永远追寻知识和智慧之光——在加州理工学院2011年毕业典礼上的演讲

编者按：哈迈德．泽维尔（AhmedH．Zewail），关国国籍，化学家、物理学家。1946年2月生于埃及。1974年获得美国宾夕法尼亚大学博士学位，现任美国加州理工学院教授。1989年当选为美国国家科学院院士．1993年当选为美国国家艺术与科学学院院士，1999年获得诺贝尔化学奖。他目前是关国科学院、中国科学院、俄罗斯科学院、法国科学院、伦敦皇家学会和瑞典皇家科学院等多家科学机构的会员。文章由本刊特约译者江西中医药高等专科学校杨勇、杨薇根据加州理工学院网站公布的英文演讲稿翻译而成．标题系译者所加。

金属Pd催化NO还原形成NH_(3),N_(2)O和N_(2)的原子机制

工业污染物NO是对环境和人类健康的潜在威胁.因此,将NO选择性地催化还原成无害的N_(2)、NH_(3)或N_(2)O气体是非常有意义的.在许多催化剂中,金属钯已被证明在将NO还原为N_(2)的选择性方面是最有效的.然而,NO在Pd上的还原机制,特别是N-N键的形成途径仍然不清楚,阻碍了新型催化剂的开发.本文基于密度泛函理论的量子力学计算,报道了还原NO形成NH_(3)、N_(2)O和N_(2)的反应路径中的所有基本反应步骤.结果表明,N_(2)O的形成是通过Eley-Rideal反应机制进行的.即在较高的NO^(*)表面覆盖率时,通过将一个吸附的NO^(*)与一个来自溶剂或气相的非吸附的NO结合,形成dimer-(NO)_(2)^(*)中间物,其N-N耦合势垒较低(0.58 eV).发现了dimer-(NO)_(2)^(*)将继续与溶剂中的NO反应,形成N_(2)O,这一点本文发现之前没有报道过.随着NO的消耗和溶剂中N_(2)O^(*)的形成,Langmuir-Hinshelwood(L-H)机制将占主导地位,N_(2)O^(*)将在低化学势垒(0.42 eV)下被还原,从而形成N_(2).相比之下,NH_(3)完全由L-H反应形成,它具有较高的化学势垒(0.87 eV).此外,本文报道了通过在NO^(*)吸附位点掺入另一个金属原子(M)以形成M/Pd,通过考察其对N-N键形成能和N_(2)^(*)结合能的影响,从而实现对产物选择性的调控.

塔里木盆地库车坳陷烃源岩生成甲烷的动力学参数及其应用

根据压力下黄金管封闭体系热模拟实验结果 ,应用 Kinetics和 GOR- Isotope Kinetics专用软件 ,获得了塔里木盆地库车坳陷三叠系—侏罗系烃源岩的生烃动力学参数及碳同位素动力学参数。库车坳陷侏罗系煤、煤系泥岩及三叠系泥岩热解生成甲烷具有各自的活化能分布范围 ,分别是 197～ 2 6 8k J/ mol、180～ 2 6 0 k J/ mol、2 14～2 89k J/ m ol,频率因子各为 5 .2 6 5× 10 1 3s- 1、9.76 1× 10 1 1 s- 1、2 .2 70× 10 1 4s- 1 ,反映它们的生烃行为有所差异 ;其相应的碳同位素动力学参数也有差别 ,平均活化能分别是 2 2 8k J/ mol、2 0 5 k J/ mol、2 31k J/ mol。在此基础上 ,应用这些动力学参数 ,并结合地质背景 ,进一步探讨了依南 2气藏天然气的成因和运聚成藏模式。研究表明 ,依南 2气藏天然气主要来源于库车坳陷阳霞凹陷中心侏罗系煤系烃源岩 ,主要聚气时间为 5～ 0 Ma,对应 Ro 为 1.2 5 %～ 1.95 % ,天然气散失率为 2 5 %～ 30 %。该研究对塔里木盆地 ,乃至我国其他地区天然气藏的成因评价与成藏过程研究具有参考和借鉴意义。

鲜水河全新世断裂带的分段性、几何特征及其地震构造意义

由五条左旋走滑的主要分支断层组成的鲜水河全新世断裂带,以惠远寺拉分区为界,可分为结构特征不同的两段:北西段结构较为简单;南东段则表现了由若干分支断层组成的复杂结构.这种断裂结构的分段性,造成了历史强震活动性的分段差异,同时也可能是断层近代滑动速率空间变化的主要原因. 该断裂带主要的几何特征之一是具有“多重羽列”性质.本文按阶区尺度的相对大小,作了羽列级别划分.其中,A级羽列不连续区伴有明显的地貌效应,是该断裂带分段的界限,其对历史上7级左右地震的破裂具有较明显的终止作用;B,C两级羽列不连续区也有一定程度的地貌显示,但对历史上大地震的破裂不具有明显的终止作用;更低级别的羽列几何则是在第四纪盖层中发育的地震地裂缝的主要组合型式. 另一种重要的几何特征是断层弯曲.无论沿整个断裂带还是在一些断层段上,均存在着不同程度的走向弯曲.局部弯曲的结果,可能是造成一些大地震时不对称破裂扩展和烈度衰减的重要几何影响因素,同时也可能是大地震或强震原地重复的构造条件之一.文中最后分析和讨论了两次历史大地震发震断层的立体模型.

温梯法生长φ110mm×80mm蓝宝石晶体位错的化学腐蚀形貌分析

利用导向籽晶温度梯度法（ＴＧＴ） 生长了１１０ ｍ ｍ ×８０ ｍ ｍ 的蓝宝石单晶，应用化学腐蚀、光学方法分析了该晶体不同部位、不同切片的位错腐蚀形貌、位错密度及其分布情况，发现在晶体放肩处的（１１２０） 面位错密度约为１０４ ｃｍ － ２ 量级，等径生长过程中靠近晶体中心处（０００１） 面位错密度为（３ ～４） ×１０３ｃｍ －２ ，靠近坩埚壁处（０００１） 面晶体位错密度为（５ ～６） ×１０３ｃｍ －２ ． 用同样方法分析了提拉法（Ｃｚ） 生长的５０ ｍｍ ×８０ ｍ ｍ 蓝宝石晶体的位错． 相比而言，ＴＧＴ法生长的Ａｌ２Ｏ３ 位错密度比Ｃｚ 法的Ａｌ２Ｏ３ 晶体低得多，约低一个数量级，ＴＧＴ 法可以生长大尺寸、高完整性的Ａｌ２Ｏ３ 晶体，这与ＴＧＴ 法的特殊生长工艺有密切关系．

渤海湾盆地渤中凹陷下第三系烃源岩生烃史

渤海湾盆地渤中凹陷主要发育有两套烃源岩 :Es3 烃源岩与Ed2 烃源岩。由于该区地处海域 ,埋藏较深 ,对成烃史一直较少涉及。应用生烃动力学方法 ,对该凹陷沉积中心及斜坡带烃源岩生烃史进行了模拟计算。结果表明 ,该凹陷中心Es3 生油岩主生油期出现在 2 0～ 14Ma,主生气期出现在 15～ 10Ma ;Ed2 生油岩主生油阶段出现在 10～ 5Ma,目前仍处在主生气阶段。该凹陷斜坡带Es3 生油岩主生油期出现在 10～ 5Ma ,目前仍处在主生气阶段 ,Ed2 生油岩尚处在主生油阶段。结合渤中凹陷储盖组合及运聚、圈闭条件 ,本研究认为目前在该凹陷及其周围发现的油气藏主要来源于该凹陷 10Ma以后生成的油气 ,油源区主要是斜坡带Es3 与Ed2 生油岩 ,而凹陷中心烃源岩主要对天然气藏有一定贡献。

塔里木盆地克拉2大气田天然气的成因探讨

文章研究了塔里木盆地库车坳陷侏罗系煤系烃源岩在封闭体系下热模拟生成甲烷的碳同位素特征及其动力学参数,探讨了克拉2大气田天然气的成因。碳同位素动力学研究表明,库车坳陷侏罗系煤系烃源岩热模拟生成甲烷的碳同位素值介于-37‰^-25‰之间;可以用动力学方法将煤系烃源岩热模拟实验数据外推,应用于地质条件。克拉2大气田天然气主要来源于中下侏罗统煤系烃源岩,属阶段捕获气,主要聚集了-5^-1 Ma阶段的天然气,其成熟度R(?)为1.3％-2.5％。这不仅得到早期相关研究成果的支持,而且也符合该区天然气的勘探实际。

库车坳陷煤成甲烷碳同位素动力学研究

应用黄金管封闭体系热解实验 ,结合GC IRMS同位素质谱仪的甲烷碳同位素分析 ,研究了塔里木盆地库车坳陷侏罗系煤生成甲烷的碳同位素特征及其动力学模拟。结果表明 ,库车坳陷侏罗系煤热解气甲烷碳同位素介于 - 3 6 %～- 2 5 % ;碳同位素与热解温度 (或Ro)、升温速率密切相关 ;煤成甲烷的碳同位素动力学模拟结果与热解实验数据吻合较好 ,表明可以用动力学方法将实验数据外推 ,并应用于地质实际中。模拟结果显示 ,库车坳陷克拉 2气田天然气主要经历了 10Ma(尤其是 5Ma)以来的阶段性聚集。

温梯法蓝宝石(Al_2O_3)晶体的脱碳去色退火研究

温度梯度法(TGT)生长的Al2O3晶体因石墨发热体在高温时的挥发和原料中过渡性金属离子的存在,晶体在不同部位呈现不同颜色,一般上部为浅红色,尾部为浅黄绿色.将TGT法生长的Al2O3晶体(φ110×80mm3)依次经过高温氧化气氛、高温还原气氛脱碳、去色退火实验,即“两步法”退火实验,晶体变成无色、透明.经测试,Al2O3晶体的完整性、光学透过率和光学均匀性均有显著提高.

碳同位素动力学模拟及其在天然气评价中的应用

天然气碳同位素动力学模拟是国际油气地球化学界的前沿性研究方向。它和盆地沉积埋藏史、受热史结合起来,对于评价天然气的成因和成藏历史是一种新而且有效的手段,正逐渐为人们所接受。介绍了天然气形成的碳同位素动力学模拟,以及其在评价天然气的成熟度、气源、运移-聚集史和油气比研究等方面应用的新进展,充分展示了其具有良好的应用价值。天然气碳同位素特征不仅受母源、成熟度的影响,而且与运聚条件、沉积盆地增温速率有关。瞬时聚集气与累积聚集气在碳同位素特征存在明显差别。碳同位素分馏动力学模型在不同含油气盆地会存在差异,不仅取决于气源条件,还与运移-聚集史、沉积-构造史有关。中国叠合型盆地天然气藏成因复杂,具有多期、多源的特点,本研究对这类天然气的研究与评价提供了新思路。

应用生烃动力学方法研究库车坳陷烃源岩生烃史

根据烃源岩生烃动力学参数,结合沉积埋藏史和古热史资料,本文应用生烃动力学方法研究了塔里木盆地库车坳陷三叠-侏罗纪烃源岩生烃史。研究表明,无论是煤,还是泥岩,库车坳陷三叠-侏罗纪烃源岩生气时间发生得晚,主生气期出现在10 Ma以来的喜山期晚期,生气高峰期出现在5 Ma之后。中上三叠世烃源岩生气时间和主生气期均早于中下侏罗世烃源岩。烃源岩这种晚期生气特征,为库车坳陷天然气的晚期聚集成藏提供了非常有利的烃源条件。

库车坳陷侏罗系煤系源岩的生烃动力学研究

采用黄金管-高压釜封闭体系热模拟实验,结合专用Kinetics软件,对塔里木盆地库车坳陷侏罗系煤系源岩进行了生烃动力学研究,求取了甲烷、C2-C5气态烃生成的动力学参数。研究结果表明,库车坳陷侏罗系煤系源岩具有高的生气性,在高演化阶段主要产甲烷气;甲烷、C2-C5气态烃的生成活化能分别为43～64和52～72kcal/mol.生烃动力学方法可较好地将实验生烃数据外推到地质过程,在天然气评价与勘探中具有广泛的应用价值。

混合岩中浅色体的有限迁移及其对变形分解的影响

熔体在地壳和地幔中怎样迁移及其动力学是地质学中的一个重要问题。作为地壳深融作用的产物 ,混合岩中的浅色体提供了一个极好的机会来探讨影响地壳熔体在中下地壳迁移的因素。为此 ,我们对美国加州南 Sierra Nevada岩基中典型的混合岩、变泥质岩及邻近的花岗闪长岩进行了详细的主要元素地球化学和野外构造变形分析 ,同时应用流体动力学理论估算了在中下地壳条件下 ,典型浅色体的迁移距离。南 Sierra Nevada岩基中的混合岩中的浅色体厚度为 1mm至 1cm。在部分熔融程度较高的区域 (>10 % ) ,浅色体相互连接而成网结状构造 ,应变的承载方式主要以 IWL(Interconnected Weak L ayers)形式进行 ,即熔融体表现为弱相而承载大部分的应变。相反地 ,在部分熔融程度较低的区域 (<5 % ) ,浅色体孤立地出现 ,应变的承载方式主要以 L BF(L oad- Bearing Frame-work)形式进行 ,即应变主要由非熔融体的基质来承担。这表明在混合岩形成过程中 ,熔体的出现强烈地制约着应变分解作用。应用 Shaw的岩石粘度模型 ,我们根据浅色体的主要元素地球化学成分计算了浅色体在熔融状态下的粘度。根据流体动力学原理 ,估算了浅色体在不同条件下的迁移距离。计算结果表明 :1和典型花岗岩相比 ,浅色体具有较高的粘度 ,为 10 9～ 10 1

塔里木盆地库车坳陷中生界烃源岩生烃动力学参数研究

根据封闭体系黄金管热模拟实验结果,应用Kinetics专用软件,研究了塔里木盆地库车坳陷中生界不同类型烃源岩的生烃特征与动力学参数。库车坳陷侏罗系煤、碳质泥岩、泥岩及三叠系湖相泥岩具有各自的活化能分布和频率因子,揭示出其生烃行为的差异性。利用GOR-IsotopeKinetics软件,推导了库车坳陷侏罗系煤、泥岩和三叠系湖相泥岩3类烃源岩的碳同位素动力学参数。上述参数的获取,为盆地模拟、烃源岩评价、生烃量计算及资源量预测提供了重要的基础地球化学数据。

正构二十四烷裂解成气碳同位素动力学模拟及其地质意义

以甲烷的量子化模型及正构二十四烷(n-C24)金管限定体系裂解成气实验为基础,从理论上进一步论述了量子化模型应用于重烃气体(乙烷和丙烷)碳同位素动力学模拟的适应性,计算了甲烷、乙烷及丙烷生烃动力学与碳同位素动力学参数,重点探讨了δ13C2与δ13C3变化的主控因素。研究结果表明,n-C24裂解生成的气态烃碳同位素与早期报道的n-C18、n-C25及原油裂解生成的气态烃碳同位素具有可比性,可应用于地质条件下解释原油裂解气的某些地球化学特征。n-C24生烃地质模型表明,其在150～160℃是稳定的,主要裂解温度介于180～200℃之间,与目前所报道的原油裂解地质模型吻合。随热解程度的增加,δ13C2与δ13C3体现了比δ13C1更明显的变化。气藏充注历史控制的同位素累积效应对天然气碳同位素有很大的影响,与累积聚集气相比,阶段聚集气的δ13C变重,并在更大程度上影响了演化曲线的分异。在此基础上,应用n-C24裂解成气碳同位素分馏地质模型探讨了塔里木盆地某些油气藏天然气碳同位素值变化的原因。

大型花岗岩基形成和演化的深部动力学过程:滴水构造、钾质火山作用与地表地质过程

以美国内华达山脉复合岩基为例,系统评述了与大型花岗岩基的形成、演化相关的深部地球动力学过程及构造地貌学响应。在大陆岛弧环境下,基性岩浆的底侵作用促使下地壳发生角闪岩脱水部分熔融,在岩基根部形成高密度的石榴辉石岩,岩基根部最终发生重力失稳,形成滴水构造;在地貌上反映为滴水构造对应区域的沉降和相应的张性构造,在岩浆作用上则表现为软流圈地幔上涌和残余富集岩石圈地幔的低程度部分熔融,形成钾质火山岩。这种高度动态的深部动力学过程是维持大型花岗岩基地区较高高程或促使这些区域高程骤然增加的重要因素。

塔西南坳陷烃源岩生烃动力学研究

采用黄金管-高压釜封闭体系对塔西南坳陷侏罗系烃源岩进行了生烃动力学研究,求取了甲烷、C2-C5气态烃生成的动力学参数,并模拟计算了具体地质条件下的生烃史。结果表明,塔西南坳陷侏罗系煤和泥岩均具有较好的产气性,在中高演化阶段主要产甲烷气;甲烷生成活化能分别介于47-66,43-67kcal/mol之间,C2-C5气态烃生成活化能分别介于53-69,49-66kcal/mol之间。生烃动力学模拟可较好地吻合地质条件下烃源岩生烃过程,在天然气评价与勘探中具有广泛应用前景。

变泥质岩递进部分熔融作用的构造物理学效应

在南内华达岩基中,晚中生代花岗岩的侵位导致表壳岩广泛的变质及部分熔融,形成混合岩杂岩体。对伊萨贝拉湖南羊圈混合岩杂岩体构造的野外观测和应变测量表明:①变泥质混合岩和鹅卵石砾岩记录了类似强度的应变;②变泥质岩发生了递进部分熔融,表现为离羊圈花岗闪长岩岩体的距离越远,部分熔融程度越低;③随部分熔融程度的变化,变泥质岩的应变承载构造也逐渐从混合岩带的弱相承载构造(IWL)往强相承载构造(LBF)过渡;④在同岩浆构造作用中,浅色体的流变学性质与鹅卵石砾岩中泥质组分相当,为应变的主要承载体。该结果表明:在高级变质岩区中,部分熔融程度是否足够高及熔体能否形成互相链接的网络,是高级变质岩的流变学强度发生突降、深部岩石发生侧向流动的前提。

天然气甲烷碳同位素动力学研究及其应用:以塔里木盆地库车坳陷克拉2气田为例

通过有压力的黄金管封闭体系生烃模拟实验和GC IRMS测定,结合GOR IsotopeKinetics专用软件,求取了塔里木盆地库车坳陷三叠系—侏罗系烃源岩生成甲烷的碳同位素动力学参数。结合地质背景,探讨了克拉2气田天然气的成因。克拉2气田天然气主要来源于早中侏罗世煤系烃源岩,属阶段捕获气,为- 5Ma以来的天然气聚集,对应成熟度范围Ro为1.3%～2 .5 %。在此基础上,建立了克拉2气田天然气运聚成藏动力学模式。

应用碳同位素动力学模拟评价天然气的成因

简要介绍天然气形成过程中碳同位素分馏的理论基础、动力学参数模拟计算、碳同位素动力学模拟应用于天然气评价等方面的最新成果。揭露了几个值得注意的问题:天然气碳同位素特征不仅受母源、成熟度的影响,而且与运聚条件、沉积盆地增温速率有关;累积聚集气与阶段聚集气在碳同位素特征存在明显差别;碳同位素分馏动力学模型在不同盆地会存在差异,不仅取决于气源条件,还与聚集历史、沉积-构造史有关。我国天然气藏成因复杂,具有多期、多源的特点,对这类天然气的成因研究与评价提供了新思路。