最高,平均相对误差仅为2.69%。     

重塑黏土的高压次固结特性初探

利用自行研制的高压固结试验系统,对重塑黏土试样进行了竖向压力从0.25 MPa到12.00 MPa的一维固结试验;并利用三轴设备对该土样进行了0.3～2.5 MPa的等向固结试验。试验结果表明：一维固结试验获得的各级压力固结曲线均有明显的次固结阶段,重塑黏土的次固结系数随竖向压力增大而非线性变化;具体而言,当固结压力小于2 MPa,次固结系数随竖向压力增大而显著减小,当固结压力大于2 MPa后,次固结系数则几乎不变;等向固结试验获得的次固结系数则远小于一维固结试验获得的相应值,其随固结压力的变化规律也与一维固结不同。此外,从微观角度对试验结果进行的分析表明,高压下黏土次固结变形的物理机制不同于低压。即低压下黏土次固结变形的主因是颗粒间的相对滑移,而高压下则是结合水膜的蠕变;而且低压下偏应力对次固结变形有控制性影响,但高压下其影响很小。     

突出危险煤渗透性变化的影响因素探讨

通过对突出危险煤渗透性试验研究,系统分析了不同围压、不同瓦斯压力和不同应力-应变状态条件下突出煤样的渗透特性,分别建立了突出危险煤的渗透性与围压、瓦斯压力和应力-应变等主要控制因素之间的定性和定量关系,探讨了不同载荷条件下突出危险煤渗透性的控制机制和变化规律。研究结果表明,载荷条件对突出危险煤的渗透性具有重要影响：(1) 在固定瓦斯压力条件下,突出危险煤样的渗透率随围压的增大而减小,且服从指数函数变化规律。(2) 在固定围压条件下,受Klinkenberg效应影响,渗透率与瓦斯压力之间大致呈“V”字型变化;Klikenberg效应发生在瓦斯压力p < 1 MPa的范围内。(3) 在三轴压缩下的应力-应变全过程中,不同载荷条件下突出危险煤样的渗透率-应变曲线变化趋势几乎一致,且都呈“V”字型走势;在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小;进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值强度到达之前完成反超过程;峰值强度之后渗透率持续增大直至试验结束;煤样渗透率反超后的变化要较反超前变化平缓。