高温高压下C—O—H流体的研究

C－O－H流体是地球内部流体的主要组成部分，确定高温高压下它们的组成关系对于认识地球的演化，氧化还原环境以及促进包裹体的研究都具有重要的意义。高温高压实验确定了它们与石墨平衡存在一个间断温度，理论计算一般在此温度之上进行，当压力，温度确定时，再加上一个外部条件如fO2或H／O比值，就可以得到它们的平衡组成。由于缺乏流体组分的高温高压热力学数据，目前的理论计算结果与实验值存在差别，电解质的出现和动力学因素影响着流体组分的平衡计算，加强系统研究，在实验中尽量采用就位分析的方法，获取更多更可靠的高温高压势和学数据，加强流体平衡影响因素的研究，是今后进一步的研究方向。     

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）。     

高温高压下流体中电解质活度系数的确定

高温高压下流体中电解质的活度系数在地球化学领域有着广泛的应用。本实验测量了100—500℃、0．11—12GPa下0．01mol／L KCl溶液的电导率,并利用Hueckel方程由实验确定的摩尔电导和极限摩尔电导计算出了KCl的平均摩尔活度系数。平均摩尔活度系数随温度升高而减小,随压力升高而增大,而在高温高压下随温度压力的升高几乎保持恒定。     

高温高压下黄铁矿热力学性质的第一性原理研究

黄铁矿是自然界中分布最为广泛的硫化物矿物,同时也是重要的造矿矿物,在金属矿床、沉积岩、变质岩、花岗岩、基性-超基性岩浆岩、以及地幔岩中都有大量出现。因此,研究黄铁矿在不同温度压力下的热力学性质可以为深入探讨与黄铁矿有关的成岩、成矿、成藏问题提供有用的矿物学依据。本文利用基于密度泛函微扰理论的第一性原理方法,采用准谐近似计算了黄铁矿在高温高压下的热力学性质。我们计算的黄铁矿的晶格常数、零压下的体积模量及其对压力的导数与前人的实验及理论计算结果吻合得很好,零压下等压热容和熵随温度的变化与实验结果有很好的一致性。尤其是,本文计算了直至2500K、100GPa的高温高压下黄铁矿的等温体积模量、热膨胀系数、热容和熵等热力学性质。这为在有硫参与的情况下,人们开展下地壳-岩石圈地幔深度的地球动力学模拟和建立地球物理模型提供了有用的信息。     

机器学习在矿物结构搜索及性质预测方面的应用

研究矿物在高温高压下的结构及其物理、化学性质是了解地球内部物质组成及动力学演化的基础。实验观测和理论计算是目前最主要的两种方法，前者受技术的局限，高温高压下的数据点比较匮乏；后者容易实现高温高压，但计算精度和效率往往难以两全。基于上述问题，机器学习作为一种很有前景的工具，与第一性原理计算相结合，能够精确、高效地预测矿物结构及各种性质。本文首先介绍了构建机器学习势的一般流程，对目前应用广泛的深度势能方法进行详细阐述。然后探讨了机器学习方法在计算矿物物理领域中的应用，如矿物新相结构搜索、热力学性质和输运性质预测、元素配分及同位素分馏等，并分析了机器学习方法相比于传统方法的优势。最后对机器学习方法目前存在的不足进行了简单总结并对其应用前景提出展望。     

利用量子力学势能数据预测温度、压力、盐度和沉积物孔径对甲烷水合物形成和分解的影响

介绍一个预测不同温度、压力、盐度和沉积物毛细管孔径条件下甲烷水合物 溶液 气体多相平衡模型。该模型以Van der Waals和 Platteeuw热力学模型、量子力学从头算粒子相互作用势能、DMW 92状态方程和Pitzer电解质理论为基础,能在很宽广温压范围内预测温度、压力、盐度和毛细管力对甲烷水合物形成和分解的影响。通过对比本模型的预测结果与实验数据,可知本模型能够准确地预测海水和多孔介质中甲烷水合物的相平衡条件。对于一定盐度下多孔介质中甲烷水合物的形成温压条件的在线计算可浏览: www.geochem model.org/models.htm。     

热液流体中的离子扩散作用:Ⅰ.示踪扩散系数的理论计算

本文在对已有示踪扩散系数和极限当量电导实验测定数据进行分析的基础上，运用热力学理论建立了离子示踪扩散系数（D0i，T）与标准偏摩尔摘（SOi,25）和温度的函数关系式：应用该方程可计算溶液中离子在任意温度下的示踪扩散系数。文中给出了各类离子的a'j、b'j、cj、dj和ai,j的值，并计算了70种组分在温度25～400℃范围内的示踪扩散系数。与实验数据的比较和分析表明，计算结果的均方差为3％以内。     

高温高压下元素配分的原位实验与计算模拟研究进展

地球内部元素的配分行为具有重要意义,有助于揭示地球内部物质循环、元素成矿、超临界流体性质等基础地质问题。同步辐射微聚焦X射线荧光光谱(SR-μXRF)结合金刚石压腔(DAC)技术,可以在高温高压条件下实现高准确度和高分辨率的原位(in situ)测试元素在不同物相间的浓度,并获取配分系数。而基于地球化学热力学的理论计算模拟,可以获得元素在不同物相间的赋存形式,有助于揭示元素配分机制。本文综述了SR-μXRF结合DAC技术和地球化学热力学计算模拟原位测定高温高压下元素配分的研究方法,及其在地球内部元素迁移、成矿作用和地球早期形成过程等领域中的应用进展,认为利用该套方法研究高温高压下元素配分行为的体系将变得更加复杂,对温度、压力条件则要求更高。本文旨在更新和丰富高温高压下元素配分系数数据,深化对地球内部物质循环等问题的认知。     

天然锰钾矿吸附水溶液中Hg^2＋的实验研究

利用粉碎分级的天然锰钾矿去除水溶液中Hg^2 的实验研究表明：反应平衡时间约为20小时；pH值对其吸附率影响很大，在中性（氯化物在偏碱性）条件下吸附率较高；溶液中阳离子的存在会产生竞争吸附而降低对Hg^2 的吸附量，2价金属离子较1价金属离子对Hg^2 竞争干扰明显；溶液中Cl^-的存在能明显降低对Hg^2 的吸附量。对等温吸附曲线的回归分析得出在浓度为5～350mg/L段能很好地符合Langmuir单吸附位吸附曲线，并计算出在该实验条件下其最大理论吸附量为27.6mg/g。解吸实验结果表明，在无其他电解质参与的条件下解吸量较少，受多种电解质干扰时其解吸率不超过20%。     

蛇纹石化碱性橄榄石玄武岩、水和氢氧化钠溶液的高温高压实验研究

蛇纹石化碱性橄榄石玄武岩、水和氢氧化钠溶液的高温高压实验研究宋茂双（中国科学院地球化学研究所，贵阳５５０００２）关键词高温高压碱性玄武岩Ｐ波速度熔融－结晶蛇纹石脱水温度作者测量了高温高压下蛇纹石化碱性橄榄玄武岩的Ｐ波速度、蛇纹石脱水温度和Ｈ２Ｏ及Ｎａ...     

地球深部物质的某些物性测量方法研究

文中介绍了地球深部物质实验室近 2 0年来开展高温高压下地球深部物质物性实验研究过程中 ,在测量方法方面的进步和应用情况。这些测量方法包括了高温、高压下弹性的超声测量方法、高温高压下电性的测量方法、高压差热分析法和高压下热学Gr櫣ｎｅｉｓｅｎ参数的测量方法诟呶赂哐瓜卵沂涂笪锏牡猿饬恐?,我们由超声脉冲透射方法改进为超声脉冲透射反射法 ,克服了样品室中压力和温度梯度对样品的影响。在高温高压下岩石和矿物的电学性质测量中 ,我们由直流法发展为阻抗谱法 ,不仅克服了样品极化对测量结果的影响 ,还可以获得离子在溶液中的多种物理化学参数 ,以及监测含水矿物在高温高压下的脱水动力学特征。在固体传压介质中建立的高压热学Gr櫣ｎｅｉｓｅｎ参数的测量方法 ,由于升压速率比较小且叶蜡石在高压下的热导系数增大 ,其测量结果需要进行校正 ,其测量方法有待进一步改进。     

热液金刚石压腔 (HDAC)在地质上的应用及甲烷水合物合成实验研究

热液金刚石压腔 (HDAC)是 2 0世纪末发展起来的一种高温高压及低温高压实验技术。它可在 - 180～ 12 0 0℃ ,10 0～ 10 0 0 0MPa水热体系进行实验 ,并具直观实验全过程的特点。文中首次运用HDAC在水体系中对哀牢山花岗岩进行了熔融实验 ,在显微镜下观察到花岗岩熔融过程 ,其初熔温度为 712 88～ 714 87℃ ,压力为 2 2 5MPa ,熔融温度为 759 54～76 0 0 0℃ ,压力为 30 0MPa。重点介绍了国外运用HDAC进行冰的高压相、水体系中伟晶岩矿物溶解、可燃有机岩、石油及岩石热解、高压下矿物包裹体均一温度测定及甲烷水合物合成实验研究新成果。甲烷水合物在永久冻土带及大陆坡、海底高原、海底沉积物等地质环境广泛分布 ,储量大 ,可成为 2 1世纪人类使用的新能源。目前世界主要国家的科学家除致力于该资源勘探外 ,还运用不同方法进行甲烷水合物的合成研究 ,以了解其形成条件及性质。开发和应用甲烷水合物具有重大意义 ,为促进我国此项工作开展 ,文中作了重点介绍。     

Experimental Study on Water‐rock Reactions with CO2 Fluid in a Deep Sandstone Formation under High Temperature and Pressure

Qiongdongnan Basin has a tectonic geological background of high temperature and high pressure in a deep reservoir setting,with mantle-derived CO2.A water-rock reaction device was used under high temperature and high pressure conditions,in conjunction with scanning electron microscope(SEM)observations,to carry out an experimental study of the diagenetic reaction between sandstone at depth and CO2-rich fluid,which is of great significance for revealing the dissolution of deep clastic rock reservoirs and the developmental mechanism of secondary pores,promoting deep oil and gas exploration.In this study,the experimental scheme of the water-rock reaction system was designed according to the parameters of the diagenetic background of the deep sandstone reservoir in the Qiongdongnan Basin.Three groups of single mineral samples were prepared in this experiment,including K-feldspar samples,albite samples and calcite samples.Using CO2 as a reaction solution,a series of diagenetic reaction simulation experiments were carried out in a semi-closed high temperature and high pressure simulation system.A field emission scanning electron microscope(SEM)was used to observe the microscopic appearance of the mineral samples after the water-rock reaction,the characteristics of dissolution under high temperature and high pressure,as well as the development of secondary pores.The experimental results showed that the CO2-rich fluid has an obvious dissolution effect on K-feldspar,albite and calcite under high temperature and high pressure.For the three minerals,the main temperature and pressure window for dissolution ranged from 150℃to 300℃and 45 MPa to 60 MPa.Scanning electron microscope observations revealed that the dissolution effect of K-feldspar is most obvious under conditions of 150℃and 45 MPa,in contrast to conditions of200℃and 50 MPa for albite and calcite.Through the comparative analysis of experimental conditions and procedures,a coupling effect occurred between the temperature and pressure change and the dissolution strength and calcite.Under high temperature and high pressure,pressure changed the solubility of CO2,furthermore,the dissolution effect and strength of the sandstone components were also affected.The experiment revealed that high temperature and high pressure conditions with CO2-rich fluid has a significant dissolution effect on aluminosilicate minerals and is conducive to the formation of secondary pores and effective reservoirs.Going forward with the above understanding has important implications for the promotion of deep oil and gas exploration.     

临界状态围压在岩石强度准则改进中的应用

岩石强度准则一般是通过低围压岩石力学试验提出,这些准则在高围压下得到的岩石强度比实测强度偏大。为解决这一问题,提出岩石临界状态围压的概念,并推导得到当围压达到临界状态围压时,偏应力为常数,临界断裂角为45°,以广泛使用的Mohr-Coulomb和Hoek-Brown准则为例,将其应用到准则的改进中。通过完整岩石三轴试验数据对改进准则的准确性和适用性进行验证,分析结果表明：应用岩石临界状态围压改进的强度准则参数对围压变化的敏感度较低,其不仅保持了原准则在低围压时评估岩石强度的一致性、准确性,而且在高围压时其评估的强度与试验强度较一致,解决了高应力条件下原强度准则高估岩石强度的问题。     

角闪石高温高压实验研究进展及其地球物理意义

高温高压实验作为地球科学研究的重要方向之一,通过模拟地球深部的温度和压力条件,了解地球深部物质的物理化学性质、地球内部结构和动力学演化。角闪石属于双链硅酸盐矿物,为地幔岩石圈的重要组成,广泛分布在海洋地壳、俯冲板块、变质岩和火成岩中。作为俯冲带的重要含水矿物,角闪石的广泛分布和高温高压下的脱水对于理解俯冲带水含量以及水迁移具有重要作用,同时在俯冲带的地震活动、高电导率异常、地震波速异常和岩浆活动中扮演重要角色。在过去的近百年时间里,国内外学者对角闪石高温高压物理化学性质进行了大量的研究。角闪石具有非常复杂的元素组成和结构特征,由此也导致了不同角闪石物理化学性质存在显著不同,包括脱水与脱羟基反应中元素迁移的差异、角闪石形成与分解过程中碱性元素(K+Na)和H2O含量对热稳定的影响、不同空间群结构下的高压结构相变、原位条件下不同结晶方向的电导率异常、不同结晶学优选方位(CPO)下的波速异常等。已有的研究对于角闪石的物理化学性质以及其在俯冲带中发挥的作用有了比较清楚的认识,但仍然有许多问题需要进一步研究,如角闪石的高压脱水动力学、热物性和变形机制等。     

成矿流体研究的内容及其进展

成矿流体的研究主要包括流体的广域穿层效应，地幔流体成矿作用，成矿流体热力学，动力学等几个方面。高温高压成矿流体，气－液相分离，成矿流体专属性等成为流体学研究的关键。成矿流体传输动力学，构造动力学成矿作用，化学反应耦合动力学成为成矿流体动力学研究的焦 点。     

煤层流变研究现状及发展趋势

近些年来,岩石流变已成为大陆岩石圈研究的前沿和热点之一,受到国内外越来越多的科学家的重视。由于浅、表岩石圈层中煤岩是含气、含水的多相介质有机岩,具有低杨氏模量和高泊松比的岩石力学性质,因此其流变行为与无机岩类存在很大的差异。当前,国内研究者主要通过在天然条件下的煤层流变不同尺度的观测,并进行高温高压变形实验与天然条件下煤岩流变的对比研究,用以阐明煤层流变的特征;通过观测、实验与模拟分析,获取流变参数,探讨煤层流变过程,建立流变模式,进而揭示煤层流变的机理与制约因素。在分析国内外煤层流变研究现状的基础之上,探讨了煤层流变研究存在的问题及今后的发展趋势。并认为对煤层流变的研究既可进一步丰富和发展对地球层圈构造和地球物质流动的认识,也可为煤层的合理开采、煤层气勘探开发与煤矿瓦斯突出防治提供科学依据．     

地质流体状态方程

几乎所有的地球化学过程都有地质流体参加, 定量地了解地质流体的物理化学性质是定量研究地球化学过程的基础.100多年以来, 广大化学和实验地球化学工作者做了大量的实验测定工作, 可是所有这些工作之和, 仅仅覆盖地球范围内一个不大的温压空间, 远远不能满足地球化学研究的需要.近年来, 我们试图通过分子水平上的研究, 结合热力学和统计力学方面的知识, 在重现前人实验结果的基础上, 研究实验工作者没有或不能研究的温压和成分空间, 得到了一系列能够精确预测地质流体在广阔的温压范围内的物理化学性质的状态方程.这些状态方程不仅能够重现实验数据, 而且具有良好的外延能力, 可以应用于地球化学领域诸多方面的研究.重点讨论了几个状态方程(包括纯流体状态方程含水溶液状态方程和含盐-水-气的状态方程) 在预测流体的溶解度、相平衡、化学位和PVT性质方面的应用.简要介绍了近年来笔者应用分子动力学和蒙特卡罗模拟在地质流体研究方面所取得的成果      

页岩气高压吸附特征及其对储采规律的影响

针对目前页岩吸附等温线测试温度、压力通常未达到储层温压条件这一问题,设计了页岩高温高压吸附等温线测试方法,研究了储层温度、压力条件下页岩吸附等温线特征,以实际页岩岩心为例计算了游离气和吸附气随压力的变化规律,并采用全直径页岩氦气和甲烷控压生产实验研究了吸附气对产气特征的影响。结果表明：视吸附量先随压力增大而增大,到达峰值之后视吸附量随压力的增大而减小;在低压条件下,采用Langmuir外推计算的吸附气量与高压实验计算的吸附气量相差不大;而在高压条件下,采用低压Langmuir理论推算总含气量高估9.2%;低于临界解吸压力时,吸附气解吸附使得单位压差产气量增加;高于临界解吸压力时,吸附气对单位压差产气量几乎没有影响;开发初期,低于临界解吸压力范围较小,吸附气对产气量贡献较小,尽可能动用游离气是高效开发的关键。     

矿物稳定同位素地球化学研究

通过测定矿物中元素H ,C ,O和S的同位素比值 ,认识矿物体系中的同位素效应 ,不仅能够确定矿物之间和矿物与流体之间的同位素平衡关系 ,而且能够了解影响矿物平衡和动力学同位素性质的因素。文中评述了稳定同位素分馏系数校准的理论计算、实验测定和经验估计方法 ,讨论温度、压力、化学成分和晶体结构等对矿物同位素性质的影响。由于同位素效应取决于矿物的物理和化学性质 ,因此应用稳定同位素来作为示踪剂不仅能够追索各种矿物学反应的路径 ,而且能够提供证据来阐明矿物晶体结构的某些细节。