地球化学作用下饱和-非饱和介质水力-传质-传热耦合模型

地球化学作用是影响岩土类多孔介质中流体流动、传质、传热的重要因素之一。基于Fredlund所提出的非饱和土四相理论,将地球化学作用所产生的溶解/沉淀视为一个独立相,在一定的假设基础上,利用溶质浓度对介质孔隙度、含水率进行修正,从而建立起传质过程与介质水力性质之间的关系,改进了传统模型中传质过程与流体密度、黏度之间单一的耦合关系;并以此为基础建立了考虑地球化学作用下饱和-非饱和介质中多组分、多相流体渗流场-浓度场-温度场耦合的数学模型。通过在实验室内对反应性煤矸石进行渗透实验的结果对笔者所建模型进行了验证,结果表明：综合考虑溶解作用时所测点处渗流速度与未考虑耦合作用的结果相比增大0.58倍;单独考虑溶解/沉淀相时,所测点处渗流速度与未考虑密度耦合作用时的结果相比增大0.44倍。水流的实际渗透速度与在使用考虑溶解/沉淀相计算模型时的结果吻合较好。     

洞穴碳酸钙沉积的水运条件

<正> 洞穴碳酸钙是洞穴中分布最广的一种洞穴矿物沉积,它在洞穴内的堆积形成了千姿百态的洞穴碳酸钙沉积形态,国内外的洞穴科学工作者对其沉淀机制、速度和形态成因等诸方而做了大量的工作。然而,对这些工作结果的认识还存在着不少分歧。作者认为,洞穴碳酸钙的形成是借助于水这个媒介物质,水运动条件的变化,首先对沉淀的物理化学条件产生重大影响,使沉淀的情况有所改变;其次,按照水运动条件等因素划分的洞穴水类型与洞穴碳酸钙形态形成密切相关。同时,由于沉淀和溶解是互逆反应,碳酸钙沉淀理论的解决将导致喀斯特溶蚀理论的完善。      

热液成矿分带的溶解－沉淀波结构

热液成矿分带是一种输运－反应问题。热液成矿分带基本属于渗滤交代分带性质，它是溶解－沉淀波在可渗透介质中形成和传播的结果。本文应用物理化学流体动力学中的渗滤与溶解－沉淀反应耦合过程理论研究溶解－沉淀波的结构特征，并进一步应用多组分耦合系统动力学中的用于原理揭示其形成的动力学机制，最后提出了一种热流成矿分带理论，对热液成矿分带问题的性质、热液成矿分带的本质和热液成矿分带的结构特征与形成机制提出了新认识。     

热液成矿分带的溶解—沉淀波结构

热液成矿分带是一种输运－反应问题，热液成矿分带基本属于渗滤交代分带性质，它是溶解－沉淀波在可渗透介质中形成和传播的结果。本文应用物理化学流体动力学中的渗滤与溶解－沉淀反应耦合过程理论研究的溶解－沉淀波的结构特征，并进一步应用多组分耦合系统动力学中的相干原理揭示其形成的动力学机制，最后提出了一种热流成矿分带理论，对热液成矿分带问题的性质、热液成矿分带的本质和热液成矿分带的结构特征与形成机制提出了新认     

埋藏条件下方解石热力学平衡及其在塔河油田埋藏岩溶预测中的应用

方解石在成岩环境中的溶解度与地下水化学特征、温度等有着极为密切的关系。通过CaCO3溶解沉淀反应平衡以及地下水中的Ca2+活度可以确定不同温压的地下水条件下方解石的溶解趋势。地下水溶液的pH值和温度是方解石溶解度最直接的控制因素。方解石溶解趋势可以通过CaCO3电离反应的吉布斯自由能(ΔG)来判断:ΔG<0时,反应向溶解方向进行;ΔG>0时,反应向沉淀方向进行。根据方解石的水岩反应理论,对塔河油田34口井的奥陶系地层水进行了ΔG的统计计算。结果显示:塔河油田现今地下水条件有利于方解石的溶解,西部地区较东部溶解趋势强,北部地区溶解趋势相对较弱。这为定量了解塔河地区埋藏岩溶趋势及该地区的储层评价预测提供了理论依据。     

岩体裂隙网络矿物溶解-沉淀-迁移数值模拟

为了研究岩体裂隙网络中矿物溶解-沉淀的变化规律及其对溶质运移的影响,联合矿物溶解-沉淀动力学模型、渗流模型和溶质运移模型建立了岩体裂隙网络矿物溶解-沉淀-迁移模型,经过水溶液络合物计算和矿物成分分析,对研究区域方解石溶解-沉淀作用及溶质运移进行了数值模拟。得出的结论主要有:(1)受裂隙网络分布的影响,溶质运移分布极不均匀,溶质主要通过连通的裂隙从上游向下游迁移;(2)考虑方解石的溶解-沉淀作用之后,在溶解区域溶质浓度增加,在沉淀区域溶质浓度减少;(3)通过对比分析,可知方解石溶解-沉淀受水溶液中CO23-浓度影响较大。     

碳酸盐的结晶沉淀

碳酸盐的结晶沉淀物千姿百态,造就了许多旅游胜景。 根据岩溶水的运动和沉积方式,碳酸盐沉积物可以划分为若干类型。模拟试验提供了微观研究碳酸盐结晶沉淀的条件。 碳酸盐的结晶沉淀作用是碳酸盐岩溶解的逆反应。CaCO3的结晶沉淀速度,可用下式计算。 据60℃条件下模拟试验资料,计算出R/S等于1.2×10-5～7.6×10-5克分子/秒·厘米2。 结晶沉淀作用与溶液的饱和度、pH值、温度、压力和溶液性质等因素有关。试验表明,岩溶水局部过饱和或pH<6的溶液中可以出现结晶。如果碳酸水中添加NaCl或CaCl2、MgCl2,有助于结晶沉淀作用。提高温度和压力,溶液的溶解速度将提高,结晶将更快。 淡水中原生白云石的形成,是复杂问题。通过溶蚀-结晶试验,初步证明:淡水溶液的温度60℃—80℃条件下,可以沉淀出白云石。      

基于反向地球化学模拟的地下水形成作用: 以安徽省泗县为例

在了解安徽省泗县水文地质条件基础上,分析了区域水文地球化学特征及类型,探讨了其空间分布特征。根据开采条件下的地下水动力场条件,选择了3条模拟路径,采用PHREEQC软件进行了水文地球化学模拟研究,定量分析了地下水的形成机理及演化。结果表明,路径Ⅰ发生了岩盐、石膏以及伊利石的溶解,高岭土、石英、白云石、萤石发生了沉淀;钙蒙脱石、方解石不参与反应,NaX解吸,CaX_2被吸附;路径Ⅱ发生了岩盐、石膏、伊利石、石英等的溶解以及钙蒙脱石、方解石的沉淀,NaX解吸,CaX_2被吸附;路径Ⅲ发生的反应基本与路径Ⅰ相同,不同之处在该路径上的白云石发生了溶解,其原因可能是地下水在径流过程中溶解CO_2,使其继续溶解白云石以及受沉淀滞后的影响。研究结果表明地下水开采条件下,泗县地下水化学组分主要受到了岩盐和石膏等矿物的溶解作用、钙钠离子交换作用以及钙蒙脱石、方解石沉淀作用的控制。     

地浸过程中铀迁移特征研究

通过室内溶质迁移试验，对地浸过程中铀迁移的规律进行了研究。结果表明：地浸过程中溶质铀主要以铀酰、硫酸铀酰为主要存在形式；铀迁移经历了溶解迁移、沉淀、再溶解迁移的多次旋回；浸出铀浓度最大值和浸出速度与浸出距离和浸出时间密切相关。     

Fe~(3+)对羟磷灰石溶解特性的影响

羟基磷灰石(HAP)对溶解性Fe~(3+)具有良好的去除作用,其反应机理尚未明确。基于HAP的溶解规律探究Fe~(3+)去除过程的思路,研究了HAP在空白溶液和含Fe~(3+)溶液中溶解特性。对比研究结果表明:Fe~(3+)对HAP溶解的影响主要为表面吸附过程的抑制作用和溶解沉淀过程的促进作用,且浓度越大抑制作用越强。溶解初期(t≤4min)溶解-沉淀过程起主导作用,溶解速度快;后期(t>4min)表面吸附起主导作用,溶解速度慢。     

岩溶水系统溶蚀速度的多重耦合模型——以山西太原东山水文地质系统为例

本文运用化学热力学与水文地质系统耦合理论,将太原东山水文地质系统划分成矿物溶解、沉淀各异的区带;通过各区带内的化学—数学与相关分析法的耦合模型,计算出各区带碳酸、硫酸盐岩的综合溶蚀模量;再将综合溶蚀模量和用化学动力学理论确定地下水实际速度的解析解公式与有限单元法耦合,计算确定出各节点的溶蚀速度。从而不仅有效地评价了水文地质系统内的溶蚀特点,还可反映区内地质构造和水文地质条件,以及含水层在倾向方向随埋深增大呈幂函数变化的规律;进而可确定出区内供水、矿井防治水的最佳勘探地段。这些不仅具有一定理论意义,也具有一定的社会和经济效益      

含矿流体混合反应与成矿作用的动力平衡模拟研究

本文在约定热液体系中成矿元素成矿速率(成矿过程中单位时间内单位体积所合成矿元素重量的变化)的基础上。借助于物质-热-化学-成矿四重全耦合的研究思路，构建了均匀热液体系、层状热液体系、岩浆侵入热液体系下成矿元素的迁移、富集、溶解与沉淀作用数值模型。模拟结果表明；(1)硫化物(H2S)和硫酸盐(SO42-)流体的混合反应是成矿热液体系中铅、锌、铁成矿元素成矿的重要控制因素；(2)均匀介质、岩浆侵入或地质构造的存在，对成矿元素在成矿流体运移的速度、流线、温度分布和成矿元素的溶解与沉淀分布都有着各自的特征．不同的成矿环境或成矿背景制约了成矿元素的迁移与富集以及矿体的产出定位。暗示成矿环境及成矿速率对热液体系中成矿元素的沉淀与溶解具重要作用；成矿流体的混合反应是成矿作用发生的重要机制之一。在成矿理论研究中必须充分考虑不同地质构造因素的约束。     

地质流体 岩石反应的地球化学动力学方法

摘 要　 提出了一个以矿物生成和溶解的速率确定体系矿物沉淀的量来模拟水 岩反应的新方 法。新固相在体系中沉淀的量只依赖于沉淀速率‚而不是依赖于水 岩之间的平衡。考察了一 个矿物溶解生成次生矿物最终趋于平衡的溶解沉淀反应演化‚结果表明在水 岩体系中对于次 生矿物的部分平衡假定在许多情况下都不能成立。在这样的反应演化过程中亚稳矿物与溶液 之间总保持过饱和态‚矿物的沉淀速率随反应的进展而变化。同时‚当主要溶解矿物达到平 衡而溶解作用停止时‚次生矿物沉淀尚未停止‚直到体系饱和指数全部趋于0时‚才达到总 体平衡。用动力学方法处理地球化学过程中的水 岩反应比准稳平衡的简单假设更合理‚因为 动力学方法更符合自然情况‚同时产生了关于时间过程的时间尺度信息。     

石家庄平原地下水化学演化的质量平衡模拟

石家庄平原地下水化学演化具有明显的分带性规律，本文应用质量平衡模拟理论对其形成的水岩作用机理进行了研究，模拟结果表明控制研究区水化学演化的主要水岩作用过程为：石膏、斜长石、黑云母的溶解，石英、伊利石的沉淀，方解石在上游主要表现为溶解。     

开放系统中CaCO3的溶解与沉淀对水溶液的成分及其性质的影响

作者在对开放系统条件下ＣａＣＯ３溶解与沉淀过程中水样的ｐＨ值及溶液中各组份存在形式含量的变化情况进行计算的基础上,讨论了天然水中阴阳离子间的络合作用对水溶液的成分及矿物饱和指标计算结果的影响,分析了ＣａＣＯ３的溶解与沉淀对水溶液的成分及其性质的影响。      

碳酸盐岩热储对湖水回灌的响应

回灌式开采是目前普遍提倡的保持热储压力、减缓水位下降、实现地热资源可持续开发利用的有效手段之一。外源水回灌是近年来探讨的新思路,是易于回灌的碳酸盐岩储层的优选方案。本文针对天津东丽湖地区蓟县系雾迷山组白云岩热储,通过开展储层条件下水-岩相互作用实验,探讨了未处理湖水回灌的可行性和热储层的地球化学响应。结果表明,未经处理湖水回灌后,其TDS显著降低,说明发生了沉淀,经计算沉淀量为142.6 mg·L-1,相当于矿物质量增加了0.09%。反应初期阶段,斜长石发生溶解,释放出K、Ca、Na等碱金属和SiO₂等组分;导致溶液中白云石、方解石和钾长石过饱和而沉淀析出;随着反应进行,不全等溶解沉淀作用使部分白云石发生溶解,而方解石持续沉淀;伊利石是反应过程中形成的主要黏土矿物,其对储层结构的影响取决于其形状。基于现有实验结果,认为未处理湖水直接回灌对白云岩热储的影响较小,不会破坏储层结构     

太原西山中奥陶统脱白云石化定量研究

<正> 碳酸盐岩的脱白云石化作用,不仅是岩溶研究的一个重要方面,而且还是岩溶含水层系演变的一种主要地球化学作用。近二十年来,巴克和汉肖通过对佛罗里达和尤卡坦的第三纪碳酸盐岩含水层做了大量的理论研究,他们认为“在一个壮年含水层系中,控制其渗透分布的一个主要作用是白云石随石膏溶解而溶解,同时发生方解石的沉淀(脱白云石化作用)”      

矿物溶解再沉淀过程研究综述

溶解再沉淀过程可促进矿物-流体之间充分的反应,使一些元素再次迁移富集,在许多地质过程中扮演着重要角色。近年来,随着聚焦离子束透射电镜（FIB-TEM）、纳米二次离子质谱仪（Nano-SIMS）等制样观测及精细分析技术的发展,矿物界面化学研究取得了众多成果。已有研究证实,在低温、溶剂存在的条件下,溶解再沉淀过程相对于固体扩散是更高效的物质交换机制。本文回顾了溶解再沉淀过程的研究历史,综述了近20年来取得的主要研究进展,包括不同矿物相（硅酸盐、磷酸盐、碳酸盐矿物及氧化物、硫化物等）中主要鉴别结构特征、元素迁移富集规律及主要观测分析手段,系统总结了溶解再沉淀过程的主要影响因素,最后展望了其发展方向。     

人类活动影响下娘子关岩溶水系统地球化学演化

娘子关泉是我国北方最大的岩溶泉之一,也是阳泉市工农业生产和人民生活的重要供水水源。地下水地球化学演化分析表明,在地下水由补给区向排泄区运移过程中,除固有的水岩相互作用外,由于受采矿活动和地表水入渗补给的影响,岩溶水由低离子含量的HCO3-SO4或HCO3型水逐渐成为SO4型、SO4-HCO3型和SO4-HCO3-Cl型水。在泉群集中排泄区,区域流动系统与局部流动系统的地下水发生混合作用,最终形成了水质相对良好的HCO3-SO4型或SO4-HCO3型岩溶泉水。在此过程中,地下水对方解石和白云石也由最初的溶解作用演变为沉淀再结晶。尽管石膏呈持续溶解现象,但在采煤活动严重影响区域,石膏的沉淀也可能出现。地球化学模拟表明,在岩溶含水层中,地下水首先以方解石（白云石）的溶解为主;随着石膏溶解数量的增加,方解石（白云石）的溶解开始受到抑制,进而发生沉淀,石膏的溶解成为控制地下水水化学的主导过程。当矿坑水混入时,地下水相对石膏过饱和,地下水对碳酸盐岩含水介质的溶蚀能力得到增强。随着水岩反应的演进,铁氢氧化物大量沉淀,通过共沉淀和吸附作用去除了地下水中的重金属类污染物。      

低温环境下铁同位素分馏的若干重要过程

详细了解同位素分馏的过程与机理是运用稳定同位素体系解决科学问题的关键.本文对沉淀、溶解、吸附、氧化、还原、生物等过程中的Fe同位素分馏研究结果进行了系统总结.在沉淀过程中,优先沉淀轻同位素;在吸附过程中,Fe(Ⅲ)矿物优先吸附重同位素;氧化还原过程中,Fe的化合价越高,Fe同位素组成越重.