CH4、CO2与稀有气体溶解度的估算模型及其地质应用

CH₄、CO₂、稀有气体的溶解度模型在地球科学领域应用广泛。它们的溶解度模型在研究流体包裹体的均一化压力、古气温变化、天然气运移与聚集规律、富氦天然气成藏、储层中气—水体积比等方面发挥着重要作用。主要综述了纯水与NaCl水溶液中CH₄、CO₂、稀有气体溶解度研究的新进展。重点介绍了精度高且适用性广的模型的建立过程及其适用范围,并给出了部分模型的计算结果。包括：①0~250 °C、0.1~200 MPa、0~6.0 mol/kg NaCl溶液中CH₄的溶解度模型;②0~450 °C、0.1~150 MPa、0~4.5 mol/kg NaCl溶液中CO₂的溶解度模型;③0~80 °C范围内大气稀有气体溶解度与亨利常数的计算模型;④纯水中稀有气体亨利常数计算模型;⑤0.1 MPa、0~65 °C、0~5.8 mol/kg NaCl溶液中稀有气体的溶解度模型。CH₄与CO₂的溶解度模型复杂,但精度高,适用范围广。稀有气体溶解度模型的精度相对较低,适用范围相对较小,有待进一步提高与改进。CO₂—稀有气体—水体系中,低密度的CO₂对稀有气体溶解度的影响较小,而高密度的CO₂对稀有气体的溶解度有较大的影响。目前还无法判断CH₄—CO₂—稀有气体共存时对彼此溶解度的影响程度,其混合气的溶解度模型需要加强研究。     

天然土壤胶体对U(Ⅵ)迁移的影响

以石英砂为填充介质,采用动态柱实验方法研究了某中低放处置场地表土壤胶体对U(Ⅵ)在石英砂柱中迁移行为的影响,并结合静态批式实验探究了土壤胶体对U(Ⅵ)迁移的影响机制。结果表明,当U(Ⅵ)进样质量浓度从1.0 mg/L增大至5.0 mg/L时,U(Ⅵ)在石英砂柱中的穿透速率显著增大,且达到洗脱平衡时所需淋洗液的体积从250 PVs（孔隙体积）增大至400 PVs。与U(Ⅵ)相比,土壤胶体在石英砂柱内迁移较快,这可能是由于土壤胶体与石英砂之间相互作用较弱所致。土壤胶体与U(Ⅵ)共存体系中,U(Ⅵ)的迁移速率明显增大,而土壤胶体迁移速率无显著变化,表明共存体系中U(Ⅵ)的迁移行为主要受土壤胶体所控制。静态吸附实验表明,在石英砂-U(Ⅵ)二元体系中,pH≈6.0时石英砂对U(Ⅵ)的吸附率最大,而在胶体-石英砂-U(Ⅵ)三元体系中,U(Ⅵ)主要在土壤胶体表面发生吸附。本研究所用土壤中胶体的质量分数仅约占0.04%,但可吸附20%U(Ⅵ)（初始质量浓度为5.0 mg/L）;由此可见,土壤胶体可与U(Ⅵ)发生强的相互作用,进而对U(Ⅵ)在真实环境体系中的吸附、迁移和扩散等行为产生至关重要的影响。     

天然土壤胶体对U(Ⅵ)迁移的影响

以石英砂为填充介质,采用动态柱实验方法研究了某中低放处置场地表土壤胶体对U(Ⅵ)在石英砂柱中迁移行为的影响,并结合静态批式实验探究了土壤胶体对U(Ⅵ)迁移的影响机制。结果表明,当U(Ⅵ)进样质量浓度从1.0 mg/L增大至5.0 mg/L时,U(Ⅵ)在石英砂柱中的穿透速率显著增大,且达到洗脱平衡时所需淋洗液的体积从250 PVs（孔隙体积）增大至400 PVs。与U(Ⅵ)相比,土壤胶体在石英砂柱内迁移较快,这可能是由于土壤胶体与石英砂之间相互作用较弱所致。土壤胶体与U(Ⅵ)共存体系中,U(Ⅵ)的迁移速率明显增大,而土壤胶体迁移速率无显著变化,表明共存体系中U(Ⅵ)的迁移行为主要受土壤胶体所控制。静态吸附实验表明,在石英砂-U(Ⅵ)二元体系中,pH≈6.0时石英砂对U(Ⅵ)的吸附率最大,而在胶体-石英砂-U(Ⅵ)三元体系中,U(Ⅵ)主要在土壤胶体表面发生吸附。本研究所用土壤中胶体的质量分数仅约占0.04%,但可吸附20%U(Ⅵ)（初始质量浓度为5.0 mg/L）;由此可见,土壤胶体可与U(Ⅵ)发生强的相互作用,进而对U(Ⅵ)在真实环境体系中的吸附、迁移和扩散等行为产生至关重要的影响。     

矿物中氦的扩散过程及控制因素研究进展

研究氦在矿物中的初次运移过程是认识氦气成藏机制的基础。研究对氦的产生、扩散和释放过程及主要控制因素进行了系统综述。放射性元素U和Th发生α衰变后,产生的氦在晶格中可发生间隙迁移、与缺陷位复合,并通过自捕陷、迁移合并或热融合方式形成氦泡并长大,氦泡贯通后促进氦释放。氦也可通过α衰变形成的裂变径迹释放。氦源岩组成与晶体结构不同时,矿物对氦的封存能力存在显著差异;高温有利于氦的扩散与氦泡的长大,促进氦的释放;压裂及矿物转化过程也可引起氦的迅速释放。阐明氦初次运移的微观过程与主控因素,可为系统认识氦气的来源、运移聚集等成藏过程,以及氦气成藏理论的建立提供重要的理论基础。     

ZSM-5分子筛表面酸碱性质及对Co~(2+)的吸附

采用XRD、FTIR和酸碱滴定等手段对ZSM-5分子筛性质进行研究。采用静态批实验方法研究pH值、离子强度、固液比、平衡时间和Co2+浓度等因素对Co2+在ZSM-5分子筛表面上吸附的影响。结果表明,ZSM-5分子筛对Co2+具有较好的吸附能力和吸附容量;在低pH值下ZSM-5分子筛表面吸附位是以XH、YOH、YO-、YOH2+和XNa形态为主;而在高pH值条件下以YO-和XNa两种形态为主。Co2+在ZSM-5分子筛上的吸附符合准二级动力学;吸附作用受离子强度和pH值影响比较明显。在低pH值下,Co2+主要与ZSM-5分子筛表面发生离子交换作用(X2Co);在高pH值下以表面络合吸附为主(主要形成YOHCo2+和YOCo+两种形态)。     

放射性核素在氧化物、磷酸盐和黏土矿物表面吸附：热力学和微观结构认识

本文主要以放射性核素在氧化物、磷酸盐和黏土矿物表面上吸附研究为例,概括了放射性核素在固液界面上吸附行为研究的系统方法。主要分为以下7个步骤进行介绍:(1)吸附剂结构、形貌、拓扑性质的表征;(2)吸附剂表面电荷性质表征;(3)表面质子化和去质子化反应的平衡常数;(4)pH、离子强度、吸附质浓度和天然有机质等对放射性核素在固液界面吸附影响;(5)放射性核素在固液界面上的微观形态和空间结构等信息;(6)利用表面配位模型探讨放射性核素在固液界面的吸附机理;(7)采用先进光谱表征技术和量子计算技术对所得吸附机理进行分子或原子水平上的论证。     

常规天然气伴生氦气成藏条件

氦气作为一种稀有战略资源,关系国家安全和高新技术产业发展。在总结前人成果的基础上,对柴达木盆地北缘地区各气田的氦气含量及同位素进行了分析,试图探讨常规天然气藏中的氦气成藏条件。结果表明：东坪气田的氦气含量介于0.012%~1.07%之间,平均为0.24%。利用壳—幔二元混合模式计算天然气中幔源氦的贡献比例,发现幔源氦的比例介于0.01%~0.84%之间,平均为0.3%;R/Ra值介于0.003 5~0.059 2之间,平均为0.022 6,属于典型的壳源氦。研究区氦气含量与甲烷含量呈明显负相关,与氮气含量呈正相关关系。异常高温扰动有利于促进研究区基岩中氦气发生初次运移,马北气田与牛东气田氦气富集离不开地层水作为有效载体,而东坪气田氦气富集的载体需进一步研究。壳源成因的氦可能主要来源于基底富U、Th的花岗岩和片麻岩的放射性衰变,载氦流体运移通道主要是山前深大断裂和不整合面,盖层分为基岩上覆的含膏泥岩和泥岩的区域盖层,以及咸水下渗形成的基岩顶封式局部盖层2种,这些有利的成藏条件为研究区氦气富集提供了良好的地质基础。体积法得出研究区氦气资源量约为27×10⁸ m³,每克岩石平均每年产生⁴He量约为（12.61~121.95）×10^-20 m³,平均为48.81×10^-20 m³。     

UO22+在Ca型石灰性土壤上的吸附行为

采用静态批式法对UO₂²⁺在Ca型石灰性土壤上的吸附行为进行了研究,考察了接触时间、固液比、pH和富里酸(FA)对UO₂²⁺在Ca型石灰性土壤上吸附和解吸的影响。研究结果表明,UO₂²⁺在Ca型石灰性土壤上的吸附在约5h内可达吸附平衡,且符合准二级动力学模型。UO₂²⁺在Ca型石灰性土壤上的吸附为不可逆过程;但当FA浓度增至10mg/L时,UO₂²⁺在土壤表面的解吸作用明显增强。     

离子强度、温度、pH和腐殖酸浓度对Th(Ⅳ)在凹凸棒石上吸附的影响

用静态批式的方法研究了pH值、离子强度、温度和腐殖酸浓度等因素对Th(Ⅳ) 在凹凸棒石上的吸附、解吸的影响.结果表明,pH值对Th(Ⅳ) 在凹凸棒石上的吸附有显著影响,而离子强度对吸附的影响却相对较弱;Th(Ⅳ)在凹凸棒石表面的吸附主要通过内层络合形式进行,而外层络合和离子交换只是微弱的作用;当pH=1.80时,富里酸(FA)和胡敏酸(HA)对吸附亦有促进作用;升高温度有利于Th(Ⅳ) 在凹凸棒石上的吸附,通过热力学数据ΔH, ΔS和ΔG分析发现,Th(Ⅳ) 在凹凸棒石上的吸附是一个吸热且自发的过程;同时,Th(Ⅳ)在凹凸棒石上的吸附过程是不可逆的.     

U(Ⅵ)在Na-凹凸棒石黏土上的吸附

采用批式法研究了U(Ⅵ)在Na-凹凸棒石黏土上的吸附行为,结果表明,U(Ⅵ)在Na-凹凸棒石黏土上的吸附动力学速度快,且符合假二级动力学方程。探讨了吸附接触时间、离子强度、pH值、富里酸(FA)及温度等因素对吸附的影响。结果发现:在pH<5.5时,随NaCl浓度的增大,U(Ⅵ)在Na-凹凸棒石黏土上的吸附率减小,pH>8.0时,随NaCl浓度的增大,U(Ⅵ)的吸附率反而增大;在pH<6.0时,吸附率随pH值增大而增大,pH>8.0时,吸附率随pH值的增大而减小;在高pH值下,U(Ⅵ)在Na-凹凸棒石黏土上的吸附机理可能主要是表面配合作用,而在低pH值下,其吸附机理可能主要是离子交换作用;高温有利于U(Ⅵ)在Na-凹凸棒石黏土上的吸附,且该吸附是吸热的、自发的过程;FA对吸附有明显的促进作用。