方解石溶解、沉积速率控制的物理、化学机制

项目来源：国家自然科学基金项目 项目编号： 49703047 起止时间： 1998年1月—2000年12月 项目负责人：刘再华 主要完成人：刘再华何师意曹建华 承担单位：中国地质科学院岩溶地质研究所 该项目主要是探索在水动力条件、CO2转换、溶液饱和度等耦合动态变化条件下方解石溶解、沉积速率的变化规律，以弄清方解石溶解、沉积速率水动力控制、CO2转换控制、及表面反应控制的条件和机制，最终建立方解石溶解、沉积动力学数学模型。 研究采取野外观测试验、室内模拟实验和模型计算三者相结合，最后求得统一的总体研究实验方法。获得的主要成果如下： (1) 在野外对四川黄龙沟进行了水化学和水动力的观测研究。结果表明，水动力条件(流速)对沉积速率有明显的控制作用，快速流动水体中的方解石沉积速率是慢速流动水体中的2～5倍。 (2) 进行了室内多条件变化的方解石溶解、沉积速率控制机理实验研究。实验中的水动力控制通过使用旋转盘技术实现，即DBL厚度由旋速的改变来精确调节。实验结果表明，溶解速率与旋速有关，即旋速愈高，速率愈大，或DBL愈薄，速率愈大。另一方面，上述关系取决于系统的CO2分压。实验发现，在实验控制的旋速范围(100～3500转/分，相应于DBL厚度0.005～0.001cm)内，CO2分压愈低，旋速对溶解速率的控制愈显著，然而当PCO2>0.01atm时，速率的传输控制已很微弱。 (3) 应用DBL模型较为成功地对上述实验结果进行了预报。模型结果显示，PCO2>0.01atm且DBL厚度大于0.001cm时，速率与DBL厚度的变化几乎无关，反映出该条件下速率的CO2转换控制机理。为检验这一模型结论的正确性，我们将能显著地催化CO2转换反应的CA注入反应系统，结果发现，PCO2>0.01atm时方解石溶解速率提高约10倍，而低CO2分压时，溶解速率只有微弱增加。 (4) 上述野外和室内研究证明，DBL理论模型能以较满意的精度预测不同条件下方解石沉积或溶解的速率。预测的速率可近似地用以下线性速率定律表示： F=±α(［Ca2+］eq-［Ca2+］) 其中+和-分别指方解石溶解和沉积；［Ca2+］eq为与方解石平衡的钙浓度；［Ca2+］为溶液中钙浓度；α为速率常数，取决于系统温度、CO2分压、DBL厚度和流动水层厚度。 (5) 研究成果的科学意义在于首次在野外定量发现了水流速对方解石溶解和沉积速率的显著控制，并在室内进行了成功的模拟，这对于解释自然界诸如四川黄龙国际自然遗产的重要组成部分——多姿多彩的钙华景观的成因及保护类似景观具有重要的理论和指导价值。更重要的是，研究过程中生物高分子催化剂碳酸酐酶对方解石溶解沉积速率具有显著控制的发现，不仅在揭示岩溶作用机理方面具有重要的学术意义，其进一步研究可能揭示某些生物岩溶之谜，并进而在解决与我国西部开发密切相关的岩溶石漠化的生物技术措施方面具有广阔的应用前景。此外，研究获得的数学模型对于定量评价岩溶作用在全球碳循环中的贡献也是非常重要的。 (6) 研究过程中共发表相关论文11篇，涉及国际核心期刊(SCI期刊)有“Environmental Geology”(美国)、科学通报、中国科学和地质学报等，在学术界产生了较大的反响。 (7) 项目执行过程中前往美国参加了两次学术会议，并宣读了论文，同时利用野外考察和会间讨论的机会与国际相关知名学者进行了广泛的学术交流，产生了良好的反响，并达成了与德国不莱梅大学、日本九州大学和澳大利亚纽卡斯尔大学进行国际合作交流的意向，前两项已分别于1999年和2000年完成，后一项计划于2001-2002年进行，并签订了合作协议。