《分子水平上研究极高温高压条件下地质流体的性质h2oco2体系pvtx性质的计算机模拟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分子水平上研究极高温高压条件下地质流体的性质h2oco2体系pvtx性质的计算机模拟（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、分子水平上研究极高温高压条件下地质流体的性质： H 2 0 C 0 2 体系P V T x 性质的计算机模拟 张志刚1 ，段振豪1 , 2 1 中国科学院地质与地球物理研究所，岩石圈演化国家重点实验室，北京，1 0 0 0 2 9 2 美国加利福尼亚大学圣迭哥分校化学系，加利福尼亚，C A 9 2 0 9 3 0 3 4 0 H 2 0 C 0 2 流体广泛存在于各种地质环境中，包括中高级变质岩、火成岩和伟晶岩、中- 低温热液 ( 金) 矿床和地热系统等【l ，2 】，它是地质上最重要的- - 元流体体系之一。该体系的压力- 体积- 温度 组成( P V T x ) 性质对于运用流体包裹体分析
2、地质体的形成条件、研究与H 2 0 - C 0 2 流体沸腾相关的矿 物沉积【3 】、研究矿物岩石相互作用以及研究C 0 2 储集【4 】等方面均具有十分重要的意义。近一个世纪 以来，许多实验学家都致力于获取H 2 0 C 0 2 体系的P V T x 数据。如图l 所示，现有的H 2 0 - C 0 2 混合 物实验数据大多都局限于1 0 0 0 0K 和1 0G P a 以下( 相当于上地壳) ，即使在此区域，仍然存在许多 实验空白区。在下地壳和地幔条件下，应当存在大量的C 0 2 和H 2 0 【5 】，而在该温压区域目前没有任 何定量实验数据。各种实验研究仍在向地球科学关注的这些高温高
3、压领域艰难推进，但近期内难以 达到人们所期望的目标。要得到更高温压条件下的定量数据，有必要尝试新的研究途径。 言 皂 钆 丁( K ) 图1 H 2 0 - C 0 2 混合物现有实验数据在温压空间中的分布 近年来，分子水平上的计算机模拟( m o l e c u l a rl e v e lc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，简写为M L C S ) 成为研 究地质流体热力学性质的有效途径，主要原因除了计算机技术的日益强大以外，还在于：( 1 ) M L C S 对实验数据的依赖程度不大。在模拟过程中，可能需要借助少量实验数据得到分子作用势能，但是 一旦势
4、能模型和参数确定下来，通过模拟可以较为准确地预测各种热力学、动力学等方面的性质； ( 2 ) 通过M L C S 可以非常方便地获取在任意温压条件下的微观结构性质，而实验在这方面却往往 遇到许多困难；( 3 ) M L C S 没有温压和介质条件的限制，因此它特别适合于地球和行星内部的研究。 正因为如此，最近我们运用各种先进的计算机模拟技术对H 2 0 C 0 2 体系进行了一系列深入细致 的研究【6 8 】。我们的结果充分表明了M L C S 所具有的良好外延能力和预测能力：首先，通过把模拟 结果与大量实验数据进行对比，我们发现在常温常压下得到的一个水分子模型可以很好地预测高温 高压条件下的
5、P 玎性质【6 】。以如图2 为例，在宽广温压范围内模拟结果十分准确地重现实验数据， 并且随着温压的升高呈现出更为准确的趋势。以此为基础，我们得到一系列更高温高压条件下的模 拟数据，从而把纯水尸阿数据从实验迄今所能达到的最高温压( 6 7 3 1 5K 、5 0G P a 【9 】和1 8 7 3 1 5K 、 2 5G P a 【1 0 】) 拓展到2 0 0 0K 和2 0 0G P a 以上。 喜 差 耋 雪 T e m p e r a t ur e ( K ) 图2 高压下( O 5G P a 到5 0G P a ) 纯水摩尔体积模拟值与实验值对比 其次，我们通过分子动力学和蒙特卡罗模
6、拟，建立了一个C 0 2 分子优化模型【7 】。如图3 和图4 所示，它能同时准确预测C 0 2 的各种物理化学性质( P V T 性质、相平衡、潜热、结构性质和动力学 性质) 。 童 呈 暑 a 图3 用优化模型得到的二氧化碳密度模拟值与实验数据( 使用 1 1 1 提供的精确状态方程光滑) 的对比 等温曲线上的数字是对应的温度值。密度模拟值的不确定度小于相应符号的大小。 3 0 4 在纯体系研究的基础上，我们运用分子动力学模拟的方法进一步研究了宽广温压范围内 H 2 0 C 0 2 混合物的P V T x 性质【8 】。我们采用非线性方法由H 2 0 - C 0 2 量子力学从头算( a
7、bi n i t i o ) 的结 果得到混合作用分子势能面，与大量实验数据的对比表明，此次研究十分准确地重现了世界上许多 实验室几十年以来的实验成果( 如图5 为例) 。我们还提供了大量极高温高压下( 达到1 0 0G P a 、 2 5 7 3 1 5K ) 的P V T x 模拟数据，填补了许多实验空白、补充了地质流体定量研究的数据。 Y 、。， L - - 暑 巴 I - - D e n s i t y ( k g m 3 ) 图4 用优化模型得到的二氧化碳气液共存线与实验值的对比亚临界区域的模拟值不确定度小于相应符号的大小 X C 0 2 ( M o l eF r a c t i o
8、 n ) 图5 H 2 0 - C O z合物模拟结果与迄今最高温压条件下的实验数据1 1 2 l 对比 为了对比方便，实验数据用带误差条的实心符号表示，而模拟值用虚线连接的空心符号表示。 3 0 5 R e f e r e n c e s L a b o t l ( a T C ，C h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f f l u i d s R e v i e w s i n M i n e r a l o g y , 1 9 9 1 2 6 ：P 4 3 - 1 0 4 R o e d d e r E 胁
9、i di n c l u s i o n s R e v i e w si nM i n e r a l o g y 、b 1 1 Z1 9 8 4 ，W a s h i n g t o n , D C ：M i n e r a l o g i c a lS o c i e t yo f A m e r i c a D r u m m o n d S E a n dH O h m o t o , C h e m i c a le v o l u t i o na n dm i n e r a ld e p o s i t i o ni nb o i l i n gh y d r o t h e
10、 r m a ls y s t e m s E c o n o m i cG e o l o g y , 1 9 8 5 8 0 ：P 1 2 6 - 1 4 7 H a u g a n ，P I M a n dH D r a n g e ，S e q u e s t r a t i o no f c D 2i nt h e 出印o c e a n 砂s h a l l o wi n j e c t i o n N a t u r e ，1 9 9 2 3 5 7 ( 6 3 7 6 ) ：P 31 8 - 3 2 0 N a v o n ，N ，K - B D a v i d , a n d
11、E S I z r a e l i ，D i a m o n d - f o r m i n g f l u i d s G c o c h i m i e ae tC o s m o c h i m i e aA c t a ，2 0 0 4 6 8 ( I1 ) ：P A 2 7 7 Z h a n g ，Z a n dZ D u a n ，I s o t h e r m a l - i s o b a r i cm o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n so f t h eP V T p r o p e r t i e so
12、f w a t e r o v e rw i d e r a n g eo f t e m p e r a t u r e sa n d p r e s s u r e sP h y s i c so f t h eE a r t ha n dP l a n e t a r yI n t e r i o r s , 2 0 0 5 1 4 9 ：P 3 3 5 - 3 5 4 Z h a n g ，z a n d z D u a n ，A n o p t i m i z e d m o l e c u l a r p o t e n t i a l f o r c a r b o n d i
13、o x i d e ，J o u r n a lo f C h e m i c a l P h y s i c s ，2 0 0 5 1 2 2 ：P 2 1 4 5 0 7 8 D u a n Z 。Z Z h a n g a n dJ H u 。P y T 工p r o p e r t i e so f t h eH , O - C 0 2s y s t e m 印l ol o 0G P aa n d2 5 7 3 1 5K ：M o l e c u l a r d y n a m i c ss i m u l a t i o n s w f 珐口6 i n i t i o p o t e
14、 n t i a l $ “r f a c e S u b m i t t e d t o G e o c h i m i c ae t C o s m o e h i m i c a A e t a , 2 0 0 5 9 A b r a m s o n E H a n dJ M B r o w n E q u a t i o no f s t a t eo f w a t e rb a s e do ns p e e d ro f s o u n dm e a s u r e di nt h ed i a m o n d - a n v i l c e l l G e o c h i m
15、i C o s m o c h i m i A e t a , 2 0 0 4 6 8 ( 8 ) ：p 1 8 2 7 一1 8 3 5 1 0 B r o d h o I t , J P a n dB J W o o d ，M e a s u r e m e n t so f t h eP V T p r o p e r t i e so f w a t e rt o2 5k b a r sa n d1 6 0 0C f r o ms y n t h e t i c 刀h 埘 i n c l u s i o 埘i nc o r u n d u m G e 0 C h i m i C o s
16、 m o c h i m i A c t a ，1 9 9 4 5 8 ( 9 ) ：P 2 1 4 3 2 1 4 8 1 1 S p a n I La n dw ：W a g n e r , An e we q u a t i o no f s t a t ef o rc a r b o nd i o x i d ec o v e r i n g 腩ef l u i dr e g i o nf r o mt h et r i p l e - p o i n t t e m p e r a t u r e t 0 1 1 叩K a t p r e s s u r e s 妒t 0 8 0 0 M J P h y s C h e m R e D a t a , 1 9 9 6 2 5 (
