碳酸盐倒退溶解模式的化学热力学基础——与H_2S有关的溶解介质及其与CO_2的对比

摘要

以化学热力学中的吉布斯自由能增量为基础,计算了与H_2S(g)/H_2S(aq)/HS~-/H~+/S~(2-)系统有关反应在不同温度下的平衡常数,同时根据方解石和白云石在酸性条件下的溶解过程,获得了这两种碳酸盐矿物溶解过程中地层中流体pH值与P_(CO_2)、地层压力和埋藏深度的关系.在此基础上,对比了从地表到深埋藏的温度和压力条件下,与CO_2和H_2S有关的酸性介质对流体[H~+]贡献的差异性,以及对于碳酸盐溶解作用的差异性.计算结果表明:1)无论以CO_2还是以H_2S作为溶解介质,温度增加和(或)P_(CO_2)增加,都会造成方解石和白云石溶解所需要的[H~+]增加,在深埋藏相对高温和高压条件下,高P_(CO_2)条件会使得碳酸盐矿物的溶解更加困难,如果[H~+]受到缓冲,CO_2的增加不仅不能造成碳酸盐矿物的溶解,反而会造成碳酸盐矿物的沉淀;2)无论在何种酸性介质中,碳酸盐矿物的倒退溶解模式在化学上都是成立的,低温的成岩环境,深部地层中高温流体的向上运移、构造抬升所造成的温度降低(-△T)都会提高H_2S和(或)CO_2流体(也包括其它酸性介质)对碳酸盐矿物溶解能力;3)在地表和近地表条件下(几百米深度范围内),在同时存在CO_2和H_2S的环境中,CO_2对应酸的电离提供的[H~+]略多于H_2S对应酸的电离,与CO_2有关的酸性流体对碳酸盐矿物溶解相对重要,而在深埋藏条件下、尤其是深度大于4 000 m的深埋藏地层中,H_2S对应酸的电离提供的[H~+]显著大于CO_2,其对碳酸盐矿物的溶解更为重要,在存在硫酸盐还原作用的深埋藏地层中,碳酸盐的深部溶解作用会更为发育,这可能是川东北地区深埋藏条件下次生孔隙发育的重要原因之一.