地幔条件下富水流体状态方程

地幔中的富水流体以其独特的物理和化学性质影响着一系列地球化学和地球动力学过程.受制于实验数据的缺乏,人们对地幔中富水流体及其与周围岩石、熔体相互作用的认识仍然非常不足.从热力学平衡计算的角度,富水流体体系的状态方程是推进本领域建模工作的关键.目前能用于地幔温压条件、被公认具有较好准确性和预测性的富水流体高压状态方程并不多见.本文对若干代表性方程进行了介绍与评述,并通过分析指出提高状态方程外延能力的主要途径:借助于高质量分子模拟数据,采用理论基础更好的方程形式,优化方程的拟合过程与参数求取方法等.根据典型富水流体体系的高压实验数据分布现状,含离子成分的水溶液体系是本领域研究的重点与难点,而当前实验与理论模拟工作正取得的重要突破将极大地促进相关研究的进展.     

固体地球观向流体地球观的概念更新

长时间内人们把地球看成为一个固体星球,忽视流体在地球动力学中非常重要的作用.在本文中我们将列举一系列的资料来证明它.此流体由H\|A\|C\|O\|N\|S组成.H (氢, 卤素和热), A (碱金属, 例如 Na, K等.), C (碳), O (氧), N (氮), S (硫族).此流体从深部外地核H, H2流向上进入地幔演化为H\|HACONS, 向上到上地幔演化为A\|HACONS, 向上进入地壳后演化为O\|HACONS. 此流体可以使固体地幔,地壳发生弱化,变软,熔融和排气,结果造成地球动力学及大地构造运动和众多自然灾害.     

CH_4/CO_2/H_2O在煤分子结构中吸附的分子模拟

煤与CH4,CO2和H2O相互作用的分子机制是深入认识流体在煤中的赋存状态、流体诱导的煤溶胀(或收缩)等现象的基础.相对于各种仪器分析技术,基于分子力学、分子动力学及量子化学的分子模拟技术是揭示物质结构与性质间关系、了解物理化学体系中物质相互作用机制的有力工具.本文应用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)及分子动力学(MD)方法对兖州煤模型(C222H185N3O17S5)的吸附行为进行了研究,获得了CH4,CO2与H2O的吸附量、吸附构型以及含氧官能团的影响,并利用等量吸附热及能量变化数据揭示了三种物质的不同吸附机理.(1)单组分CH4,CO2和H2O的等温吸附曲线均与Langmuir模型吻合较好,吸附量相对大小为CH4CO2H2O;高温不利于吸附;CH4/CO2/H2O三元混合组分(摩尔组分比1:1:1)吸附,仅H2O与Langmuir模型吻合.(2)CH4,CO2和H2O在298.15 K时的平均等量吸附热分别为22.54,36.90和37.82 kJ mol-1,即H2OCO2CH4;温度越高,等量吸附热越小;压力对吸附热则无明显影响.(3)CH4在孔隙中呈聚集态分布,CO2呈两两交叉的排列形式H2O分子在氢键作用下,O原子规律地指向周围H2O分子中或煤分子中的H原子;三者分子间距分别为0.421,0.553和0.290 nm,径向分布函数显示H2O分子排列最为紧凑并形成紧密分子层.(4)H2O围绕煤表面的含氧官能团形成明显分层分布,作用强度从大到小依次为羟基羧基羰基;CO2与CH4仅出现微弱的分层.(5)兖州煤模型吸附CH4,CO2及H2O分子后,体系总能量、体系价电子能和体系非成键能均降低.体系总能量降低幅度表明兖州煤模型中吸附优先顺序为H2OCO2CH4.价电子能的降低,表明地质条件下由于压力作用形成的"应变煤",在与流体作用过程中发生结构重排以形成更加稳定的构象,可能是流体与煤作用后产生溶胀的分子机制.范德华力、静电力与氢键力对非成键能降低的不同贡献揭示,煤与CH4的相互作用为典型物理吸附;与CO2的相互作用是以物理吸附为主,并存在微弱的化学吸附;与H2O的作用则是物理化学吸附并存.     

地质流体活动的形变场响应研究进展

地球内部流体储层的体积变化可以直接导致地球介质的变形。通过地表形变场的研究可以实现对地球内部储集体的动态监测，同时，还可以获取储层的有关性质。本文综述了当前利用地表形变测量研究石油开采诱发地震响应、地热开采导致陆地下沉、岩浆的侵入引起的地表抬升等地质现象的几种方法。油田开发过程的系列研究成果说明，地面形变测量研究是研究地球内部流体储层体变化过程的有效手段之一。     

深部流体及有机-无机相互作用下油气形成的基本内涵

含油气盆地作为地球系统中相对稳定的克拉通块体,从早期烃源岩发育环境、油气形成、储层溶蚀改造到油气聚集或者破坏都受到地球系统演化的影响.深部流体作为联系盆地内、外因素的纽带,以有机-无机相互作用的方式贯穿了油气形成和聚集的全过程.深部流体携带的营养物质促进了成烃生物的勃发和碳氢源的额外补充,有利于优质烃源岩的发育和提高烃源岩生烃潜力,其携带的能量促进了烃源岩早熟和高成熟烃源活化加氢生烃.深部富CO_2流体对碳酸盐岩、碎屑岩储层的溶蚀改造,改善了深层储集体空间,使得油气储集空间向更深延伸.深部超临界CO_2对深层滞留原油的萃取和泥页岩中CH_4的驱替,提高了深层和致密储层中烃类流动性.同时,深部流体携带的物质(C、H、催化物质)和能量不仅能够促使费托合成无机CH_4,促使有机质热演化生烃形成"热液石油",而且也能使得有机来源的原油发生热蚀变.因此,从地球层圈相互作用的视角看,深部流体不仅对沉积盆地输入了大量的外源C和H,改善了油气赋存空间,而且也提高了油气富集聚集效率.     

NaCl-H2O体系中WO3溶解度超临界现象实验探讨

以适量Na2WO4·2H2O, HCl, NaCl和H2O为原料, 从过饱和的角度对4.0% NaCl水溶液中WO3溶解度的超临界现象进行实验探讨. 压力恒定在34 Mpa, 接近临界压力31.4 Mpa, 温度变化于250～550℃之间, 在快速淬火高压釜中进行实验. 结果表明在临界区域内, WO3溶解度具有超临界现象, 溶解度对温度、密度的变化反应敏感. 本实验温、压条件与许多钨矿床成矿流体的温、压条件比较接近, 超临界地质流体可能有助于揭示钨矿床的形成机制.     

地球磁场长期变化动力学的Hamilton形式

时间尺度O(1)—O(10~2)年的地球磁场长期变化,是由地球液核中导电流体的运动产生的.在合理的框架下,将支配地核流体的动力学方程组加以近似和简化,无论从正演还是反演的角度都是极为重要的.本文将理想地核流体的磁流体动力学方程组表述成Hamilton 形式,包括非正则动力学变量组U={V p,S,B},Hamilton 泛函H(u),Poisson 括号及与之等价的辛矩阵J.期望Hamilton 力学方法对地球磁场长期变化的动力学的研究有所裨益.     

硅酸盐熔体状态方程的理论模型和实验测定方法

硅酸盐熔体是地球和其他类地行星内部非常活跃的、物质和能量迁移的重要载体.测定硅酸盐熔体的状态方程,获得其摩尔体积(或密度)与温度、压强和成分之间精确的定量关系,对于模拟岩浆的产生、运移、喷发过程和地球及其他类地行星形成早期岩浆海阶段的演化过程,计算和模拟硅酸盐熔体参与的相平衡,以及揭示硅酸盐熔体的微观结构随压强的变化都至关重要.但由于硅酸盐岩石的液相线温度较高,而且熔体容易与样品仓物质发生反应而改变熔体成分,以及熔体易于流动,在高温高压实验中容易发生泄漏等一系列问题,在高温高压条件下原位测量其体积性质一直是实验的难题,目前积累的硅酸盐熔体高压密度数据仍然十分有限.近年来,相关高温高压实验技术得到了快速发展,不仅可达到的温度和压强范围扩大,测定结果的精确度提高,而且出现了新的原位测量方法.文章系统总结了目前广泛使用的硅酸盐熔体的常压和高压状态方程理论模型,并举例介绍了本领域内一些亟待解决的问题:(1)含铁和钛硅酸盐熔体的常压状态方程仍需要进一步完善;(2)含挥发组分硅酸盐熔体中的H_2O和CO_2组分的偏摩尔性质可能随熔体成分发生明显变化,其高压状态方程仍有待于进一步研究;(3)各种高压状态方程的形式和适用范围如何对应熔体结构和压缩机制的变化需要进一步研究.之后重点介绍了硅酸盐熔体状态方程的各种测定方法的基本原理和应用范围,对比了双球阿基米德法、熔融曲线分析、冲击压缩、沉浮法、落球法、X射线吸收、X射线衍射和超声干涉法的优缺点.本领域研究未来的发展趋势一方面是发展高温高压原位测量熔体密度或声速的实验技术,积累更多实验数据,另一方面是结合硅酸盐熔体微观结构和压缩机制方面的研究,改进熔体状态方程的理论模型.     

层间氧化带砂岩型铀矿流体地质作用的基本特点

通过对国内典型砂岩型铀矿—吐哈盆地十红滩矿床、伊犁盆地512矿床、鄂尔多斯盆地东胜矿床流体地质及其地球化学的研究,揭示了层间氧化带型铀矿流体作用的组成、成分、成因以及各主要蚀变流体的温度、PH,Eh,盐度、压力等物理化学性质.由流体包裹体分析认为流体的基本组成可分为两部分:一是为由包裹体氢、氧同位素特征可确认其为常温表生作用的大气降水,二为含CH4等烃类气体、CO2及少量H2S,CO,H2,N2等组分的天然气,在含油气盆地中往往含有少量的液态烃.氧化蚀变带流体性质往往是氧化碱性的,矿化作用阶段流体性质为中性或弱酸-弱碱及还原性,而在2次还原或还原作用带流体是强还原碱性的.流体中的含氧地下水是铀元素活化迁移的介质,而天然气中的CH4等烃类气体以及H2,H2S,CO等则是铀矿物沉淀的重要还原剂;流体环境的PH,Eh性质的转变是铀矿化形成的主要原因.     

基于流体弹性阻抗反演的储层含油气性识别方法

流体弹性阻抗反演是一种能将反映储层流体效应的敏感参数从弹性波阻抗数据体中直接求取出来的地震反演方法.该方法不仅具有抗噪性、直观性强的特点,而且有效地避免了间接提取流体因子存在的累积误差问题.在双相介质理论和岩石物理实验指导下对岩石固液效应解耦,构建出凸显孔隙流体效应的流体等效体积模量参数,并推导了其流体弹性波阻抗方程,最后综合利用地质、测井和地震资料,完成对埕岛地区下第三系不整合圈闭储层的含流体检测,进一步明确了该地区含油气储层物性横向变化的认识,具有良好的实际应用效果.     

高温高压下岩石波速的实验研究

近年来,高温高压试验愈来愈受到国内外地质和地球物理学家们的重视,这是因为它可以直接模拟地球内部主要的环境状态(温度和压力条件)以及其它可能的环境因素(如夹层、孔隙流体等),研究其     

地层模量分解及在流体识别中的应用

储层流体识别是确定油气水分布,合理布设井位,提高钻井成功率的关键之一.本文基于流体饱和孔隙介质岩石物理模型,对地震反演的地层体积模量进行分解,获得孔隙流体体积模量,并依据油、气、水(尤其是气-油、气-水)模量的显著差异进行识别.文中简要分析了Gassmann模型和Kuster-Toksz模型的特征,详细讨论了孔隙形态和饱和度对弹性模量的影响,提出了联合Kuster-Toksz方程和Gassmann方程的体积模量分解方法.该方法通过Kuster-Toksz方程从测井数据中反演地层骨架固体和干骨架的弹性模量,再利用Gassmann方程对地层体积模量进行分解,既考虑了孔隙形态,又充分利用了Gassmann方程的易用性.理论模型结果表明方法是可行的.方法应用于西部地区某气田,流体识别与地层含气性预测结果与钻井基本一致,进一步证实了方法的有效性.     

上地幔流变性质的研究进展

本文主要总结了近十多年来橄榄岩流变实验的研究成果,介绍了上地幔流变研究的进展和意义.经过多年的实验研究,橄榄岩流变性质在理论和应用方面都已取得重要突破.人们利用高温高压实验深入研究了熔/流体、铁含量、粒径尺度、温压条件等因素对橄榄石流变性质的影响,得到了表征橄榄石流变特性的幂率本构方程的各参数,并从理论方面探讨了橄榄石等矿物在不同深度处可能存在的变形机制.在应用方面,高温高压流变研究为许多地质现象(如软流圈的成因)的解释和地球动力学(如地幔对流)的模拟提供了实验依据和基础数据,如辉石的粒度效应可以解释上地幔板块边界变形及剪切局域化问题等.尽管对上地幔矿物的流变特性进行了深入地研究,但还有许多问题需要人们进一步厘定,如碳酸盐熔体对橄榄石流变性质的影响,橄榄石变形机制的转化等.     

俯冲带流体反向交代作用

<正>1俯冲带流体交代作用俯冲带是连接地球表生圈层和深部圈层的关键纽带(Zheng和Chen,2016).俯冲带中发生的流体活动与很多关键地质过程密切相关,如火山与地震活动、元素迁移富集成矿、物质迁移与壳幔物质循环,以及地球的表层环境变化.因此,对俯冲带流体来源、性质和地球化学效应的研究具有重要意义(Zheng,2019).     

地热地球物理勘探新进展

地热作为一种清洁能源具有巨大的开发潜力,将在我国的经济发展中起到巨大的作用.在传统的热水型地热开发的基础上,国际上非常重视热干岩(Enhanced Geothermal)型地热的勘探开发.在这两类地热勘查和开发中,地球物理方法具有非常重要的作用.本文从地热系统的目标体岩石的地球物理性质出发,分析岩石的地球物理性质与温度、压力和含水量等影响因素的关系.例如随着温度的升高,岩石会出现去磁、电阻率降低、密度降低、弹性波速度也现明显降低等现象.进而分析地球物理方法应用到具体的地热勘查地质-地球物理异常模型.结合国际上21世纪以后的新方法技术,分析了重磁、电、地震方法在利用由于岩石温度的升高而出现的特殊地球物理现象,并应用于地热勘探.通过国内外实例介绍了各种地球物理勘探方法在地热勘查中成功应用,为进一步提高我国地热勘查水平,提供一些参考.     

流体体积模量计算方法研究

Wood模型、Patchy模型、Domenico模型及Brie的经验公式是常用的流体体积模量计算模型,目前低孔低渗或致密储层一般采用Brie的经验公式来计算流体体积模量.通过深入研究这几种模型,计算出流体体积模量的上下界,将上下界分别带入Gassmann方程反推出Brie干岩石剪切模量模型指数值范围,从指数范围内寻找一个最优值,使得纵横波预测误差最小,这个最优值即为剪切模型中的指数值.Brie剪切模型中采样点的指数值为固定值,将该固定值表示为随深度变化的变量,优化了Brie干岩石模量的计算方法.将优化后的Brie干岩石模型与Gassmann方程相结合反推出流体的体积模量.本文对Weyburn油田常规储层、胜利油田低孔低渗储层及苏里格气田致密储层进行研究,得出如下结论:(1)流体体积模量除了受各相流体的体积模量、含水饱和度、压力的影响外,还与孔隙的连通程度有关,即在有效压力不大的情况下,流体体积模量随含水饱和度的变化规律主要是连通性决定的;(2)低孔低渗、致密储层流体体积模量岩石物理模型与常规储层有很大的区别,Wood模型适用于常规储层流体体积模量的计算,而Wood模型和Domenico模型相结合的形式适用于低孔低渗和致密储层流体体积模量的计算.     

准噶尔盆地示踪石油运移的无机地球化学新指标研究

以准噶尔盆地为例, 探索了石油运移示踪研究的新思路和新方法. 基于对储层中典型流体—岩石反应产物(方解石胶结物)的元素地球化学分析, 结合样品的地质产状, 提出方解石胶结物的MnO含量是示踪含油气流体活动的良好指标. Mn是典型与火山物质相关的元素, 胶结物中富集的Mn主要来自于油源流体对本区烃源层系中火山岩物质的溶蚀. 同一世代方解石胶结物中MnO含量降低的方向指示石油运移方向. 据此, 结合石油运移过程中的有机地球化学分析, 研究了多源充注地区的石油运移通道和方向, 取得良好效果.     

冲绳海槽现代活动热水区CO_2-烃类流体:流体包裹体证据

冲绳海槽是正在发生着海底热水喷流 (黑烟囱式 )和现代成矿过程的弧后扩张盆地 .JADE热水区热液补给带水 岩反应产物中的流体包裹体研究表明 ,海底深部热流体系极度富气 ,并存在两类相对独立、密切共生的CO2 烃类流体和盐水流体 .CO2 烃类流体包裹体成分总体上与天然气田的流体包裹体成分相当 .盐水流体包裹体以H2 O为主 ,CO2 和CH4呈过饱和状态 .盐水流体在海底呈黑烟囱流体喷射 ,CO2 流体在海底呈CO2 气泡排泄 ,并形成CO2 水合物 ,烃类气体或流体可能被局部封存 .CO2 CH4 H2 S气体或流体的大量存储及其与盐水流体的反应效应导致金属硫化物工业堆积 .     

松辽盆地深部地壳构造特征与无机油气生成模式

松辽盆地中地壳有一低速-高导层(也称塑性层),中地壳的塑性层与松辽盆地的成因以及盆山耦合系统有关.盆地地幔流体活动有下列表现:(1)高热流、高地温场;(2)深大断裂与火山岩喷溢;(3)碱交代作用(如钠长石化、伊利石化);(4)Mg2 交代作用(如白云石化)等等.地球化学省与地球化学急变带控制了大油气田的分布并显示了盆地发生的壳-幔相互作用.中地壳的低速-高导层不是岩浆岩,而是一充满地幔流体的地质体,它们富含氢、碱金属(K 、Na )、卤素(F-、Cl-)、碳(甲烷、CO、CO2)、氮、硫等.在中地壳的温度压力条件下,在Fe、Ni等催化荆的参与下,H2与CO(CO2)可发生费-托合成烃的反应.实验表明:这个反应不仅可生成气态烃还可生成液态烃,并将发生碳同位素分馏作用.松辽盆地的U形运移模型受到质疑.按照石油无机生成的模型,松辽盆地的深部将会有更多的石油与天然气,庆深气田的发现便是一个明证.     

超临界地质流体研究进展简介

<正>在地球深部过程前沿研究中,超临界地质流体的作用受到越来越多的关注(倪怀玮, 2020).超临界地质流体(以下简称超临界流体)形成于地球深部高温高压条件下,是岩石组分(硅酸盐±碳酸盐±硫酸盐)与水之间达到完全混溶而形成的一种特殊性质流体.超临界流体的成分变化可以很大(Kessel等, 2005; Zheng等,2011),但是以介于含水熔体与富水溶液之间的中间成分流体最具特征性(Ni等, 2017).在伟晶岩矿床研究中,