粘土矿物是自然界中分布广泛的矿物类型。岩石圈中多数的地质作用和生物地球化学过程都有粘土矿物的参与。具有一维孔道和二维孔道结构的2:1型粘土矿物中更是工业应用中非常理想的原材料。无论粘土矿物的一维孔道还是二维孔道,均存在受限制水。在材料学研究中发现纳米孔道中受限制水的运动会改变溶液的氢键网络和离子溶剂化行为。因此认识粘土矿物中受限制水的行为不仅有助于了解地质作用,同时为提高材料性能提供理论基础。由于提纯一维孔道的纤维状粘土矿物以及控制实验中维持高温高压的难度较大,关注一维孔道以及高温高压下二维孔道中受限制水的研究并不多见,绝大部分关于粘土矿物表面与水之间的相互作用的研究都集中在常温常压下二维孔道的粘土矿物。因此对一维孔道的水化作用以及盆地条件下二维孔道的水化作用的报道较少。粘土矿物的强亲水性会抑制类似甲烷的非极性基团的进入,然而页岩气的成藏却又与粘土矿物表面息息相关,因此粘土矿物孔道中甲烷和水分子的竞争吸附一直受到大家的关注。近期研究发现伊利石含量越高的页岩气藏,其气藏的质量会越好,这说明伊利石表面对甲烷分子的吸附有着重要意义。本文采用分子模拟方法对粘土矿物中不同维度孔道的粘土表面与水分子的相互作用,盆地条件下的高温高压对二维孔道中水化作用的影响以及二维孔道中甲烷和水分子的竞争吸附进行研究:(1)纤维状粘土矿物一维孔道中的水化作用海泡石的研究中发现,常温常压下孔道中的沸石水在相当低的相对湿度才会失去,结构水更是难以脱离孔道的束缚。本文通过分子动力学模拟结果获得一个新的沸石水分布位置结构,与前人实验推断所得结构有所不同,增加了一个新的沸石水位置,并发现在一维孔道中的受限制水的活动性较二维孔道的更低。坡缕石的成分较海泡石复杂,因而在对其的研究中选取了三种结构进行分析:电中性纯三八面体,电中性两种八面体共存,以及带电荷的坡缕石。研究结果认为,电中性坡缕石结构中八面体的不同对孔道吸附量不会产生影响,而带电荷的坡缕石孔道中的阳离子则会导致水吸附量的明显下降。电中性坡缕石中的沸石水分布模型均相似并和实验提出的分布模型一致,均是存在两个沸石水位置。孔道中阳离子的存在完全改变了孔道中的沸石水分布。孔道中水分子的活动性则会同时受到阳离子及八面体的影响。(2)伊蒙混层粘土矿物——累托石二维孔道中的水化作用本文将混层粘土矿物和蒙脱石的二维孔道中的水化作用进行比较。研究结果发现累托石与蒙脱石的二维孔道对水分子的限域作用类似。随着受限制水含量的增加,蒙脱石和累托石层间均会依次形成单层和双层水合物态,但蒙脱石的单层至双层的膨胀则比累托石更容易发生。在累托石中,由于伊利石层的表面电荷比蒙脱石层的更高,Na离子与伊利石层的作用更强所以倾向于靠近伊利石层表面分布,层间离子呈现出非对称分布,这与蒙脱石中的对称分布不同。(3)盆地条件下蒙脱石二维孔道中的水化作用本文考虑了温度压力对蒙脱石层间域中受限制水的分布及运动的影响。结果中发现,随着温度压力的升高,Na-蒙脱石中双层水合物对应的含水量会减少,且在静岩压7 km条件下,蒙脱石层间单层水合物比双层更为稳定,这都代表着天然的脱水事件。埋深的增加同时会提高孔道内物质的活动性。(4)盆地条件下伊利石二维孔道中甲烷和水分子竞争吸附研究本文对盆地条件下伊利石形成的二维纳米孔中甲烷和水分子的竞争吸附进行了系统研究,总结出相对湿度是决定甲烷分子是否可以进入粘土孔道的关键因素,埋深的增加可以促进甲烷分子的吸附。孔道中的水分子主要分布在粘土表面与阳离子配位,而甲烷分子则主要成团分布在层中间区域。同时孔径和埋深的增加都能提高孔道内物质的活动性。综上所述,粘土矿物一维孔道和二维孔道均对孔道内的物质有明显的限域效应,且一维孔道的束缚作用强于二维孔道,这为粘土矿物材料的设计提供了理论基础。本文发现埋深的增加可以使粘土矿物的二维孔道发生脱水事件,这可作为地层孔隙水的其中一个来源的解释。本文还发现甲烷分子大量进入粘土矿物表面形成的二维孔道需要低相对湿度条件,这为寻找页岩气藏提供了理论指导。