[发明专利]一种基于分子层面的岩石微观结构和性质的研究方法

权利要求书

1.一种基于分子层面的岩石微观结构和性质的研究方法，其特征在于：包括以下步骤：先通过X射线衍射试验获得岩石的主要矿物成分，从而获得岩石主要矿物成分的晶体结构；然后计算主要矿物晶体的化学键参数并对计算结果进行分析和验证，计算矿物晶体的弹性参数并对计算结果进行分析和验证；再根据矿物晶体化学键和弹性参数进行相关性分析。

2.如权利要求1所述的一种基于分子层面的岩石微观结构和性质的研究方法，其特征在于：所述的晶体化学键参数的计算方法包括以下步骤：

步骤(1)、计算Mⁿ⁺-X^n-静电价强度(S)，计算公式如式(1)所示：

式中，S为离子静电价强度，Z为阳离子电价，CN为配位数；

步骤(2)、计算Mⁿ⁺-X^n-离子键百分数，计算公式如式(2)所示：

式中，φ为离子键百分数，X_A、X_B为两种原子的电负性；

步骤(3)、计算Mⁿ⁺-X^n-离子键库仑力，计算公式如式(3)所示：

式中，F_k为离子键库仑力，Z_M为阳离子电价，Z_X为阴离子电价，Rc为阳离子半径，Ra为阴离子半径，e为电子电量，K为常数(9*10⁹N·m²/C²)；

步骤(4)、计算Mⁿ⁺-X^n-离子键极性，计算公式如式(4)所示：

式中，F为离子键力，λ为离子键极性，Z为原子核电价数，CN为配位数，r_c为离子共价半径，F_X为非金属离子键力，F_M为金属离子键力；

步骤(5)、计算Mⁿ⁺-X^n-平均键价，计算公式如式(5)所示：

式中，S’为离子键平均键价，R为键长，R₀与N(R₀或B)为原子种类、价态有关的经验常数。

3.如权利要求1所述的一种基于分子层面的岩石微观结构和性质的研究方法，其特征在于：所述晶体弹性参数计算方法为：

采用Materials Studio软件的CASTEP模块，输入晶胞参数建立单晶模型，对模型进行几何优化，然后施加应力并进行线性拟合得到岩石晶胞的弹性常数；在弹性范围内，晶体的应力张量和应变张量关系为：(σ_i)＝(C_ij)(ε_j)，其中C_ij称为弹性常数，σ_i为应力张量，ε_j为应变张量；由于应力和应变张量的对称性及应变能的存在，独立的弹性常数分量有21个，其矩阵形式如下：

根据Voigt和Reuss理论计算晶体的体积模量B和剪切模量G，计算如式(7)所示：

9B_V＝(C₁₁+C₂₂+C₃₃)+2(C₁₂+C₁₃+C₂₃)

15G_V＝(C₁₁+C₂₂+C₃₃)+3(C₄₄+C₅₅+C₆₆)-(C₁₂+C₁₃+C₂₃)

1/B_R＝(S₁₁+S₂₂+S₃₃)+2(S₁₂+S₁₃+S₂₃)

15/G_R＝4(S₁₃+S₂₂+S₃₃)+3(S₄₄+S₅₅+S₆₆)-(S₁₂+S₁₃+S₂₃) (7)

式中，S_ij为柔顺系数，

根据Hill理论对两种结果求平均作为晶体的弹性模量，计算如式(8)所示：

式中，B_H代表体积模量的平均值，G_H代表剪切模量的平均值。