重整化群理論在成礦流體分析中的應(yīng)用研究

李雅婧

（西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069）

成礦流體參與大部分地質(zhì)過程并在其中起著重要作用，計算常見成礦流體在廣闊的溫壓范圍（包括近臨界區(qū)）內(nèi)的熱力學(xué)性質(zhì)，有助于確定各種成巖成礦作用的物理化學(xué)條件。重整化群（RG）理論是校正臨界點附近長程密度漲落對體系自由能影響的主要方法，將RG理論與基于平均場理論的經(jīng)典狀態(tài)方程結(jié)合，建立跨接模型描述成礦流體的熱力學(xué)性質(zhì)是處理臨界現(xiàn)象的理論之一。

1 重整化群理論及模型

Wilson首次提出重整化群理論[1，2]，采用相空間微胞近似方法，將密度漲落在動量空間中表達，假定空間中存在不動點，忽略短程作用，通過線性變換近似處理近臨界區(qū)的長程密度漲落，定量描述臨界現(xiàn)象。Wilson的RG理論只能應(yīng)用在非常接近臨界點的范圍內(nèi)，且模型與實際成礦流體的狀態(tài)不符。

White發(fā)展Wilson的理論[3，4]，加入遞歸計算過程，將逐步增加的波長對引力的貢獻，轉(zhuǎn)移到經(jīng)典平均場理論可以計算的斥力部分，從而將所有波長的漲落對自由能的貢獻都包含在內(nèi)。

預(yù)測了簡單流體（如正戊烷、方阱流體、LJ流體）在近、遠臨界區(qū)全范圍的熱力學(xué)性質(zhì)。

2 重整化群理論的應(yīng)用

對于SAFT型狀態(tài)方程的幾種常用形式，有研究者發(fā)展了相應(yīng)的跨接方程。Llovell等（2004，2006）將soft-SAFT方程與RG理論結(jié)合，計算正構(gòu)烷烴、1-烷醇、CO2單組份體系及其混合物在近、遠臨界區(qū)的相平衡和臨界性質(zhì)。付東等（2006）利用密度梯度理論和RG理論校正PCSAFT方程，計算常見烷烴單組份體系在近、遠臨界區(qū)的界面張力和臨界性質(zhì)。Bymaster等（2008）總結(jié)前人工作，引入了調(diào)節(jié)LJ勢能的第三個RG參數(shù)，與PC-SAFT方程跨接，準確描述正構(gòu)烷烴系列單組份成礦流體從三相點到臨界點的熱力學(xué)性質(zhì)。Tang和Gross（2010）擴展了Bymaster的研究[5]，推廣到簡單成礦流體（烴類、H2S、CO2）的二元混合物，計算得到的相平衡值與實驗值的吻合度高。Forte等（2013）跨接SAFT-VR方程，建立適用于一系列非締合流體和締合流體（包括正構(gòu)烷烴、苯、CO2、H2O、氟化氫等）的相平衡和二級相變計算的模型。Llovell和Vega（2015）結(jié)合soft-SAFT方程，計算超臨界H2O-CO2二元系的熱力學(xué)性質(zhì)，對于水-氣體系在近臨界區(qū)的氣液相平衡和PVTx性質(zhì)的跨接狀態(tài)方程比較少見。

圖1 成礦流體H2S CO2混合物平衡值與實驗值

此 外，Cai和 Prausnitz（2004）、Llovell等（2008）、Xu等（2012）提出了形式不同的跨接立方型方程（范德華方程、SRK方程等）。還有Lue和Prausnitz（1998）、段黎萍 等（2002）、付 東 等（2004）、Choi和Bae（2016）分 別建立了跨接方阱鏈流體方程、跨接Stockmayer流體方程、跨接Yukawa鏈流體方程和跨接微擾硬球鏈方程。Lue和Prausnitz（1998）通過體系的Hamilton函數(shù)改進了White的方法，應(yīng)用到方阱流體和簡單實際流體，計算甲烷、二氧化碳和正丁烷組成的二元系的相態(tài)和PVT性質(zhì)，結(jié)果令人滿意。段黎萍等（2002）的模型計算了極性成礦流體和甲醇在臨界區(qū)附近的熱力學(xué)性質(zhì)。大多數(shù)礦床成礦流體混合物同位素具有深源與淺部井下水混合特點，為成礦作用進行良好注解，另外，因近年來地球物理工作所發(fā)現(xiàn)大量“低速帶”也正是出現(xiàn)這一深度范圍，深部與淺部流體在這一深度上相互交匯。付東等（2004）將適用于鏈狀流體的Yukawa方程與RG理論結(jié)合，研究了非極性鏈烷烴（C1-C10）和締合流體水等16個體系的臨界值和氣液相平衡。Choi和Bae（2016）將RG理論與PHSC-CL狀態(tài)方程結(jié)合[6]，計算鏈烷烴、環(huán)乙烷、苯、甲苯、二氧化碳及其二元混合物的氣液相平衡和界面張力，與實驗值有很好的一致性。

3 結(jié)語

前人應(yīng)用并發(fā)展重整化群理論，建立與經(jīng)典狀態(tài)方程結(jié)合的跨接模型，計算了一些常見的烷烴、H2O、CO2等單組分體系，烴-烴、CO2-烴等二元系，以及少量多組分體系成礦流體在臨界點附近和遠離臨界點的熱力學(xué)性質(zhì)。重整化群理論成功的處理了臨界現(xiàn)象，未來將看到更多的研究工作報道。