一种模拟黄铁矿生长机制的装置及方法与流程

1.本发明属于矿物生长模拟技术领域，更具体地说，是涉及一种模拟黄铁矿生长机制的装置及方法。


背景技术：

2.黄铁矿作为地壳中分布最广的硫化物，常形成于各种不同的地质条件下，不同沉积成岩环境中所形成的黄铁矿晶型大小不尽相同，这使得黄铁矿的结晶习性对其所形成的环境变化极为敏感。在低饱和度、硫浓度和较合适温度条件作用下，通常形成晶型较简单的黄铁矿；在充足物质来源及高饱和度、硫浓度条件下形成的黄铁矿晶型逐渐趋于复杂，介于正立方体与五角十二面体间；在热液成因体系中，立方体形态的黄铁矿常形成于低硫含量环境中，而较复杂晶型如五角十二面体黄铁矿则形成于高硫浓度、温度适中的环境下。黄铁矿的晶型特点、分布方式、激光拉曼光谱等特征均与其形成的物理化学条件和环境介质条件有关，所以黄铁矿对判别不同成矿类型、解释储层空间变化规律、评价和预测矿床及油气储层都有极其重要的意义。虽然黄铁矿是一种砂岩储层中的常见矿物，但其在储层中的绝对含量并不高，有学者曾指出成岩过程中矿物的黄铁矿化本身对储层影响不大，但黄铁矿形成所代表的特定成岩环境与储层是密切相关的，因此黄铁矿的发育带与储层性质应当有一定的相关性国。内外科学家对黄铁矿形成的化学机理和环境进行过多方面的探讨，但对黄铁矿与储层关系的系统研究较少，黄铁矿对储层发育的影响也有待进一步研究。
3.现阶段黄铁矿生长的模拟制备方法主要有:化学溶解法、溶液热法及薄膜法等，其中黄铁矿晶体的制备方法有水热法和溶剂热法，水热法是在特制高压釜中，利用溶液作为反应介质，通过加热在釜内制造高温高压的反应条件，使难溶或不溶的物质重新溶解并重结晶，james b murowchick h l barnes等人利用nh4cl溶液作为介质媒体，在250-500℃的温度条件下研究温度与过饱和度对热液生长黄铁矿晶体形态的影响，得到了针状、立方体、五角十二面体等晶型，但存在合成物纯度不高且反应物易与生成物混合致生成物纯度不足且无法区分反应物与生成物等缺陷；sweeney和kaplan得出了一个重要结论，他们认为形成硫复铁矿是草莓状黄铁矿形成前的重要步骤，但仍有一些实验存在着形成硫复铁矿却未能形成草莓状黄铁矿集合体的情况，导致部分实验结果是自形黄铁矿晶体。因此有学者怀疑在实验室中进行的实验是否符合真正的野外地质条件。前人实验方法存在连续性等方面的不足，反应过程中的封闭环境导致无法连续获取实验数据，对黄铁矿的晶体生长过程缺乏连续地记录，实验中需要即时停止且提取样品进行测试，而非在线实时，因此可能导致结果与时间的对应关系不准确，且在分析取样中难以避免样品与外界接触，存在氧化破坏实验环境的缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种模拟黄铁矿生长机制的装置，旨在在实现对黄铁矿的晶体生长过程连续地监测。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，提供一种模拟黄铁矿生长机制的装置，包括：
6.反应容器，为透明材质，一端设有开口；
7.功能管路；包括供气与抽气支路、用于提供具有硫离子的硫化物溶液支路以及第一汇集支路，所述供气与抽气支路和所述硫化物溶液支路并联设置后再与所述第一汇集支路串联，所述供气与抽气支路和所述硫化物溶液支路分别与所述第一汇集支路可选择性的连通，所述第一汇集支路用于与所述反应容器的开口处密封连通；所述供气与抽气支路包括并联设置的供气子支路以及抽气子支路，所述供气子支路包括用于提供二氧化碳或烷类气体的第一气源、与所述第一气源连通的第一管道以及安装于所述第一管道上并控制所述第一管道通断的第一阀门；所述抽气子支路包括真空泵、与所述真空泵连通的第二管道以及安装于所述第二管道上并控制所述第二管道通断的第二阀门；以及
8.拉曼监测器，用于实时对反应容器内结构分子可进行结构分析和鉴定。
9.在一种可能的实现方式中，所述供气与抽气支路还包括第二汇集子支路，所述供气子支路和所述抽气子支路并联设置后再与第二汇集子支路串接，所述第二汇集子支路与所述第一汇集支路可选择性地连通。
10.在一种可能的实现方式中，所述第二汇集子支路包括汇集管道以及安装于所述汇集管道上且用于控制所述汇集管道通断的第三阀门。
11.在一种可能的实现方式中，所述汇集管道上安装有用于检测所述汇集管道中气压的压力计。
12.在一种可能的实现方式中，所述硫化物溶液支路包括装载有硫化物溶液的注射器、与所述注射器连通的第三管道以及及安装于所述第三管道上且用于可控制所述第三管道通断的第四阀门。
13.在一种可能的实现方式中，所述反应容器为熔融毛细石英管。
14.本发明的另一目的是提供一种模拟黄铁矿生长机制的方法，包括：
15.获得铁矿物；
16.将预设份量的所述铁矿物放入到蒸馏水中进行清洗操作，获得铁矿物沉淀液；
17.将第一预设剂量的所述铁矿物沉淀液放入至所述反应容器中；
18.将所述反应容器抽真空处理；
19.向所述反应容器内注入第二预设剂量的硫化物溶液；
20.向所述反应容器内通入二氧化碳或烷类气体，并使所述反应容器处于预设压力下；
21.开启所述拉曼监测器。
22.本发明的再一目的是提供另一种模拟黄铁矿生长机制的方法，包括：
23.获得铁矿物；
24.将预设份量的所述铁矿物放入所述反应容器内；
25.将所述反应容器抽真空处理；
26.向所述反应容器内注入第二预定剂量的硫化物溶液；
27.向所述反应容器内通入二氧化碳或烷类气体，并使所述反应容器处于预设压力下；
28.开启所述拉曼监测器。
29.在一种可能的实现方式中，所述获得铁矿物包括：
30.获取硝酸铁溶液；
31.获取氢氧化钾溶液；
32.将所述硝酸铁溶液和所述氢氧化钾溶液混合并搅拌，获得二价铁离子矿物沉淀物；
33.将所述二价铁离子矿物沉淀物加入蒸馏水以稀释，加热，获得铁矿物沉淀液；
34.将所述铁矿物沉淀液过滤、洗涤并烘干获得所述铁矿物。
35.本发明提供的模拟黄铁矿生长机制的装置，与现有技术相比，通过设置透明的反应容器、能够为反应容器提供真空环境、硫化物溶液和高压二氧化碳或烷类气体的功能管路以及用于实时对反应容器内结构分子可进行结构分析和鉴定的拉曼监测器，实现对黄铁矿的晶体生长过程连续地监测。
附图说明
36.图1为本发明实施例提供的模拟黄铁矿生长机制的装置的示意图；
37.图2为本发明实施例提供的模拟黄铁矿生长机制的一种方法的流程图；
38.图3为本发明实施例提供的模拟黄铁矿生长机制的另一种方法的流程图。
39.图中：
40.100、反应容器；
41.200、功能管路；210、硫化物溶液支路；211、注射器；212、第四阀门；220、第一汇集支路；230、供气子支路；231、第一气源；232、第一阀门；240、抽气子支路；241、真空泵；242、第二阀门；250、第二汇集子支路；251、第三阀门；252、压力计；
42.300、拉曼监测器。
具体实施方式
43.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
44.需要说明的是，术语“长度”、“宽度”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“头”、“尾”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
45.还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。此外，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
47.请参见图1，现对本发明实施例提供的模拟黄铁矿生长机制的装置进行说明。所述的模拟黄铁矿生长机制的装置，包括反应容器100、功能管路200以及拉曼监测器300。
48.反应容器100为透明材质，以方便操作者观测和拉曼监测器监测。反应容器100的一端设有开口，开口用于与功能管路200连通。
49.功能管路200包括供气与抽气支路、用于提供具有硫离子的硫化物溶液支路210以及第一汇集支路220。供气与抽气支路和硫化物溶液支路220是并联的两个支路，两支路并联后再与所述第一汇集支路220串联，第一汇集支路220用于与反应容器100的开口处密封连通，第一汇集支路220主要包括输送管，用于将供气与抽气支路或硫化物溶液支路210与反应容器100连通，输送管可能通过高压密封圈等结构实现与反应容器100的开口密封连通。
50.供气与抽气支路和硫化物溶液支路210分别与第一汇集支路220可选择性的连通。即供气与抽气支路和硫化物溶液支路210中分别设有相关的开关阀结构，以控制该支路与第一汇集支路220的连通或不连通。
51.供气与抽气支路包括并联设置的供气子支路230以及抽气子支路240，供气子支路230包括用于提供二氧化碳或烷类气体(例如甲烷)的第一气源231、与第一气源231连通的第一管道以及安装于第一管道上并控制第一管道通断的第一阀门232。第一阀门232的启闭就可以控制供气子支路230与第一汇集支路220的连通或不连通。供气子支路230能够为反应容器100提供二氧化碳或烷类气体，以使反应容器100内部处于实验所需的高压环境下，并提供黄铁矿生长过程中所需要碳元素，以充分模拟黄铁矿生长过程的机制。
52.抽气子支路240包括真空泵241、与真空泵241连通的第二管道以及安装于第二管道上并控制第二管道通断的第二阀门242。第二阀门242的启闭就可以控制抽气子支路240与第一汇集支路220的连通或不连通。抽气子支路240能够使反应容器100达到实验所需的(近似)真空环境。
53.当然了，因为供气与抽气支路包括两个并联的子支路，所以只有当第一阀门232和第二阀门242都关闭时，供气与抽气支路才能认为是不与第一汇集支路220连通。
54.拉曼监测器300是现有技术，用于实时对反应容器100内结构分子可进行结构分析和鉴定。在整个实验过程中均通过激光拉曼手段全方位监测，由于本实验是在透明的高压腔内进行，对溶液中固相、高压甲烷或二氧化碳中固相均可实现照相，发射或接受拉曼信号等功能，监测时选取固相不同位置，在测量时保持激光聚焦于水平放置的高压腔的中心位置以取得最佳观测效果，且针对不同相态采用不同光谱采集范围；拉曼监测系统300对反应容器100内黄铁矿物质分子(或者说生长过程中各状态的分子)可进行结构分析和鉴定，测试结果经过绘图软件处理后，通过拉曼光谱散射峰的位移、数量等组合趋势可对黄铁矿晶体生长过程进行更细致全面的刻画。
55.具体的使用过程可参考后面实施例中的模拟黄铁矿生长机制的方法。
56.本发明实施例提供的模拟黄铁矿生长机制的装置，与现有技术相比，通过设置透明的反应容器、能够为反应容器提供真空环境、硫化物溶液和高压二氧化碳或烷类气体的
功能管路以及用于实时对反应容器内结构分子可进行结构分析和鉴定的拉曼监测器，实现对黄铁矿的晶体生长过程连续地监测。
57.在一些实施例中，请参见图1，供气与抽气支路还包括第二汇集子支路250，供气子支路230和抽气子支路240两个子支路并联设置后再与第二汇集子支路250串接。第二汇集子支路250与第一汇集支路220可选择性地连通，即第二汇集子支路250中设有相关的开关阀结构，以控制该子支路与第一汇集支路220的连通或不连通。
58.在一些实施例中，请参见图1，第二汇集子支路250包括汇集管道以及安装于汇集管道上且用于控制所述汇集管道通断的第三阀门251。汇集管道就是输送管道，用于将供气子支路230或抽气子支路240与第一汇集支路220连通。第三阀门251的启闭，就可以控制第二汇集子支路250与第一汇集支路220的连通或不连通。
59.在一些实施例中，请参见图1，汇集管道上安装有用于检测汇集管道中气压的压力计252，以便于操作者观测反应容器100内的压强(例如观测实验开始阶段是否符合所要求的真空环境以及后续阶段是否符合所要求的高压强环境)。
60.在一些实施例中，请参见图1，硫化物溶液支路210包括装载有硫化物溶液的注射器211、与注射器211连通的第三管道以及及安装于第三管道上且用于可控制第三管道通断的第四阀门212。第四阀门212的启闭可以控制硫化物溶液支路210与第一汇集支路220的连通或不连通。在实验时，可以通过操作注射器211实现为反应容器100提供反应所需的硫离子。
61.在一些实施例中，请参见图1，反应容器100为熔融毛细石英管，熔融毛细石英管可以承受高压环境，而且是透明的。优选的，熔融毛细石英管设置成长度约10cm，内径约1cm的管体，腔内的温度与压力容易得到控制，由压力计252进行实时监测读数，全部实验温度控制在室温24℃。
62.请参见图2，基于同一发明构思，本技术实施例还提供一种模拟黄铁矿生长机制的方法，基于上述实施例中的模拟黄铁矿生长机制的装置。本实施例提供的模拟黄铁矿生长机制的方法具备上述模拟黄铁矿生长机制的装置的所有有益效果。
63.本技术实施例还提供模拟黄铁矿生长机制的方法，包括下列步骤：
64.s100：获得铁矿物。
65.s200：将预设份量的铁矿物放入到蒸馏水中进行清洗操作，获得铁矿物沉淀水。当然，铁矿物肯定是在一个容器内进行清洗。由于铁矿物颗粒比较小，就获得了铁矿物沉淀水。
66.s300：将第一预设剂量(少许剂量，约1至2ml)的铁矿物沉淀水放入至反应容器100中，当然，放入反应容器100中的过程，反应容器100还是开口的，放入后就需要把第一汇集支路220与反应容器100密封连通，使功能管路200与反应容器100密封连通。
67.s400：将反应容器100抽真空处理。具体是，第二阀门242和第三阀门251开启，第一阀门232和第四阀门212关闭，之后开启真空泵241，当压力机252达到接近0时就达到实验所需要求。完成抽真空后，关闭第二阀门242和第三阀门251，关闭真空泵241。
68.s500：向反应容器100内注入第二预设剂量(少许剂量即可，跟铁矿物沉淀水适配)的硫化物溶液。具体是：关闭第一阀门232、第二阀门242和第三阀门251，开启第四阀门212，利用注射器211向反应容器100内注入硫化物溶液，为反应提供硫离子。注射硫化物溶液完
成后，则关闭第四阀门212。
69.s600：向反应容器100内通入二氧化碳或烷类气体，并使反应容器100处于预设压力下。具体预设压力，与要模拟的黄铁矿生长的环境匹配。具体是：开启第一阀门232和第三阀门251，关闭第二阀门242和第四阀门212，当然第一气源231需要打开，然后第一气源231向反应容器100内通入二氧化碳或烷类气体，为反应提供碳元素。在压力机251显示达到预设压力时，则关闭第一阀门232和第三阀门251，使反应容器100保压。
70.s700开启拉曼监测器300，对反应容器100中的反应进行监测。
71.整个实验操作过程比较连续，可以连续的观测模拟黄铁矿生长机制。
72.在一些实施例中，s100获得铁矿物一种方法具体包括：
73.s110：获取硝酸铁溶液。具体是100ml的150μg/ml硝酸铁溶液。
74.s120：获取氢氧化钾溶液。具体是180ml的600μg/ml氢氧化钾溶液。
75.s130将硝酸铁溶液和氢氧化钾溶液在塑料广口瓶中混合并搅拌，获得红棕色的三价铁离子矿物沉淀物。
76.s140向塑料广口瓶中添加蒸馏水至2l，以稀释。随后加热，不稳定的三价铁离子矿物会转化成密实的黄棕色铁矿物(变成二价铁矿物)，获得铁矿物沉淀液。
77.s150将铁矿物沉淀液过滤、洗涤并烘干获得铁矿物。
78.在一些实施例中，s100获得铁矿物另一种方法具体包括：采用化学试剂厂生产的实验药品，即硫化亚铁。实验药品的硫化亚铁因为呈块状不利于硫化反应，因此需要事先将其磨成粉末状。
79.在一些实施例中，硫化物溶液可以是200-300μg/ml的硫化钠溶液。
80.请参见图3，基于同一发明构思，本技术实施例还提供另一种模拟黄铁矿生长机制的方法，基于上述实施例中的模拟黄铁矿生长机制的装置。本实施例提供的模拟黄铁矿生长机制的方法具备上述模拟黄铁矿生长机制的装置的所有有益效果。
81.本技术实施例还提供模拟黄铁矿生长机制的方法，包括下列步骤：
82.s100：获得铁矿物；
83.s200：将预设份量的铁矿物放入反应容器100内；当然放入反应容器100中的过程，反应容器100还是开口的，放入后就需要把第一汇集支路220与反应容器100密封连通。
84.s300：将反应容器100抽真空处理。具体是，第二阀门242和第三阀门251开启，第一阀门232和第四阀门212关闭，之后开启真空泵241，当压力机252达到接近0时就达到实验所需要求。完成抽真空后，关闭第二阀门242和第三阀门251，关闭真空泵241。当然这里应该注意的是，因为反应容器100中事先先加入了铁矿物，后进行抽真空，所以第一汇集支路220与反应容器100的连通的一端要固设有防止铁矿物被反抽出来的滤网或滤布结构(能透气)。
85.s400：向反应容器100内注入第二预设剂量(少许剂量即可，跟铁矿物份量适配)的硫化物溶液。具体是：关闭第一阀门232、第二阀门242和第三阀门251，开启第四阀门212，利用注射器211向反应容器100内注入硫化物溶液，为反应提供硫离子。注射硫化物溶液完成后，则关闭第四阀门212。
86.s500：向反应容器100内通入二氧化碳或烷类气体，并使反应容器100处于预设压力下。具体预设压力，与要模拟的黄铁矿生长的环境匹配。具体是：开启第一阀门232和第三阀门251，关闭第二阀门242和第四阀门212，当然第一气源231需要打开，然后第一气源231
向反应容器100内通入二氧化碳或烷类气体，为反应提供碳元素。在压力机251显示达到预设压力时，则关闭第一阀门232和第三阀门251，使反应容器100保压
87.s600：开启拉曼监测器300，对反应容器100中的反应进行监测。
88.在一些实施例中，s100获得铁矿物一种方法具体包括：
89.s110：获取硝酸铁溶液。具体是100ml的150μg/ml硝酸铁溶液。
90.s120：获取氢氧化钾溶液。具体是180ml的600μg/ml氢氧化钾溶液。
91.s130将硝酸铁溶液和氢氧化钾溶液在塑料广口瓶中混合并搅拌，获得红棕色的三价铁离子矿物沉淀物。
92.s140向塑料广口瓶中添加蒸馏水至2l，以稀释。随后加热，不稳定的三价铁离子矿物会转化成密实的黄棕色铁矿物(变成二价铁矿物)，获得铁矿物沉淀液。
93.s150将铁矿物沉淀液过滤、洗涤并烘干获得铁矿物。
94.在一些实施例中，s100获得铁矿物另一种方法具体包括：采用化学试剂厂生产的实验药品，即硫化亚铁。实验药品的硫化亚铁因为呈块状不利于硫化反应，因此需要事先将其磨成粉末状。
95.在一些实施例中，硫化物溶液可以是200-300μg/ml的硫化钠溶液。
96.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。