PRB处理酸性矿山废水的地球化学反应模拟研究

随着工业的迅速发展,矿产资源的需求也随之增加,采矿过程中产生的酸性矿山废水(Acid Mine Drainage,AMD)对周围环境具有严重危害性,可渗透反应墙(Permeable Reactive Barrier,PRB)通过下放置反应材料,利用自然水力梯度拦截污染羽流,该技术已成为有效处理AMD的手段之一。为研究PRB内化学反应堵塞对其处理效果的影响,搭建了规模为60 cm×15 cm×20 cm的箱体装置,模拟石灰石PRB处理AMD的过程;基于箱体实验得到的数据,并利用化学反应输运模型理论开发了一种新的地球化学算法,来描述PRB处理AMD过程中可能会发生的化学反应,最后通过MODFLOW和RT3D的耦合模拟并预测PRB有效处理污染物质的最大寿命。结果表明:①有效地模拟出了PRB中石灰石的酸性中和能力及其对酸性废水中总铁、Al^(3+)的去除效果,并且很好地反映出PRB系统的化学堵塞过程;②模拟结果与实测值吻合程度较好。进口区域、中间区域以及出口区域3个不同位置处出水的pH实测值与预测值的最大误差分别为0.38、0.30和0.29,总铁质量浓度实测值与预测值的最大误差分别为1.570、0.102和0.124 mg/L,Al^(3+)质量浓度实测值与预测值的最大误差分别为1.010、0.374和0.160 mg/L;③预测结果表明,该实验室规模的PRB装置在前30 d出水中的总铁和Al^(3+)质量浓度最低,去除效果最好,且去除能力随着时间逐渐减弱。参照地下水质量标准限制,判断出该石灰石PRB能够有效处理总铁的最大寿命为132 d,有效处理Al^(3+)的最大寿命为63 d。

水文地球化学反应-迁移-分异模型

为水资源水质评价和环境水化学研究奠定理论基础和科学依据 ,将理论化学与传统水文地球化学融合在一起 ,运用三相平衡原理 ,矿物溶解的偏平衡理论 ,建立了典型水文地质蓄水构造的水文地球化学反应 -迁移 -分异模型 ,研究了蓄水构造内不同区带的主要化学反应 -迁移 -分异特点 ,探讨了水文地球化学分带代表性矿物 ,化学指标和水化学类型分带特征。全面系统地论述了补给区—补给迳流区—迳流区—排泄区 ,地下水中物质成分的形成和演化规律 ,并提出矿物饱和指数的新意义。实例表明 ,该模型具有理论和应用价值。

地球化学反应平衡模型的建模方法

简要介绍了各种地球化学反应模型及建模思想 ,重点介绍了最基本的地球化学反应平衡模型建立过程中的一些基本概念和建模的一般方法 ,并就模型实际应用中 ,在概念模型的确立、热力学数据资料的使用范围、模型计算中离子强度、温度、压力、p H值等方面存在的问题和影响因素 ,作了较为全面的说明。

地球化学反应模型的发展及其应用

根据近年来地球化学反应模型的发展及其应用现状 ,对新发展的建模方法手段、模型计算方法以及模型计算软件作了简要的归纳和评述 ,最后以地球化学反应模型用于成矿动力学研究的应用为例 ,说明地球化学反应模型在地球化学研究中 ,对了解反应体系中物质的形态、分布、迁移和转化 。

CO_(2)地质储存过程中地球化学反应数值模拟研究

CO_(2)地质储存是实现碳达峰碳中和目标的重要途径,地球化学反应模拟是进一步论证CO_(2)地质储存技术可行性的重要环节。总结地球化学模拟技术研究进展,采用单一的模拟软件开发与其他软件搭接的形式,以便更加准确地研究矿物溶解与沉淀、孔隙度、渗透率等多方面问题,全面整理各种模拟方法与优势,分析未来存在的挑战,为地质储存技术在地球化学模拟方面的研究提供参考。

反向地球化学反应路径模拟技术在鄂尔多斯大克泊湖淖地区地下水演化研究中的运用

利用水化学、同位素方法对大克泊湖淖地区的水循环取得的成果,采用反向地球化学反应路径模拟技术,定量分析大克泊湖淖地区各种矿物相的溶解和沉淀量。研究成果表明,大克泊湖淖地区地下水中发生钠长石、CO2、NaCl的溶解,方解石沉淀,阳离子交替吸附作用,在地下水埋深较浅的区域蒸发作用较强。总体使大克泊湖淖地区由四周向中央地下水TDS、Na+、Cl-、SO42-离子由四周低值向中央高值变化,而Ca2+、Mg2+则与其相反,同时地下水中δ13C值降低,并且与土壤根系中的δ13C接近。

表生地球化学反应的尺度效应

表生环境中的地球化学反应速率具有显著的尺度效应。许多地球化学反应的野外观测速率比实验室观测速率要低2~5个数量级,给不同尺度的研究成果的对比和外推造成了极大困难。本文总结了地球化学反应速率随时间和空间尺度变化的影响因素,着重分析了地球化学反应速率的主控过程随尺度变化的现象,以及亚尺度的非均质性造成的尺度效应。最后介绍了几种尺度转换的研究方法。由于地球化学反应速率的尺度效应普遍存在,在对地球化学反应速率进行外推时需要了解它的局限性以及选取适当的外推方法。

耦合溶质运移和化学反应模拟的并行优化

针对TOUGHREACT程序在耦合溶质运移和化学反应计算过程中,计算规模和时间需求的不断增加导致求解规模逐渐增大的问题,提出了用耦合过程并行化对耦合模拟过程进行改进的方法.该方法改进了原有的程序结构,实现了化学反应计算并行化.实验结果表明,改进后的耦合计算部分在执行时间上有2～3倍的加速效果.

基于TOUGHREACT的成矿过程化学反应数值模拟——以虎头崖铅锌多金属矿床为例

虎头崖铅锌多金属矿床是青海省祁漫塔格成矿带中典型的矽卡岩型矿床。本文基于前人对该矿区地质特征、矿物学和地球化学特征等方面的研究成果,利用TOUGHREACT数值模拟软件,针对石英晚期硫化物成矿阶段进行成矿过程化学反应数值模拟研究。通过建立地质概念模型和网格化物化参数的设置,在设置的时间步长内对多相流体流动和热对流传导、溶质运移以及地球化学反应过程进行模拟计算,研究了矿区内不同温压条件下成矿元素化学平衡浓度变化的总体趋势以及对方铅矿和闪锌矿矿物溶解沉淀情况的影响。结果表明:当温度从250℃降至155℃时,Pb^2+的化学平衡浓度出现骤减;当温度从300℃降至100℃时,Zn^2+的化学平衡浓度出现骤减;由于矿物的沉淀需要消耗大量相关的成矿元素,方铅矿和闪锌矿最佳成矿温度范围分别为155℃~250℃和100℃~300℃;不同温度和压力对成矿元素化学平衡浓度影响不同,温度是控制方铅矿和闪锌矿沉淀化学反应的核心因素,压力的影响较小。模拟结果与传统地质解译结果相对符合,证明了模拟的有效性。

CO_(2)封存诱发近断层活化机制研究进展

文中梳理了CO_(2)地质封存诱发地震活动的典型案例和总体进展,并结合注入诱发断层失稳理论,系统阐述热-流-力-化多场耦合作用下的CO_(2)封存诱发近断层活化机理,探讨不同物理过程对断层活化的关键影响因素,指出目前研究存在的问题和亟待突破的研究方向。研究结果表明:CO_(2)地质封存诱发地震活动与孔隙压力扩散、非等温效应及地球化学反应等物理过程紧密相关;相较于注水活动,CO_(2)注入触发了涉及多相流动状态、焦耳-汤姆逊效应、CO_(2)溶解放热及CO_(2)-地层盐水-岩体化学作用等一系列复杂多物理场耦合过程;实际断层活化及剪切破坏的发生是这些过程协同作用的结果,并受到地层应力状态和断层属性的控制,以及注入策略和注入位置的影响。今后研究工作需要在基础理论研究和应用实践层面全面考虑热-流-力-化多场耦合效应,加强封存场地地质构造勘查,并发展多模式的流体注入策略,这对理解CO_(2)注入诱发近断层活化机制进而实现地震活动的精确预测至关重要。

多孔介质地下储氢研究进展与面临的挑战

“双碳”目标的提出与电解水制氢技术的突破,使得具有比能大、可储和可再生优势的氢能成为关注的热点,但氢气的大规模储存是目前面临的最大难点。在综述地下储氢研究现状的基础上,讨论了多孔介质储氢中氢气封存效率和上覆盖层密封性的影响因素,分析了氢气自身物理性质、储层岩石矿物成分、地下储存环境等因素对氢气-咸水-岩石地球化学相互作用及氢气对盖层密封性的影响。结果表明:在原位应力条件下,偏高的温度、压力与有机酸的存在均有利于储氢盖层的密封性;氢气-咸水-岩石地球化学反应复杂,其中与碳酸盐矿物反应较为剧烈,对岩石孔隙结构和储层环境的影响较大,选择富含石英等硅酸盐矿物的储层或无碳酸盐的砂岩可以减小反应程度;对于地下储氢,含水层中生物化学反应发生概率极大,且对氢气消耗量较高,生成的矿物沉淀可能降低注采效率。

含水层非均质性对潜流带氮迁移转化的影响机制

潜流带的非均质性对生物地球化学过程具有重要的控制作用,然而现有的监测手段无法准确获取含水层的非均质结构。为揭示潜流带渗透系数非均质性对氮素迁移转化的影响,采用数值模拟手段构建了不同渗透系数场的二维潜流带水流和生物地球化学反应模型,探讨了潜流带渗透系数非均质性对水流交换、溶质迁移转化和硝酸盐去除的影响。结果表明:潜流带渗透系数非均质性的增加可能会导致河流-含水层间的潜流交换加快,影响潜流带内溶质分布和硝化、反硝化作用热点区域的分布;潜流带内渗透系数非均质性程度还会影响潜流带去除硝酸盐的能力,非均质性程度越高,潜流带的硝酸盐去除效率就越高。本研究结果可为地下水环境修复提供理论依据。

基于SAXS的超临界CO_(2)-H_(2)O流体对煤纳米孔隙结构的影响研究

超临界CO_(2)(SCCO_(2))流体对含水煤层纳米孔隙结构的改变将显著影响目标煤层的CO_(2)封存能力;为此,基于流体地球化学反应装置,以长焰煤、气煤和无烟煤为研究对象,模拟了SCCO_(2)-H_(2)O混合流体(温度45℃、压力12 MPa)与3类煤阶煤的地球化学反应;在此基础上,采用小角X射线散射(SAXS)研究了纳米孔隙结构及其非均质性对SCCO_(2)-H_(2)O流体的响应。结果表明:SCCO_(2)-H_(2)O作用重塑了煤的纳米孔隙结构,但不同煤阶煤的纳米孔隙对混合流体的响应有所差异;SCCO_(2)-H_(2)O流体作用后,长焰煤孔隙度、比表面积和小于5 nm的孔隙含量降低,但大于5 nm的中孔含量增大;气煤微孔含量减小,但中孔含量和比表面积显著增大;无烟煤孔隙度和比表面积均提高;煤基质溶胀、SCCO_(2)流体萃取、矿物的溶解和迁移的综合作用造成煤纳米孔隙的差异演化;SCCO_(2)-H_(2)O流体增强了低中阶烟煤孔隙分布的非均质性,以气煤尤为显著,但降低了所有煤样孔隙表面的不规则性。

构造成矿非线性动力学:1.递增应力流变学模型

本文提出了构造成矿作用动力学研究的递增应力流变学方法。利用该方法将构造变形、应力、流体流动、地球化学反应及成岩成矿作用等多过程耦合起来，可以从多种地质过程的耦合与反馈作用对构造成矿的动力学演化过程进行１～３维数值模拟。模拟的主要内容是在各种过程耦合作用下，以下描述构造成矿体系的主要变量的时空演化：（１）与成矿流体的形成和性质有关的变量，如地层中矿物（包括成矿物质）的溶解速率、流体中各组分的浓度与饱和度、流体温度、压力、离子强度等；（２）与构造变形和流体运移有关的各变量，如应力与变形速率、岩石孔隙度、构造（断裂）渗透率等；（３）与沉淀成矿有关的变量，如矿物（金瞩矿物和脉石矿物）的成核速率、各矿物的沉淀量等；（４）上述各有关变量间的时空耦合关系，如断裂渗透率时空演化与流体流动、汇聚和成矿的耦合关系等。

量热学和热动力学研究进展概况

对量热学的发展历史作了简要介绍,并就近年来利用量热法进行各种反应的热动力学研究的进展进行了概述。根据将微量热新技术引入到地质、地球化学领域研究矿物溶解的阶段性成果,展望了地球化学反应热动力学研究的广阔前景。

二氧化碳地质封存中“对流混合”过程的研究进展

各国政府和科学家已经认识到CO2地质封存是一个长期有效的温室气体减排措施。在地质封存过程中,注入的CO2的存在形式对CO2地质封存工程的可行性和安全性十分重要。相较于"气体"储存机制,残余"气体"储存、溶解储存和矿物储存机制对于CO2地质封存而言是更为安全的储存形式。积累于低渗透性盖层底部的CO2溶解使附近区域水溶液密度增加,从而引起"对流混合"现象。这一过程可降低储层中的超临界CO2通过垂直路径(如裂隙、断层和废弃井)向上逃逸的风险,因此增加了CO2地质封存的长期性和安全性。本文综述了CO2地质封存中"对流混合"过程的研究进展,总结归纳了该研究领域中存在的不足和问题,并对下一步研究工作提出了建议,以期为CO2地质封存中"对流混合"过程的研究在中国的深入开展提供参考。

平衡常数的计算

配合物离解和矿物溶解等地球化学反应的平衡常数（K）是地球化学计算最重要的热力学参数之一,它是由一定pT条件下实验测得的有关热力学数据计算出的,由于对各种反应的实验研究条件和程度不一,计算条件和精度要求各异,因此,对于每一具体反应应根据不同的需要和已有的热力学数据求取平衡常数,本文综述了不同条件下求取平衡常数的方法,并简要评述了平衡常数的可靠性。

超临界CO_(2)注入煤层对顶板岩石纵波速度及力学响应特征研究

深部煤层CO_(2)地质封存与CH4强化开采(CO_(2)–ECBM)技术在提高煤层气采收率的同时可实现碳减排,具有能源和环境双重效益。超临界CO_(2)(ScCO_(2))、水和煤层顶板之间的地球化学反应可改变其物理力学性质,增加CO_(2)泄漏的风险。以沁水盆地胡底煤矿3号煤层顶板岩石为研究对象,开展"ScCO_(2)–水–岩"地球化学反应模拟实验,探讨CO_(2)煤层封存条件下ScCO_(2)–水–顶板岩样地球化学反应过程及其对岩石纵波速度和力学性质的影响。结果表明:ScCO_(2)–水–岩之间化学溶蚀反应造成岩样Ca、Mg元素显著降低,促使岩样表面形成孤立状溶蚀孔,并随着反应时间的持续,进而形成大量的"溶蚀坑"和"溶蚀缝";增加了岩样结构不连续性,使得声波传播路径增大、能量损失加剧,导致纵波波速降低;ScCO_(2)–水–岩反应后岩样的峰值强度和弹性模量降低,泊松比升高,且三者之间的变化率与反应时间之间呈现Logistic函数的变化关系。对于胡底煤矿而言,ScCO_(2)–水–岩反应过程中顶板力学性质的弱化不足以造成盖层的破裂和CO_(2)泄漏,但在评价煤层CO_(2)封存安全性时,还应考虑煤层吸附膨胀应力对顶板的影响。

CO2-水-页岩相互作用的研究现状及展望

简要综述了CO2、水和页岩间矿物的相互作用,分析了CO2注入到地下进入页岩层后,地下含水层pH值的变化,并根据页岩层的矿物学组成分为黏土矿物和脆性矿物,较为详细地描述了CO2与黏土矿物和脆性矿物之间发生的地球化学反应,概述了此反应对页岩层孔隙度和渗透率的影响。同时,也讨论了CO2增强页岩气开采的现实问题及发展趋势,为今后的研究提供了参考。