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分子水平上研究地质流体的物理化学性质 段振豪 DIEGO；中科院地质与地球物理研究所 美国加州大学，SAN 尽管人们对地球内部流体的关注已有相当长的时间，但对其性质和行为的了解仍然所 知甚少。它们在不同层圈中究竟以何种形式存在?具有什么样的物理化学特性?对地球内 部的各种地质作用过程产生何种影响?等等，对这些问题的研究还都处于探索阶段。解决 这一问题的难点在于，人们不仅难以直接观测地球深处的过程和现象，也难以在实验室里 达到地球内部的温压条件。因此，面对这一挑战性的课题，研究工作的进展非常缓慢，成 为制约人们认识地球内部过程和机制的瓶颈。 现代流体热力学研究的飞速发展，特别是分子水平上计算机模拟技术的突破，为研究地 球内部不同层圈中地质流体特点和作用规律提供了可能。近年来，我们把分子水平上的计算 机模拟方法引入地球化学研究中，不仅通过重现大量的实验数据，证明了这一方法的有效性， 而且成功地研究了过去实验不能研究的地球化学问题，如极高温高压条件下和微观条件下的 地质流体和成矿物质的物理化学行为问题，为研究地球各层圈内物质的状态和过程这一热点 问题提供了一种新的研究方法和大量过去实验难以提供的定量数据，具体成果包括： (～)利用蒙特卡罗计算机模拟方法，成功地模拟了地质流体体系相平衡和相变，取得 了与实验一致的结果，并预测了前人实验未曾研究过的温压空间，从而在计算机上实现了 and Duan，2002， 相平衡研究。这些成果发表在地球化学和物理化学权威刊物上(Zhang Geochim．Cosmochim．Actaet 66：3431—3439：Duan 20303～20309)； (二)通过分子动力学模拟研究H20的物理化学性质，我们把实验所允许的温压范围 ofEarthPlanet and 物Physics Interior(Zhang (三)通过分子动力学和蒙特卡罗模拟，我们建立了一个C02分子模型，它能同时预测 C02在宽广的温压范围内各种物理化学性质和行为(PVT性质、相平衡、潜热、结构性质和 ofChemical 运动性质)这一成果已发表在美国化学物理权威刊物(Journal Physics， 2005，v22，p214507)： (四)通过分子动力学模拟研究金属离子的在水溶液中的性质，我们得到了与实验一致 and 的离子周围水化结构和动力学性质(Duan Zhang，2003，Molecular 1501)。随后，我们进一步研究金属离子的在水溶液中的缔合作用和迁移性，系统地分析 了离子缔合过程中的微观结构变化以及外界温压条件对其影响。该成果发表在Chemical and Physics上(Zhang Duan，2004，v297：221—233)； (五)C0z+地0是地球内部最重要的混合物体系，实验科学工作者投入了大量的人力和 财力研究该体系的物理化学性质，但温压范围基本限制在800度6000大气压范围内，相 当于地球内部的25公里。只有极个别实验点达到19000大气压。我们利用量子力学模拟 的分子模型并通过分子动力学模拟，不仅重现了所有的实验数据，而且大大拓宽了实验研 究的温压范围，为研究地球内部各层圈的流体和岩石相互作用提供了大量的数据。这一成 功将发表在国际地球化学权威刊物Geechim．Cosmochim．Acta上。 12