高温高压下方解石在H2O-CO2-NaCl流体中溶解速率的原位研究

Exploring the kinetic mechanisms of carbonates (e.g. calcite) dissolution in H2O-CO2-NaCl fluids at elevated temperatures and pressures is recognized as one of the most important issues in the experimental geochemistry field. However, there are still not so much research publications up to now due to the difficulties in studying techniques. And the experimental data (calcite dissolution rate and its relationship with the system characteristics, activation energy, balance level, organic substances) at relatively elevated temperatures and pressures (e.g. higher than 350 0C and 350 bar) are especially scarce. In this project, the dissolution rate of calcite in the H2O-CO2-NaCl fluid at 350-550 0C and 350-550 bar will be studied based on the integration of oxygen and CO2 electrochemical sensors suitable for hydrothermal systems at elevated temperatures and pressures, and in-situ fluid/solid samples accessing techniques. The calcite dissolution process (e.g. dissolution rates, rate constants/equations, activation energies) and its influencing factors will be obtained. Furthermore, the effects of organic substances and its’ oxidation on the calcite dissolution rate will be systematically investigated according to its’ reaction with calcite and oxygen, respectively. This study will provide theoretical basis for the deeply understanding of many geological processes, such as subduction, magma evolution, diagenesis and mineralization, CO2 geological storage, underground pore evolution, oil-gas reservoir formation, etc.

探索不同温压下碳酸盐矿物（如方解石）在H2O-CO2-NaCl流体中的溶解动力学机制是高温高压实验地球化学领域极为重要的研究内容。但由于技术难度大，目前所获得的研究成果并不多。尤其是在较高温度和压力（如高于350℃和350bar）下针对于方解石溶解速率与体系性质、活化能、平衡程度、有机质等的关系研究基本空白。本项目拟将高温高压水热体系中氧和CO2电化学传感器、高压釜中流体/固体样品原位取样集成，并在350-550℃和350-550bar条件下开展方解石溶解速率的原位研究。获得方解石溶解过程特征（溶解速率、速率常数/方程、活化能）及其影响因素。同时，根据有机质（羧酸）与方解石的直接作用以及典型有机质（酸、醇、醛、烃等）的氧化或部分氧化规律，深入认识有机质及其氧化转化对方解石溶解速率的制约。为深入认识板块俯冲、岩浆演化、成岩成矿、CO2地质封存、地下孔隙演化以及油气藏形成等地质过程提供依据。

探索不同温压下碳酸盐矿物在H2O-CO2-NaCl流体中的作用过程是高温高压实验地球化学领域极为重要的研究内容。但由于技术难度大，目前所获得的研究成果并不多。鉴于此背景，本项目集成高温高压水热体系中氧和CO2电化学传感器技术以及高压釜中流体/固体样品原位取样技术，利用高温高压条件下高压釜固定反应装置和较低温度和压力条件下流动水热反应装置，对方解石在含H2O、CO2、NaCl、有机质等的混合水热流体中的溶解速率进行了研究。整体来看，方解石溶解过程受到温度、压力、反应时间、pH值、CO2、NaCl等因素的影响，与地质流体中普遍存在的有机质亦存在密切关系。低温（30-210℃）低压（0.5-10MPa）条件下开展的流动水热反应实验显示温度、压力、盐对方解石溶解速率具有显著影响。高温（250-550℃）高压（8-53MPa）条件下开展的高压釜实验显示温度、压力仍然是方解石溶解反应的重要影响因素，推测方解石溶解过程和沉淀过程共存，且与其表面性质相关。可能由于流体相在30MPa和400℃附近处于亚临界和超临界过渡区，导致密度、粘度等物理化学参数发生突变，促进方解石与流体相互作用，出现较高的溶解速率。方解石溶解速率随着CO2含量的升高而增大，但其影响也是有限度的。高温高压条件下NaCl对方解石溶解速率的影响较低温低压条件下弱，可能是由于流体非极性特征增强而使NaCl溶解度降低所致。乙酸的酸性可以促进方解石中的Ca不断进入流体，溶解速率较高；其他考察的非酸性有机质对方解石溶解速率的影响并不太明显，但引入过氧化氢后，由于有机质氧化可能生成CO2、有机酸或其他小分子物质，方解石溶解速率升高。如果后期能够进一步开展更多种类碳酸盐矿物在有机质存在和转化条件下的热动力学机理研究，并结合热力学计算和动力学模拟，可望系统分析碳酸盐矿物在复杂体系中的作用过程和控制环节，为深入认识板块俯冲、岩浆演化、成岩成矿、CO2地质封存、地下孔隙演化以及油气藏形成等地质过程提供更多依据。