鄂尔多斯盆地奥陶系不同组构碳酸盐岩埋藏溶蚀实验

鄂尔多斯盆地奥陶系碳酸盐岩储层受埋藏溶蚀作用控制明显,而地层深部复杂的水-岩反应造成埋藏溶蚀研究难度较大,并进而影响了储层的评价与预测。分别利用CO₂溶液和乙酸溶液为流体介质进行溶蚀模拟实验,探讨埋藏条件下温度、压力、流体等因素对不同矿物及组构碳酸盐岩溶蚀作用的影响。结果表明:1）随着温度与压力升高,碳酸盐岩样品在乙酸溶液中的溶解速率均相应提高,在CO₂溶液中的溶解速率则先增加后减小,且在110℃~130℃区间内溶蚀速率最大;深埋藏环境下,各岩类溶蚀速率差异减小,并趋于一致;2）岩石矿物成分和组构,原岩初始孔隙度的大小及其连通关系,以及晶体的产状对成岩后期的埋藏溶蚀作用也具有重要的影响。不溶组分含量低、颗粒/灰泥比高、矿物成分复杂的碳酸盐岩由于组构选择性溶蚀作用而更易被溶蚀;碳酸盐岩的溶蚀速率随方解石含量的增加而增加,但深埋藏环境下,矿物成分含量差异对溶蚀速率的影响作用减弱;硬石膏与白云岩相伴生时,可优先溶蚀形成膏模孔,并促进白云石的溶解,改善储层效果。不同岩性,总体上灰岩较白云岩及过渡岩类更易发生埋藏溶蚀作用。结合研究区实际地质条件分析,砂屑灰岩、膏质白云岩等埋藏溶蚀强度较大,通过对原岩早期组构选择性溶蚀形成孔隙的继承和调整,叠加埋藏期岩溶作用后,可形成规模优质储层。     

基于室内试验的四川峨眉—汉源高速廖山隧道碳酸盐岩溶蚀特征分析

廖山隧道是峨汉高速的控制性工程之一,隧址区岩溶地质条件复杂,为了深入研究隧址区碳酸盐岩的溶蚀特征,文章以隧址区中生界三叠系中统雷口坡组典型白云质灰岩、灰岩及钙质泥岩试样为研究对象,开展静态溶蚀试验,定量分析了碳酸盐岩溶蚀速率特征及相关影响因素,最后定性探讨了扫描电镜下试样溶蚀过程的微观结构变化。结果表明:（1）试验条件下（20 ℃、1 atm、乙酸溶液、pH=5.30、静态溶蚀）,隧址区雷口坡组灰岩溶蚀速率约3.48 mm/a,白云质灰岩溶蚀速率约1.57 mm/a,钙质泥岩溶蚀速率约0.90 mm/a;（2）碳酸盐岩的溶蚀受矿物组分及溶蚀环境控制,相同溶蚀环境下,溶蚀速率与方解石含量呈正相关,与白云石含量及溶蚀介质PH值呈负相关,总体上具有灰岩>白云质灰岩>钙质泥岩的特征;（3）有机酸与无机酸环境下灰岩溶蚀速率差异不大,总体趋势相同,而中性盐溶液与碱性环境则对灰岩溶蚀起到不同程度的抑制作用;（4）碳酸盐岩具有优先沿矿物成分、岩石微结构选择性溶蚀的特征,主要矿物含量的不同也使得碳酸盐岩的微观溶蚀过程存在一定差异。     

盐酸及乙酸介质中碳酸盐岩溶蚀表面特征及机理

<正>碳酸盐岩储层在世界油气分布中占有重要地位,而表生与埋藏岩溶是碳酸盐岩储层发育的重要影响因素。目前对表生条件下碳酸盐岩的溶蚀规律的认识不尽相同。本研究针对这一问题,选取南堡凹陷及周边凸起区典型碳酸盐岩样品,在岩石学研究的基础上进行乙酸和盐酸溶液的溶解实验,从微观溶蚀特征出发,解释表生岩溶条件下碳酸盐岩的溶蚀机理,并对不同组分碳酸盐岩的溶蚀程度进行对比,以明确其溶蚀规     

混合岩溶流域碳酸盐岩溶蚀速率与岩溶碳汇——以漓江流域上游为例

碳酸盐岩矿物的化学风化速率要显著高于硅酸盐岩矿物,碳酸盐岩和硅酸盐岩混合流域中碳酸盐岩矿物风化对河流水化学的贡献占主导。为研究混合岩溶流域碳酸盐岩风化及岩溶碳汇特征,在漓江流域上游大溶江、小溶江、灵渠3个混合岩溶流域选取了24个点放置标准溶蚀试片并测试对应的土壤理化性质。基于雨季和全年试片溶蚀量和土壤理化特征,分析试片溶蚀量的主控因素及季节差异,定量评估大溶江、小溶江和灵渠流域岩溶碳汇强度。结果表明:空中试片溶蚀量主要受控于降雨,植被会部分遮挡降雨,使试片溶蚀量显著下降,而地表和土下碳酸盐岩溶蚀受降雨和水文过程共同控制;雨季碳酸盐岩溶蚀更快,空中试片溶蚀量主要受控于降雨,而地表和土下试片主要受控于土壤水分的变化;基于溶蚀试片法,大溶江、小溶江和灵渠流域岩溶碳汇强度分别为0.75、0.30和2.92 tC?km-2 ?yr-1。      

基于扫描电镜和CT成像技术的碳酸盐岩溶蚀作用微观结构和变化规律研究

为研究溶蚀作用下碳酸盐岩孔隙的演变规律及控制作用,文章选取三峡地区4种类型碳酸盐岩开展溶蚀实验。同时结合扫描电镜、CT成像对实验前后岩石的溶蚀特征及孔隙结构进行测试。结果表明:溶蚀总发生在低晶格能的矿物处且沿矿物晶体的菱形解理面以及薄弱部位发育,表现为对矿物和孔隙等结构的选择性溶解;碳酸盐岩的孔隙度对溶蚀过程影响较小,岩石的孔径大小是影响碳酸盐岩溶蚀速率的重要因素;小孔径岩石的溶蚀多在样品表面发育小型溶孔,大孔径岩石的溶蚀主要发生在孔隙隙壁且有向岩石内部溶蚀的痕迹;经溶蚀改造,孔喉半径和连通性均呈现出增长趋势。本研究对碳酸盐岩差异性岩溶作用机理及岩溶发育规律的认识有一定指导意义。      

模拟污水对碳酸盐岩的溶蚀作用及其潜在的环境意义

碳酸盐岩是个巨大的碳源和钙源,在地球表面分布极广。随着近年来污水排放量的增加,对地表碳酸盐岩的溶蚀产生重大影响。为研究污水对碳酸盐岩的溶蚀作用及其环境效应,利用原子吸收分光光度计、pH计、酸滴定法、扫描电子显微镜-能量扩散X射线谱仪和X-射线粉晶衍射等,分别测定反应体系中的金属离子浓度、pH值、HCO3-浓度、碳酸盐岩被溶蚀前后表面形态和组分变化等指标。研究发现,模拟污水(含有几种重金属离子、H2PO4-、NH4+、脲和土壤微生物等)对碳酸盐岩的溶蚀结果有显著差异,如模拟污水对碳酸盐岩有强烈的溶蚀作用,使其释放更多的Ca和C;低浓度Pb(NO3)2溶液对碳酸盐岩溶蚀表现为吸收CO2;高浓度的Pb(NO3)2、CuCl2、CuSO4和土壤微生物扩增溶液对碳酸盐岩溶蚀表现为释放CO2;重金属盐溶液和复合污水对碳酸盐岩溶蚀后有次生矿物生成等。     

黑色页岩水岩化学作用实验研究

水岩作用是黑色页岩化学风化的重要途径,并与岩体矿物组分、工程性质及地质环境有着密切的联系。利用自制的流通实验装置对取自三江县团结电站附近的寒武系清溪组黑色页岩与富含溶解氧去离子水的化学反应进行试验模拟研究,并利用离子分析仪、电感耦合等离子体质谱仪对反应后溶液离子浓度进行分析,使用扫描电子显微镜观察反应前后岩样微观特征,结合岩样渗透系数的变化监测,对岩样中黄铁矿氧化动力学速率以及受黄铁矿氧化影响形成的酸性环境下硅元素释放速率进行计算分析。结果表明,黄铁矿氧化行为使得岩体渗透率降低约70%,在黑色页岩自身矿物化学组分和岩石物理性质的共同影响下,所含黄铁矿氧化速率与纯黄铁矿颗粒的氧化速率非常接近,同时黄铁矿氧化形成的酸性溶液可溶蚀岩体中石英和伊利石,由于两者含量未能精确测定,因此所测得硅元素释放速率仅表示两者溶解的总反应速率。     

可溶岩化学溶蚀试验方法研究综述

可溶岩中存在大量的溶洞、溶隙、溶孔、管道等溶蚀现象,易造成山体崩滑、地面塌陷、洪涝等灾害,因此研究可溶岩的化学溶蚀速率可以预测岩溶的发展趋势,为岩溶地质灾害早期识别与安全评价提供保障。文章在大量文献调研的基础上,综合分析国内外学者围绕可溶岩化学溶蚀试验方法取得的成果,得到以下认识:（1）可溶岩化学溶蚀试验方法不断成熟和完善,研究深度和应用范围逐步拓展。（2）可溶岩化学溶蚀的测定方法很多,根据试验开展的条件主要分为室内溶蚀试验和野外溶蚀试验,其中标准溶蚀试片法以其操作简单被广泛采用。（3）现有的可溶岩化学溶蚀测定方法的原理及适用性不同,需要综合运用多种试验手段得出相对可靠的试验结果。根据这一科学问题的研究现状,下一步应着重开展大尺寸可溶岩室内溶蚀试验研究,建立模型试验系统真实模拟野外可溶岩的溶蚀过程,并加强从微观角度刻画可溶岩的溶蚀过程。另外需要综合运用多种野外试验方法开展研究,避免或降低单一试验方法可能带来的较大误差,建立野外溶蚀试验和室内溶蚀试验的关联,以期通过室内短期的试验研究推测野外长时间尺度下的溶蚀状态。     

洞穴石笋形成过程中的溶蚀作用研究

本文通过洞穴石笋沉积过程的野外观察和剖面研究分析了洞穴石笋形成过程中的溶蚀作用。依据溶蚀的原理,本文把溶蚀作用分为物理溶蚀、化学溶蚀和生物溶蚀三种类型。野外观测和石笋剖面研究表明溶蚀作用是一类普遍存在的现象。在野外,物理—化学溶蚀表现为石笋顶部的滴蚀坑穴,生物溶蚀形成披覆于石笋表面的风化壳。在剖面上,物理—化学溶蚀表现为沉积纹层的中断、沿生长轴的充填构造和孔洞,生物溶蚀则形成剖面上风化壳层。     

从表生到深埋藏环境下有机酸对碳酸盐岩溶蚀的实验模拟

通过细粉晶白云岩、泥晶灰岩、泥灰岩和含生屑泥晶灰岩与2 ml/L乙酸溶液的溶解动力学实验,研究了从表生到深埋藏环境下有机酸对碳酸盐岩储层的改造作用机理。结果显示,四种类型碳酸盐岩的溶解速率在3.34×10–9~2.27×10–8 mol/(cm2·s)之间,并且溶解速率随埋藏深度(地层温度和地层压力)的增加而增大。从表生到中埋藏环境下,泥晶灰岩、泥灰岩和含生屑泥晶灰岩的溶解速率大于细粉晶白云岩;在深埋藏环境下,细粉晶白云岩的溶解速率逐渐与泥晶灰岩、泥灰岩和含生屑泥晶灰岩的一致,这揭示出在相对高温高压下,埋藏有机酸性流体对碳酸盐岩的溶蚀改造作用中,碳酸盐岩的溶蚀速率与其方解石和白云石含量的关系并不大。反应前后样品表面的扫描电子显微镜分析结果表明,细粉晶白云岩的晶间溶孔、晶内溶孔更加发育。细粉晶白云岩中白云石溶解成蜂窝状溶解孔,晶间缝溶蚀加大且相互连通,这种微观溶蚀特征更有利于油、气的储集及运移。结合岩石的溶蚀速率及其微观溶蚀演化特征,指出碳酸盐岩矿物成分和含量固然对其溶蚀作用具有控制影响,但是碳酸盐岩溶蚀形成的孔隙类型及其连通性能与碳酸盐岩有利储层形成的关系更为密切。     

施用农肥对岩溶溶蚀作用的影响及其生态环境意义

土壤下伏碳酸盐岩溶蚀作用研究对岩溶区成土作用及大气中CO_2影响意义重大.施肥改变了土壤的生物地球化学场,进而会影响岩溶区的岩溶动力学过程及碳循环.本文在贵州贵阳碳酸盐岩土壤剖面不同深度,埋设白云石、石灰石试片,进行了野外溶蚀试验,观测了试片溶蚀量、土壤CO_2、土壤pH及其他如土壤含水量、土壤矿物与化学成分、土壤水化学成分等影响凶素.结果表明:(1)施用农家肥降低了碳酸盐岩的溶蚀速率:石灰石的溶蚀速率降低了10.48%～53.90%.平均25.51%;白云石的溶蚀速率降低了25.0%～65.69%,平均39.45%.同样条件下土壤中石灰石溶蚀量比白云石大.(2)施用农家肥降低了当地的碳酸盐岩成土速度,降低了35.77%～37.27%.(3)施肥土壤更利于CO_2的产生:施肥剖面土壤中CO_2浓度比空白剖面CO_2浓度高22.52%～198.87%,平均高93.94%;施肥剖面地面CO_2通量比空白剖面地面CO_通量高67.64%.(4)施用农家肥减少了土壤对大气CO_2的沉降量,在贵州贵阳地区,减少的大气CO_2沉降量为25.50%～39.45%;间接地对岩溶水CO_2汇的作用产生了抵消作用,在贵州贵阳地区,抵消作用为59.41%～62.73%.     

山东莱芜盆地碳酸盐岩热液溶蚀特征及水文地质意义

鲁中山区莱芜盆地在燕山期发生大规模岩浆侵入活动,岩浆岩体外围碳酸盐岩区分布有水源地、富水块段等岩溶发育富水区,且靠近岩体含水层多发生大理岩化。富含CO₂、H₂S等酸性成分的岩浆热液流体,能对碳酸盐岩产生明显的溶蚀作用。基于岩石样品化学组分分析、水文地质调查及数据统计分析、热液溶蚀地质点详细观测,构建热液溶蚀模式,对莱芜盆地及外围热液溶蚀特征及机理进行研究。结果表明:高温高压岩浆侵入使得接触带碳酸盐岩发生热液变质大理岩化;沿渗透性断裂、裂缝以及不整合面等运移的热液流体,对碳酸盐岩地层产生酸性热液溶蚀和混合溶蚀作用,形成不同规模溶蚀孔洞,构成地下水富集空间,为寻找城镇地下水后备水源地提供新方向。     

Effect of Farmyard Manure Application on Dissolution of Carbonate Rocks and Its Eco-environmental Impact

A much improved understanding of how farmyard manure application may affect carbonate rock dissolution is needed in order to predict possible feedbacks between the rock carbon cycle and the global climate system. Two carbonate mineral rock tablets; dolomite and limestone were buried at six depths between 0 and 110 cm in a soil typical of the subtropical karst area in Guiyang City, Guizhou Province. The extent of tablet dissolution, soil CO2, soil pH, soil water content, soil mineral and chemical composition, and chemical composition of soil water were tested in order to assess the degree of dissolution under manure application over the course of one year. The results show that manure addition decreases the dissolution rate of carbonate rocks; limestone and dolomite by between 11.7%-116.9% and 25.0%-65.69% respectively, with the dissolution rate of limestone consistently exceeding that of dolomite under the same conditions. Our data indicates that the rate of pedogenesis of the dolomite and limestone rocks is decreased as much as 35.77% and 59.41% respectively, as a result of manure application. Moreover, the results suggest that manure application accelerated the generation of soil CO2, with soil CO2 concentration increasing on average by 93.94%, and the CO2 flux increasing by 67.64% compared with the control profile. Finally, the data also indicates that manure decreases CO2 uptake by dissolution of carbonate rocks by 25.50%-39.45% on a Guiyang city scale. The counteraction of the CO2 sink contributed by karst water due to farmyard manure utilization in general karst area (both dolomite and limestone) however was 59.41%-62.72%, indicating the application of manure successfully reduces both dissolution and CO2 release to the atmosphere.

     

动水压力作用下碳酸盐岩溶蚀作用模拟实验研究

为研究岩溶地区水库蓄水不同条件下动水压力驱动下的碳酸盐岩溶蚀作用机制。以乌江流域某水电站坝前地区碳酸盐岩为研究对象,利用自行研制的开放体系压力溶蚀实验系统,对不同动水压力（0～2.0 MPa）条件下CO2水溶液溶蚀碳酸盐岩的过程进行实验模拟,其结果显示,动水压力增大会引起碳酸盐岩的溶蚀作用加剧,溶解速率曲线随动水压力的变化而发生显著改变;随动水压力的增大,岩石的化学溶解量和机械破坏量同时增大,两者的比值随着压力增大逐渐趋于1：1,两者之间存在耦合关系。采用扫描电镜与压汞试验相结合的方法进行微观研究发现,动水压力对碳酸盐岩的溶蚀作用不仅发生于岩石表面,使表面溶孔增大并加深,产生次生孔隙和次生矿物,同时还改变着岩石的内部孔隙结构,降低其渗透性并弱化结构面的连接。     

早成岩期喀斯特化研究新进展及意义

基于四川盆地多个层位的、不同岩相的碳酸盐岩具有差异岩溶特征的发现与思考,结合当今国外有关碳酸盐岩早成岩期喀斯特化研究进展的调研,进行了简单的梳理与归纳。(1)喀斯特物质基础可分为孔渗性较好的早成岩期岩石与致密的晚成岩期岩石2类。它们分别以基质粒间孔和裂缝作为岩溶水的输导介质,形成所谓的非受限管道与受限管道,从而控制了不同成岩期岩石的喀斯特形态特征,并强调不同成岩期碳酸盐岩孔渗性控制喀斯特缝洞发育模式。(2)重视不同地理环境对喀斯特化的影响,按地理环境可以分为岛屿、海岸型喀斯特和大陆型喀斯特2类:前者主要以与大气淡水透镜体相关的化学溶蚀为主,发育极具识别意义的侧翼边缘溶洞,但其影响是局部性的;后者以地表、地下河流的机械侵蚀为主,地下暗河沉积发育,其影响是区域性的。(3)重点关注目前国内涉及较少的早成岩期喀斯特的宏观与微观特征、判识标志以及溶蚀机理等研究成果。最后,结合四川盆地古生界多个层位类似早成岩期喀斯特的发现与识别,分析总结早成岩期喀斯特型储集层发育及分布特征,以期今后对类似喀斯特现象的发现、识别以及相关储集层的勘探提供参考与借鉴。     

半干旱岩溶区油松林显著促进碳酸盐岩溶蚀

植被覆盖通过促进碳酸盐岩风化吸收大气CO2, 在实现碳中和中具有重要作用, 但不同植被类型的影响强度仍不清楚。为揭示半干旱区植被类型对碳酸盐岩风化的影响规律, 以一个典型岩溶小流域为研究区, 通过系统的植被调查和野外溶蚀试片试验, 详细对比了不同植物群系的碳酸盐岩溶蚀率及其影响因素, 并探讨了不同分类层次植被的溶蚀率的差异。结果表明, 半干旱岩溶区碳酸盐岩溶蚀率在植被型组层次为森林>草地>灌丛, 在演替的早期减弱、后期促进溶蚀; 群系层次的对比发现油松(Pinus tabuliformis)林内碳酸盐岩溶蚀率最高, 是其它群系的5倍至近30倍; 不同群系对溶蚀率的影响强度的大小得以明确; 溶蚀率与土壤CO2浓度(pCO2)、土壤温度和土壤含水量任何单一因素无相关性, 而与三者匹配性有较好的对应关系, 与湿润区明显不同; 植被演替通过增强对溶蚀环境因子匹配性的调控能力, 促进碳酸盐岩的溶蚀。半干旱区油松林显著促进碳酸盐岩溶蚀, 进行群系层次的广泛对比研究可以更好揭示植被类型与碳酸盐岩溶蚀之间的关系, 为提高岩溶生态系统恢复的碳汇量提供有效指导。     

岩溶试片的岩性差异对估算岩溶速率和碳通量的影响

研究岩性差异对溶蚀速率的影响有助于提高溶蚀试片法估算岩溶碳汇强度的精确度。本文以贵州省普定县为研究区,将埋放地的主要基岩类型（石灰岩与白云岩）制成标准尺寸的试片,并将其埋设于不同土地利用类型和土壤深度下,经过4个水文年的监测后将估算的结果与前人在同一区域使用标准溶蚀试片的研究结果进行对比分析,结果表明:（1）在相同气候和土壤环境条件下,岩性对溶蚀试片的溶蚀速率有显著影响,且溶蚀速率与岩石中CaO含量呈正相关关系,与MgO含量呈负相关关系;（2）石灰岩与白云岩试片溶蚀速率的差异程度受土地利用及埋放深度的调控,整体上石灰岩溶蚀速率比白云岩溶蚀速率大14%;（3）不同岩性试片估算的岩溶碳汇强度相差较大,标准溶蚀试片估算的结果比埋放地基岩试片估算的结果高。故使用溶蚀试片法估算区域岩溶碳通量时应考虑埋放地基岩的岩性,或者对基于标准溶蚀试片的估算结果进行校正,才能准确反映区域尺度真实的岩溶碳通量大小。      

基于碳酸盐岩风化的碳源分析及土壤的影响作用机制

在CO2 - H2O- 岩石系统中由于碳酸盐岩的可溶性,使其回收土壤/大气CO2 的通量比硅酸盐岩更大。通过大陆河流湖泊HCO-3 来源和海洋碳来源两种计算方式得出,碳酸盐岩溶解回收大气CO2 的量是其它岩类的3倍以上。与同纬度地带性土壤相比,岩溶地区土壤通过促进土下碳酸盐岩的溶解与固碳作用对大气CO2 产生更为强烈的汇效应: 土壤的覆盖使土下碳酸盐岩的溶蚀速率平均提高4.35倍,从而加快了对土壤/大气CO2 的回收速率;富钙的土壤地球化学背景使石灰土富含胡敏酸钙,胡敏酸在土壤中的存留时间长达780～ 3 000年,是其它类型土壤有机质如富里酸的4～ 5倍,稳定的胡敏酸钙使土壤有机碳稳定性增加、周转周期延长而得以累积,固碳作用将减少土壤CO2 向大气的排放。石灰土的平均有机质含量比同纬度红壤、黄壤分别提高了44%、33% ,固碳作用十分明显。      

苏南地区碳酸盐岩的溶蚀性分析

为了解江苏南部地区碳酸盐岩地层的岩溶发育潜力,采集代表性岩石样品,并制作成统一规格的试片,开展一个水文年的溶蚀试验。结果表明,本地区碳酸盐岩的平均溶蚀速度约为1.42 mm?ka-1,与国内其它地区相比处于较低的水平,大致相当于西南地区的1/30,略高于北方岩溶区。实验证明了苏南地区二叠系、三叠系碳酸盐岩具有最强的溶蚀性,这为解释上述地层区的岩溶现象提供了地质依据。研究还表明,岩石的溶蚀性与Ca含量关系密切,同时也受岩石矿物成分、微构造影响,一般高Ca碳酸盐岩具有较高的溶蚀性。苏南地区的岩溶发育性以岩石溶蚀性为基础,但水动力条件也十分关键,宜兴地区二者兼备,岩溶最为发育。