黑龙江乌拉嘎金矿成矿热力学参数研究

本文通过对前人工作的总结,在研究矿物共生关系的基础上将乌拉嘎金矿床的成矿作用过程划分为3个成矿阶段,然后利用热力学数据计算出了各个阶段的成矿热力学参数。第1阶段:黄铁矿-早期白色玉髓状石英阶段,Eh范围在-0.5~+0.3 V之间,处于弱还原环境,硫逸度应大于10~(-23);第2阶段:烟灰色玉髓状石英-多金属硫化物阶段,在低温时成矿环境为中酸性(pH=4),弱还原环境(Eh值为-1.0~-0.3 V),硫逸度范围应大于10~(-40),但不会超过10~0。同前一阶段相比,硫逸度下限降低;第3阶段:碳酸盐-石英阶段,碳酸盐矿物的出现预示着成矿已接近尾声,成矿介质的pH值逐步从酸性(pH=3)向中酸性(pH=5)转变,成矿Eh值也从弱还原(-0.5 V)向弱氧化(+0.3 V)过渡,硫逸度下限范围大约在10~(-23)左右,不超过10~0,而氧逸度范围在10~(-20)加左右。这对于深入探讨热液成矿作用过程具有重要参考价值。     

致密砂岩水压瞬态致裂液化格子波尔兹曼及有限元数值研究

水压瞬态致裂液化在地应力测量、 地震破坏评估和机理研究、 油气(天然气、 页岩气)及地热资源开发等地学领域都具有重要的理论和应用价值。 自20世纪60年代至今在理论和实际应用方面取得了一些奠基性和开创性成果, 但鉴于问题复杂性, 瞬态致裂液化机理至今尚不清楚。 本研究应用格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合物理模型, 对地震波载荷作用下致密砂岩水压瞬态致裂液化过程进行数值模拟研究。 首先, 以鄂尔多斯盆地某油田延长组致密砂岩为例, 利用X射线CT断层成像技术, 应用基于量子力学第一性原理格子波尔兹曼方法, 建立致密砂岩数字岩芯模型。 进而, 推导格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合数值模型公式, 建立致密砂岩水压致裂液化物理模型。 最后, 应用地震波载荷边界和初始条件, 模拟瞬态致裂液化流固耦合过程, 讨论了地震波载荷幅值、 频率及作用时间对致密砂岩孔隙结构(孔隙度大小及连通性)、 致密砂岩破裂最大主应力之间关系, 得到了地震波作用下致密砂岩致裂液化准则。     

影响b值计算误差的Monte Carlo实验研究

本文假设地震的发生与时间的关系遵循稳态泊松模型,假设地震震级M服从参数为1/β的指数分布,其中β=b/loge,在此基础上生成地震目录.用最小二乘法估算b值,分别从样本数量、震级间隔、震级误差三方面分析b值误差的大小.统计分析结果表明,b值的标准偏差随着样本数量的增多而减小;随着震级间隔的增大而减小;震级误差使b值的标准误差变大.本文可以为利用真实地震目录求b值时选择适当的方法提供参考.     

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。     

利用矿物共生关系确定成矿条件——以海沟金矿为例

研究矿物共生关系是揭示成矿地球化学条件的基础,是探讨矿床形成环境的一个重要方面,它对发展成矿理论起着重要作用.本文以海沟金矿为例,在广泛收集最新热力学数据的基础上,利用矿物共生关系相图初步确定了海沟金矿成矿的物理化学条件.成矿过程可分为4个阶段:石英-钾长石阶段,偏碱性(pH值7.1～9.2),弱氧化到弱还原环境(Eh值-0.3～ +0.5 V);金-石英-黄铁矿阶段,属中酸性弱氧化-弱还原环境;金-多金属硫化物-石英阶段,中酸性(pH值4左右),弱还原环境(Eh值＜-0.2 V);金-石英-碳酸盐阶段,从高温到低温逐步从pH=4.5转变为pH=5.3,而成矿的Eh值也从弱还原(-0.3 V)向弱氧化(+0.5 V)过渡.     

冷泉形成的数值模拟研究

海底冷泉形成的一种可能机制是海平面下降引起天然气水合物的分解.本文基于对冷泉渗漏特征的分析,建立了二维轴对称模型,利用有限元方法定量分析了南海区域海平面下降对冷泉形成的影响.结果表明,末次冰盛期(26.5~19.0ka BP)海平面下降引起的冷泉活动可以持续到现在,但是从水合物停止分解至今,超孔隙压力的极值在持续减小,而流体向海底的渗漏达西速度先快速减小、然后缓慢减小.同时发现,流体向海底的渗漏达西速度与管状通道的渗透率、通道周围介质的渗透率以及通道的半径等有关,估计目前的冷泉活动还可以持续10000年以上.海平面下降引起的天然气水合物分解,可能是影响全球气候变化的一个重要因素.     

基于B3LYP/LanL2DZ和B3LYP/aug-cc-pVTZ方法计算铜络合物的铜同位素分馏

铜的氯络合物和硫氢络合物是铜在成矿流体中稳定存在并参与地球化学迁移的重要形式;文中利用量子化学方法B3LYP/LanL2DZ和B3LYP/aug-cc-pVTZ研究计算了Cu+络合物(CuCl、[CuCl2]-、[CuCl3]2-、CuCl(H2O)(真空)、CuHS,0~600℃)和Cu2+络合物(CuCl+、CuCl2(真空)、CuOH+、CuHS+、Cu(HS)2,0~300℃)的简约配分函数比。然后对比前人的理论与计算成果,讨论了不同基组方法计算铜络合物的铜同位素分馏的适应性。计算结果表明:利用LanL2DZ得到的Cu+氯络合物的分馏结果103lnβ65-63比应用其他方法计算的结果偏大;而基于LanL2DZ基组计算Cu2+络合物的结果比aug-cc-pVTZ基组偏小。利用赝势基组LanL2DZ计算铜同位素分馏和实验结果偏差比较大,可能的原因是基于赝势基组LanL2DZ对上述络合物开展结构优化时,键长值比实验值偏大所致。因此,从理论计算上看,利用6-311+G(d,p)基组可能更适合铜络合物的铜同位素分馏计算。虽然这些不同基组计算的结果存在差异,但与前人的实验结果相比,各种理论计算结果都在误差允许范围之内。鉴于此,在利用第一性原理计算同位素分馏系数时,如果计算条件允许,最好利用多种基组计算并作对比分析。     

含Cu硫化物中S、Fe同位素分馏系数的第一性原理计算

Cu在自然界主要以硫化物的形式存在,目前只确定了几种含Cu硫化物的S同位素分馏系数以及黄铜矿的Fe同位素分馏系数,而且不同研究者确定的系数有很大的差别,使得S、Fe同位素在研究铜矿床的形成、演化等方面不能很好地发挥示踪作用。因此,本文基于第一性原理计算确定了0~1 000℃温度范围内主要含Cu硫化物的S同位素简约配分函数比（10³lnβ_34-32）,以及Cu-Fe硫化物的Fe同位素简约配分函数比（10³lnβ_57-54）。重S同位素在这些含Cu硫化物中的富集顺序为铜蓝>方黄铜矿>黄铜矿≈黑硫铜镍矿>斑铜矿>辉铜矿,重Fe同位素在Cu-Fe硫化物中的富集顺序为方黄铜矿≈黄铜矿>低温斑铜矿>高温斑铜矿>中温斑铜矿>Cu₈Fe₄S₈（中温斑铜矿的可能变体）。含Cu硫化物的10³lnβ_34-32与S原子的配位数、金属-S平均键长、S原子形成的所有化学键的平均键长没有明显的相关性,而Cu-Fe硫化物的10³lnβ_57-54与Fe—S平均键长基本成线性负相关关系。辉铜矿相变引起的S同位素分馏特别大,而斑铜矿相变时产生的S同位素分馏却可以忽略不计。本文的计算结果将会为探讨斑岩铜矿及其它类型的硫化物矿床的成因提供支持。     

含湿孔隙岩石有效热导率的数值分析

本文采用有限元方法研究含湿孔隙岩石的有效热导率,即随机划分网格并指定材料性质,建立三维含湿孔隙岩石的有限元模型,模型的上下表面施加不同的温度,侧面绝热,计算出总热流,然后结合上下表面的温度梯度计算出岩石的有效热导率.考虑到单个随机模型不一定具有代表性,对给定的孔隙率和饱和度均生成了200种矿物、水、空气随机分布的岩石模型,进行Monte Carlo实验和统计分析,统计分析结果与前人实验结果吻合良好.数值分析结果表明,孔隙岩石的有效热导率与岩石的孔隙率、饱和度、固体矿物组分及孔隙的分布情况有关,数值计算的误差随着网格数目的增加而减小.此有限元方法可以用来估算岩石的有效热导率,在已知组分性质的多矿物岩石物性计算方面有广阔应用前景.