《分子水平上研究地质流体的物理化学性质》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分子水平上研究地质流体的物理化学性质（207页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要地质流体普遍存在于地球各层圈中， 它是物质传输、 能量传递和各种地球化 学作用 过 程的 载体和介质， 研究地质流体的物理化学性质和地球化学行为是地球系统科学 研究 所面 对的 挑战性课题之一。 与诸如实验和物理化学建模等传 统研究方法相比， 分子 水平 上的 计算机模拟在解决极端条 件下 流体体系物理化学 性质方面表现出明显的 优势， 成为 定 量研究地球内 部不同 层圈中 地质流体 特点及其作 用规律的 有效 途径。本博士论文运用先进的分子动力学和蒙特卡罗计算机模拟技术系统深入地研究了 典 型地质流体体系的 物理化学 性质， 主要成果可概括为: ( 1 ) 利用蒙特卡罗计 算机模拟 方
2、 法， 成功地模拟了C 14 4 -C 2 14 6 . C 0 2 等体系的相平衡和 相变， 取得了 与实 验一致的结 果， 从而在计算机上实现了 相平衡研究; ( 2 ) 通过分子动力 学模拟研究了H 2O的物 理化学 性质， 把纯水的P V T 数据从实 验所允许的温压范围扩展 到2 0 0 0 K . 2 0 万大气压; ( 3 ) 通过分子动力学和蒙特卡罗 模拟，建 立了一个 C O : 分子模型，它能同时准确预测 C 仇 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) ;( 4 ) 在纯 体系研究的基础上， 用非线 性拟合法由C 0 2 -H 2
3、 0的 量子力学a b i n it i。 计算结果 得到混合 体 系分子势能面， 在此基础上用分子 动力学模拟预测了 C 0 2 -H 2 0混合物在高温高 压条 件下的P V T X 性质，不仅重现了 世界上许多实验室几十年以 来的实验成果， 而且 填补了 许多实验空白、 补充了地质流体定量研究的 数据; ( 5 ) 通过 分子动力学模拟研究 金属离 子 在水溶液中的 性质， 得到了与实验一致的离子周围水化结构和动力学性质， 还 进一 步 研究了 金属离子在水溶液中的 缔合作 用和迁移性质， 系统地分析了 离子缔合过程中的 微 观 结构变化以 及外界 温压条 件对其影响，从而为成 矿元素的
4、 迁移研究提供了 新的 方法。关 键词: 地质流体，分 子动力 学，蒙 特卡罗，相平衡， P V T 性质M o le c u l a r l e v e l s tu d y o n th e p h y s ic o c h e m i c a l p r o p e r ti e s o f g e o lo g ic a l fl u i d sZ h i g a n g Z h a n g ( G e o c h e m i s t ry) D i r e c t e d b y P rof Z h e n h a o D u a nAb s t r a c tG e o lo g
5、i c a l fl u id s e x is t in e v e r y g e o sp h e re o f t h e E a r th a n d p la y im p o rt a n t ro le s in m a n y p r o c e s s e s o f m a te r ia l tr a n s f o r m a t io n s , e n e rg e tic in t e rc h a n g e s a n d g e o c h e m ic a l in te r a c t io n s . T o s t u d y t h e p h
6、y s ic o c h e m ic a l p ro p e r tie s a n d g e o c h e m ic a l b e h a v io r s o f g e o lo g ic a l fl u id s tu rn o u t t o b e o n e o f t h e c h a l l e n g i n g i s s u e s i n g e o s c i e n c e s . C o m p a r e d w i t h c o n v e n t i o n a l a p p r o a c h e s o f e x p e r im
7、e n t s a n d se m i- th e o r e t ic a l m o d e lin g , c o m p u te r s im u la t io n o n m o l e c u la r l e v e l sh o w s it s a d v a n t a g e s o n q u a n t ita tiv e p re d ic ti o n s o f t h e p h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r tie s o f g e o lo g ic a l fl u id s u n d e r e
8、x tr e m e c o n d it io n s a n d e m e r g e s a s a p r o m i s in g a p p ro a c h to f in d th e c h a r a c te ri st ic s o f g e o l o g ic a l fl u id s a n d th e ir in te r a c t io n s in d iff e r e n t g e o s p h e r e s o f t h e E a r th i n t e r i o r .T h is d is s e r ta tio n s
9、y s te m a t ic a lly d is c u s s e s t h e p h y s i c o c h e m ic a l p r o p e rt ie s o f t y p i c a l g e o lo g ic a l fl u id s w ith s ta t e - o f -t h e - a r t c o m p u t e r s im u la t io n te c h n iq u e s . T h e m a in r e s u lts c a n b e s u m m a r iz e d a s f o ll o w s :
10、( 1 ) T h e e x p e r im e n ta l p h a s e b e h a v io rs o f th e s y s te m s C H 4 - C 2 116 a n d C 0 2 h a v e b e e n s u c c e s s f u l ly re p ro d u c e d w it h M o n te C a r lo s im u la tio n s . ( 2 ) T h r o u g h c o m p re h e n s iv e i s o th e rm a l -i s o b a r ic m o le c u
11、 la r d y n a m ic s s im u la t io n s , th e P V T d a t a o f w a t e r h a v e b e e n e x t e n d e d b e y o n d e x p e r im e n ta l ra n g e to a b o u t 2 0 0 0 K a n d 2 0 G P a a n d a n im p ro v e d e q u a ti o n o f s ta te fo r w a te r h a s b e e n e s ta b lis h e d . ( 3 ) B a s
12、 e d o n e x te n s iv e c o m p u t e r s im u la t io n s , a n o p tim i z e d m o le c u l a r p o t e n t ia l fo r c a rb o n d io x id e h a v e b e e n p r o p o s e d , th i s m o d e l is e x p e c te d to p r e d i c t d iff e r e n t p r o p e r t ie s o f c a rb o n d i o x i d e (v o l
13、u m e tr ic p r o p e r tie s , 灿a s e e q u ilib r ia , h e a t o f v a p o r iz a t io n , s tr u c tu r a l a n d d y n a m ic a l p r o p e rt ie s) w ith i m p r o v e d a c c u ra c i e s . (4 ) O n th e b a s is o f t h e a b o v e r e s e a r c h e s o f th e e n d -m e m b e r s , a s e t o
14、 f p a r a m e t e r s f o r u n lik e in t e r a c ti o n s h a s b e e n p r o p o s e d b y n o n - li n e a r fitt in g to t h e a b in it io p o te n t ia l s u r f a c e o f C 0 2 - 11 2 0 a n d is s u p e r io r to t h e c o m m o n u s e d m ix in g r u le a n d th e r e s u lt s o f p r io
15、r w o r k e r s w i t h r e m a r k a b l e a c c u r a c i e s , t h e n a n u m b e r o f s i m u l a t i o n s o f t h e m i x t u r e h a v e b e e n c a r r i e d o u t t o g e n e r a t e d a t a u n d e r h i g h t e m p e r a t u r e s a n d p res s u r e s a s a n i m p o r t a n t c o mp l
16、 e m e n t t o t h e lim ite d e x p e r im e n ts . ( 5 ) With m o le c u la r d y n a m ic s s im u la tio n s , v a r io u s s tru c t u r a l, d y n a m ic a l a n d th e r m o d y n a m ic a l p ro p e r tie s o f i o n ic s o lv a ti o n s a n d a s s o c ia t io n s h a v e b e e n c o m p r e h e n s iv e l y a n a ly z e d , th e s e re s u lt s n o t o n ly a g r e e w e ll w ith e x p e r im e n t a l d a ta a n d f ir s t p r in c i p le c a lc u la t io n r e s u l ts , b u t a l s
