重整化群理论在成矿流体分析中的应用研究

李雅婧

（西北大学地质学系，陕西 西安 710069）

成矿流体参与大部分地质过程并在其中起着重要作用，计算常见成矿流体在广阔的温压范围（包括近临界区）内的热力学性质，有助于确定各种成岩成矿作用的物理化学条件。重整化群（RG）理论是校正临界点附近长程密度涨落对体系自由能影响的主要方法，将RG理论与基于平均场理论的经典状态方程结合，建立跨接模型描述成矿流体的热力学性质是处理临界现象的理论之一。

1 重整化群理论及模型

Wilson首次提出重整化群理论[1，2]，采用相空间微胞近似方法，将密度涨落在动量空间中表达，假定空间中存在不动点，忽略短程作用，通过线性变换近似处理近临界区的长程密度涨落，定量描述临界现象。Wilson的RG理论只能应用在非常接近临界点的范围内，且模型与实际成矿流体的状态不符。

White发展Wilson的理论[3，4]，加入递归计算过程，将逐步增加的波长对引力的贡献，转移到经典平均场理论可以计算的斥力部分，从而将所有波长的涨落对自由能的贡献都包含在内。

预测了简单流体（如正戊烷、方阱流体、LJ流体）在近、远临界区全范围的热力学性质。

2 重整化群理论的应用

对于SAFT型状态方程的几种常用形式，有研究者发展了相应的跨接方程。Llovell等（2004，2006）将soft-SAFT方程与RG理论结合，计算正构烷烃、1-烷醇、CO2单组份体系及其混合物在近、远临界区的相平衡和临界性质。付东等（2006）利用密度梯度理论和RG理论校正PCSAFT方程，计算常见烷烃单组份体系在近、远临界区的界面张力和临界性质。Bymaster等（2008）总结前人工作，引入了调节LJ势能的第三个RG参数，与PC-SAFT方程跨接，准确描述正构烷烃系列单组份成矿流体从三相点到临界点的热力学性质。Tang和Gross（2010）扩展了Bymaster的研究[5]，推广到简单成矿流体（烃类、H2S、CO2）的二元混合物，计算得到的相平衡值与实验值的吻合度高。Forte等（2013）跨接SAFT-VR方程，建立适用于一系列非缔合流体和缔合流体（包括正构烷烃、苯、CO2、H2O、氟化氢等）的相平衡和二级相变计算的模型。Llovell和Vega（2015）结合soft-SAFT方程，计算超临界H2O-CO2二元系的热力学性质，对于水-气体系在近临界区的气液相平衡和PVTx性质的跨接状态方程比较少见。

图1 成矿流体H2S CO2混合物平衡值与实验值

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（范德华方程、SRK方程等）。还有Lue和Prausnitz（1998）、段黎萍 等（2002）、付 东 等（2004）、Choi和Bae（2016）分 别建立了跨接方阱链流体方程、跨接Stockmayer流体方程、跨接Yukawa链流体方程和跨接微扰硬球链方程。Lue和Prausnitz（1998）通过体系的Hamilton函数改进了White的方法，应用到方阱流体和简单实际流体，计算甲烷、二氧化碳和正丁烷组成的二元系的相态和PVT性质，结果令人满意。段黎萍等（2002）的模型计算了极性成矿流体和甲醇在临界区附近的热力学性质。大多数矿床成矿流体混合物同位素具有深源与浅部井下水混合特点，为成矿作用进行良好注解，另外，因近年来地球物理工作所发现大量“低速带”也正是出现这一深度范围，深部与浅部流体在这一深度上相互交汇。付东等（2004）将适用于链状流体的Yukawa方程与RG理论结合，研究了非极性链烷烃（C1-C10）和缔合流体水等16个体系的临界值和气液相平衡。Choi和Bae（2016）将RG理论与PHSC-CL状态方程结合[6]，计算链烷烃、环乙烷、苯、甲苯、二氧化碳及其二元混合物的气液相平衡和界面张力，与实验值有很好的一致性。

3 结语

前人应用并发展重整化群理论，建立与经典状态方程结合的跨接模型，计算了一些常见的烷烃、H2O、CO2等单组分体系，烃-烃、CO2-烃等二元系，以及少量多组分体系成矿流体在临界点附近和远离临界点的热力学性质。重整化群理论成功的处理了临界现象，未来将看到更多的研究工作报道。