天然氣水合物，俗稱“可燃冰”，是一種開發(fā)潛力巨大的新型能源，廣泛分布于海底沉積物中。水合物的相平衡條件指水合物與水穩(wěn)定共存時的溫度、壓力條件，是水合物資源儲量評估和開采工藝設(shè)計的依據(jù)。在孔隙介質(zhì)中的水合物，由于受到基質(zhì)吸力、孔隙溶液濃度的影響，其相平衡條件不同于純水合物，國內(nèi)外學者對此開展了大量研究。

　　目前，水合物沉積物相平衡理論模型大多從van der Waals-Platteeuw (vdWP) 統(tǒng)計熱力學模型改進得到，這類模型一般需要提供微觀的孔徑分布參數(shù)作為輸入條件，且計算過程極為復雜。由于真實沉積物的孔隙形狀多變，水合物在孔隙中與其它物質(zhì)成分的接觸方式無法準確探測，因此依據(jù)vdWP模型計算得到溫度-壓力平衡條件與宏觀試驗結(jié)果相差較大。另外，在實際水合物沉積物中，即使氣體足量且沉積物溫度-壓力達到水合物生成條件，沉積物中的水也不能全部轉(zhuǎn)化為水合物，仍有一部分液態(tài)水與水合物穩(wěn)定共存。水合物沉積物中的液態(tài)水含量決定了沉積物的變形、滲透和傳熱等特性，對水合物資源開采有重要影響，而此前并沒有一種模型考慮沉積物中液態(tài)水含量對溫度、壓力、濃度的依賴關(guān)系。

　　為解決以上問題，武漢巖土所科研人員考慮沉積物與孔隙水的物理化學作用，得到孔隙水化學勢的準確表達形式，依據(jù)相平衡條件下水與水合物晶格化學勢相等的條件得到了適用于水合物沉積物的廣義相平衡方程，該方程將平衡溫度偏移（純水合物平衡溫度與沉積物溫度之差）、基質(zhì)吸力、滲透壓聯(lián)系起來，極大地簡化了水合物沉積物的相平衡計算。進一步，結(jié)合相平衡方程和水合物沉積物的土水特征曲線，得到了沉積物中未合水（Unhydrated water，意為尚未形成水合物的液態(tài)水）的含量與平衡溫度偏移的關(guān)系，表達這種關(guān)系的曲線被稱為“土的水合特征曲線（Soil hydration characteristic curve）”。如果將平衡溫度偏移用溫度和壓力表示，土的水合特征曲線還能在“溫度-壓力-未合水含量”空間上展開形成一個相平衡曲面，任意平衡或近平衡條件下水合物沉積物熱力學狀態(tài)的變化則反映為相平衡曲面上的移動路徑。

　　該研究得到國家自然科學基金(No. 41602312, 41572293, 51639008)的資助，相關(guān)成果發(fā)表于地學期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth，第一作者為武漢巖土所助理研究員周家作，通訊作者為韋昌富。

圖1 水合特征曲線（SHCC）

圖2 廣義相平衡面

圖3 水合物沉積物平衡變化路徑

（文/圖 土動力學組）