高温高压下CO2-H2O-NaCl水溶液性质研究及其成矿作用

本书得到的结论如下：

（1）CO2-H2O-NaCl体系P-V-T-x性质国内外研究现状为，一元体系的P-V-T性质研究已经十分成熟，已发表的模型大致在0～350MPa、273.15～1273.15K范围内具有很好的预测能力；CO2-H2O和H2O-NaCl二元体系、H2O-NaCl体系的研究相对较成熟；CO2-H2O体系的P-V-T-x性质的研究报道中，高压下相平衡数据稀少，可靠性有待进一步检验；273.15～473.15K、40MPa以上的体积/密度数据匮乏，P、V、T、x依赖关系认识不足。CO2-H2O-NaCl三元体系体积性质相关的实验数据匮乏，能在广泛温、压和组分下预测该体系P-V-T-x性质的准确模型还没有。

（2）CO2-H2O-NaCl体系P-V-T-x性质国内外相关的研究方法常见的有恒体积法（CVP）、变体积法（VVP）、液压称重技术（HWT）、摇管型密度计（VTD）及合成流体包裹体技术（SFI）等。相比这些方法，本书发展的透明管式高压腔（HPOC）原位观测方法相对传统的测量方法具有测试效率高、数据准确性好等优势。采用微流体技术整合原位观测方法是流体性质研究未来重要的发展方向之一。

（3）HPOC测量流体体积性质是在测量样品体积变化的基础上建立的。由于样品管横截面积的微小变化难以观测，所以实验测量的数据为一系列长度数据。这些长度数据以298.15K的长度数据为参照，得到长度变化率。经系统校正，以前人已经准确测量的298.15K下的密度或摩尔体积数据为参照，将长度变化率数据转化为密度/体积数据。本书所得到的Raman光谱进行的处理为积分和Gaussian拟合。

（5）笔者就H2O、CO2、CO2-H2O和CO2-H2O-NaCl三元体系的Raman光谱研究发现，首先，水结构随温度的升高遭受显著的破坏，其直接原因在于∠O—O—O键角和R（O…O）键长的变化，结果完全氢键化水（FHW）向部分氢键化水（PHW）构型转化。第二，随温度升高，由于H2OH2O、Cl--H2O和Na+-Cl-相互作用的密度发生变化，NaCl对水结构的破坏行为逐渐削弱，直至513K消失。第三，饱和浓度CO2对（NaCl-）H2O溶液的Raman光谱影响微弱，证明CO2与水分子之间主要以范德华力为主，无明显CO2-Na+/Cl-/NaCl相互作用。第四，353K以上CO2的Raman光谱热带（hot bands）明显增强，揭示CO2分子结构可能受热弯曲，极性增加，进而在水中的溶解能力增强。因此，CO2-H2O-NaCl体系的P-V-T-x行为特征取决于H2O-H2O、H2O-CO2、Cl-H2O和Na+-Cl-相互作用。进而，基于分子水平的CO2-H2O-NaCl体系P-V-T-x模型的建立需考虑物质内部结构随温度的变化。

（6）本书建立的CO2-H2O-NaCl体系的EOS计算的流体包裹体的等容线结合Raman光谱测量可准确确定流体包裹体的物理化学条件。CO2加入热液成矿流体，若T热液＞Tt，CO2导致流体的密度下降；T热液＜Tt，CO2增加含水流体的密度。在浅成低温热液条件下，CO2可促进成矿流体聚集在Tt附近形成有利成矿位点。同时，CO2促进流体相分离，有利于矿质的沉淀和富集。在深部高温环境下，CO2可促使成矿流体快速向上迁移至更大的纵向空间内，并导致强烈的流体局部对流，有助于斑岩矿床中的热液蚀变和细脉浸染状矿石的形成。因此，CO2在成矿流体中可显著影响流体的状态，促进成矿作用过程。(www.xing528.com)

开展CO2地下盐水封存时，需考虑CO2-H2O-NaCl体系转折温度对CO2注入后的主要封存机制的影响，应当充分考虑温度、压力和盐度条件选定合适的封存实施位点，以保证CO2封存的储存能力、储存效率和长期安全性。另一方面，数值模拟表明，基于本实验数据建立的模型相对Duan_08年模型在计算CO2地下咸水层封存上更具可靠性。

限于时间精力，笔者研究还有以下不足：①由于汞封样品的测量偏差的原因未知，本书测量未能拓展到513.15K以上的高温条件；②发展的EOS经验性较强，未采用其他热力学模型进行对比分析；③未开展富CO2相的P-V-T-x实验测量；④理论分析只是初步的探讨，有些推论依据不足；⑤未全面研究地质关心的其他体系，如CO2-H2O-CaCl2，因此所得认识有限。因此，笔者提出如下建议：①改进HPOC测量流体P-V-T-x性质的技术，可用类似于摇管型密度计的原理增加原位绝对密度测量设备（如光谱）；②拓展HPOC技术测量573.15K以上CO2-H2O-NaCl体系富CO2相的相平衡数据和体积数据，进而发展广泛模型；③深化该体系的定性研究，补充基于Raman光谱的模拟计算。

CO2-H2O-NaCl体系仅为各种地质流体体系的代表之一，但本书有关其结构和性质的探讨与研究的思路方法可以推及其他体系，即运用精确测量设备获取实验数据，结合状态方程等理论模型模拟揭示实验数据的规律，再经过对体系的结构分析论证相关认识的可靠性和外推性，最终得到研究对象结构和性质的一般规律。高温高压水溶液结构和性质的研究不仅是地质学领域的重要关注点，也是人们认识自然界大千万物重要的内容之一。因此，我们也希望通过不断发展新的实验技术和理论模型，人们能在高温高压下物质结构和性质方面取得更多新的探索和认知。