异质黏土-石英孔隙中受限水的结构与动力学：原子模拟研究

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Water confined in heterogeneous clay–quartz pores: Structure and dynamics from atomistic simulations

　　

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  引入了一种异质黏土-石英模型，用于研究混合矿物界面的水行为。
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  石英表面的粗糙度强烈地调制了水的取向、氢键形成以及近表面渗透行为。
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  粗糙石英表面允许更深层的水渗透，与光滑石英相比，形成了更复杂但稳定性更低的氢键网络。
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  异质限域作用在孔径小于10 ?的孔隙中导致水的行为呈现非加和性。
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  对于较大孔隙（$>$20 ?），异质系统趋近于两种矿物成分的线性组合。

引言

天然黏土沉积物通常由多种成分混合而成，特别是黏土和石英（例如[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]）。黏土和石英在形成过程中也可以共同存在，形成砂质黏土或壤土等材料[7]。它们具有良好的水分和养分保持能力，同时提供适度的排水功能，使其在地质和工程应用中具有重要价值[8]。石英的存在从根本上改变了黏土的力学和理化性质，影响着结构的强度和功能稳定性[9]、[10]、[11]。

$\alpha$-石英是砂的基础成分，构成了黏土层所在的土壤矿物基质[8]、[12]。此外，黏土-石英相互作用还会影响土壤侵蚀和裂纹演化的过程[13]。在实验室实验中，黏土-石英模型常被作为基础用于研究其他土壤性质[12]、[14]。

黏土和石英共存的重要领域还包括水圈和海洋地质环境。研究表明，这些材料在自然水体环境中常作为沉积物的主要成分共同存在[6]、[15]。观察到黏土-石英在土壤中的相互作用会因对低盐度水泛的响应而影响水的盐度[16]。低盐度水有助于提高石油采收率[17]。

黏土和石英的相互作用还对胶结过程产生关键影响，直接决定着从深部砂岩储层中采油的可能性[18]、[19]。胶结是指新矿物从孔隙流体中沉淀到砂粒间隙之间的过程[20]。这种矿物生长将砂粒粘结在一起，降低了孔隙度和渗透率。因此，石英胶结是控制储层质量的主要因素之一[21]、[22]。当黏土矿物以薄薄的连续涂层形式存在于砂粒表面时，可以抑制石英过生长的成核，从而保持石油开采所需的孔隙度和渗透率[21]、[23]。

在另一种地质和工程背景下，黏土-石英混合物可以被致密压实形成所谓的压实膨润土。它是一种高膨胀性、低渗透性的黏土材料，主要由蒙脱石黏土、石英、长石及其他矿物组成。压实膨润土最受关注的潜在应用之一是用于地下放射性废物储存设施[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。黏土的广泛分布、吸附有害物质能力以及独特的亲水性使其成为天然保护屏障的理想候选材料[30]。

然而，开展现场实验来研究黏土和石英的力学和化学特性需要大量的时间和物质资源。为克服这一障碍，专家们采用了计算机建模技术，如分子建模[31]。现代方法包括多种计算方法，从复杂的量子力学计算到传统的经验势函数不等[32]、[33]、[34]。

此前，大部分研究工作集中在构建无限延展晶态黏土层的简化模型上[32]。在近期的研究中，通过尝试重现黏土在自然地质体系中的原位理化条件，引入了更精确、更高分辨率的模型[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]。

尽管建模方面取得了进展，绝大多数出版物仍然集中在对含有单一矿物类型（黏土或石英）和受限液态介质的均质系统的研究上[34]、[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。理解两种矿物共同作用的分子机制对于理解压实膨润土体系中受限水的行为至关重要，这对开发地下放射性废物储存设施并提高其可靠性尤为重要[9]、[24]、[51]。

本研究通过分子动力学（MD）模拟，提供了一种异质模型，用于研究黏土和石英异质系统孔隙中水溶液的结构和动力学性质。该模型旨在研究黏土和石英矿物基底面之间的受限水溶液，以模拟黏土颗粒位于石英表面的情况。例如，在膨润土压实的情况下，这种组成本就可能存在。

章节摘要

均质黏土模型

本研究观察到的典型黏土的原子模型为钠蒙脱石，化学式为Na${}_{0.8}^{+}$[Al_3.2Mg_0.8]Si₈O₂₀(OH)₄。黏土层由叶蜡石-1Tc的24 × 14 × 1次重复单元胞生成[52]，遵循[36]中的程序。超胞沿(001)晶面在层间空间中部进行切割，以研究黏土的基底面。所得黏土层的尺寸约为$～$126 × 127 × 10 ?，因此表面面积较大

水的分布

所研究系统的水分子原子分布曲线如图3所示。该图的排列如下：第一列显示均质黏土模型的数据，第二列展示均质光滑石英模型和粗糙石英模型的比较，第三列则展示异质黏土和石英模型的比较。为清晰起见，仅展示了L = $L=2.5$、5、10和15 ?的孔隙，较大孔隙的结果展示在

结论

在本研究中，我们引入了新开发的异质黏土-石英模型，用于研究界面处受限水的行为。采用改进版ClayFF模型[59]的经典分子动力学模拟，研究了异质黏土-石英系统不同尺寸孔隙中水的结构和动力学性质，并将结果与均质黏土系统和均质石英系统进行了比较。其影响的

作者贡献声明

Artem A. Glushak：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理。Evgeny V. Tararushkin：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、方法论、调查研究、形式化分析、概念设计。Grigory S. Smirnov：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、指导、方法论、形式化分析。

生成式人工智能和AI辅助技术在稿件准备过程中的声明

在准备本工作期间，作者使用了GLM-5 Turbo以改善语言表达。作者根据需要审查和编辑了输出内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本文是一项研究项目的成果（HSE-BR-2025-002），该项目是HSE大学基础研究计划的一部分。研究得到了HSE大学高性能计算设施的计算资源的支持[99]。

Artem A. Glushak|Evgeny V. Tararushkin|Grigory S. Smirnov