重整化群理論在成礦流體分析中的應用研究

李雅婧

（西北大學地質學系，陜西 西安 710069）

成礦流體參與大部分地質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）內的熱力學性質，有助于確定各種成巖成礦作用的物理化學條件。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典狀態方程結合，建立跨接模型描述成礦流體的熱力學性質是處理臨界現象的理論之一。

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的長程密度漲落，定量描述臨界現象。Wilson的RG理論只能應用在非常接近臨界點的范圍內，且模型與實際成礦流體的狀態不符。

White發展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，轉移到經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。

預測了簡單流體（如正戊烷、方阱流體、LJ流體）在近、遠臨界區全范圍的熱力學性質。

2 重整化群理論的應用

對于SAFT型狀態方程的幾種常用形式，有研究者發展了相應的跨接方程。Llovell等（2004，2006）將soft-SAFT方程與RG理論結合，計算正構烷烴、1-烷醇、CO2單組份體系及其混合物在近、遠臨界區的相平衡和臨界性質。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、遠臨界區的界面張力和臨界性質。Bymaster等（2008）總結前人工作，引入了調節LJ勢能的第三個RG參數，與PC-SAFT方程跨接，準確描述正構烷烴系列單組份成礦流體從三相點到臨界點的熱力學性質。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）結合soft-SAFT方程，計算超臨界H2O-CO2二元系的熱力學性質，對于水-氣體系在近臨界區的氣液相平衡和PVTx性質的跨接狀態方程比較少見。

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函數改進了White的方法，應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和PVT性質，結果令人滿意。段黎萍等（2002）的模型計算了極性成礦流體和甲醇在臨界區附近的熱力學性質。大多數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現大量“低速帶”也正是出現這一深度范圍，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狀態方程結合[6]，計算鏈烷烴、環乙烷、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 結語

前人應用并發展重整化群理論，建立與經典狀態方程結合的跨接模型，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性質。重整化群理論成功的處理了臨界現象，未來將看到更多的研究工作報道。