不同赋存环境下碳酸盐岩溶蚀过程试验模拟研究

目前,有关碳酸盐岩溶蚀过程的研究多集中在单一环境平衡状态下,不同赋存环境、微观尺度上的研究较少。鉴于此,为探讨不同赋存环境下碳酸盐岩溶蚀过程及微观变化特征,借助研制的岩溶水系统不同赋存环境下水岩相互作用模拟装置,选取典型岩溶水系统开放环境、半封闭环境与封闭环境的岩样,以CO₂溶液为酸性流体介质,开展室内溶蚀模拟试验,研究岩溶水中特征组分的变化规律进行模拟实验,并从宏观和微观尺度,研究岩溶水系统不同赋存环境下的碳酸盐岩溶蚀变化特征。结果显示:不同赋存环境下Ca²⁺、HCO3^-含量、饱和指数及pH值空间变化特征不同,各特征组分均呈现出随径流方向、溶蚀时间逐渐增大的趋势。不同赋存环境下,碳酸盐岩受水溶液中CO₂含量的影响,在补给区的开放环境下溶蚀性最强,形成连通性较高的溶孔、溶隙。碳酸盐岩总溶蚀率均值是半开放环境的1.43倍,是封闭环境的2.70倍,半封闭与封闭环境下碳酸盐岩溶蚀后的微观结构介于孤立微孔与完全连通性溶隙之间。此外随深度的变化溶蚀量呈逐渐减弱的趋势,且浅部的变化更为明显。碳酸盐岩的溶蚀作用还受岩性控制,其随岩石中CaO/MgO比值的增大而增强。     

成都地区含膏红层软岩溶蚀特性研究

针对成都地区红层软岩溶蚀空洞现象,以成都半岛城邦项目场地的红层软岩为例,选取不同深度的岩样进行室内浸水试验、淋滤试验和溶蚀试验,观察岩样在不同类型环境水下的作用性状和溶蚀特征,分析经历不同作用的含膏红层软岩 可溶成分的流失程度及其对环境水的影响。结果表明,红层软岩中的石膏含量随着深度的增加而增加,含膏红层及其环境水的腐蚀性显著增强;遇水后,红层软岩中的可溶成分逐渐溶解、流失,随着时间的积累;红层软岩孔隙增大,渗透性增强,红层的完整性丧失,强度衰减;在酸性环境水的作用下红层软岩中的钙质胶结物流失加剧,结构连接破坏严重,对红层的结构强度影响较大。对浸泡、淋滤和溶蚀作用后的试样,重点测试了抗压强度、波速等参数。试验结果表明,红层软岩经硫 酸溶液腐蚀后岩样的结构被破坏,单轴抗压强度从8.5 MPa降低到2 MPa,降低了76%;波速明显减小,从2 204 m/s减小至1 355 m/s,减小了40%;红层试样的pH与电导率变化也比较显著,pH值从8.77减小至7.29;电导率从55 ?s/cm增加到1 100 ?s/cm。     

石膏原岩静水溶蚀时间-温度效应试验初步研究

文章对石膏原岩在静水溶蚀条件下的时间-温度效应进行了初步研究,并从微观角度对石膏岩溶蚀破坏机理进行分析。试验发现随着溶液温度的升高、溶蚀时间的延长,石膏岩溶蚀破坏加剧。具体表现为:石膏岩失重率随温度升高、时间延长而增大,溶蚀速率均值随温度升高而增大;溶液中Ca^2+浓度随温度升高、时间延长而增大,Ca^2+浓度增长速率均值随温度升高而增大。Fick扩散及溶胀应力是石膏岩溶蚀破坏的主要原因。静水溶蚀条件下,石膏原岩主要溶蚀破坏形式为:溶胀裂缝、柱状劈裂及片状剥离。     

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。     

徐州地区碳酸盐岩溶蚀特征及影响因素分析

徐州地区碳酸盐岩主要赋存于震旦系、寒武系和奥陶系3个地层中。为研究徐州地区碳酸盐岩的溶蚀规律,于2条碳酸盐岩地层剖面上取样44件,在常温常压、相同CO_2浓度条件下开展了5,10,15,20,30 d的室内溶蚀试验。试验结果表明,矿物成分和化学成分是影响碳酸盐岩溶蚀的主要因素,比溶蚀度和比溶解度的总体变化趋势是白云岩灰岩膏溶岩,随CaO质量分数的变化呈现正相关关系,随MgO质量分数的变化略呈负相关关系。当酸不溶物质量分数小于30%时,有利于促进碳酸盐岩的溶蚀作用;当酸不溶物质量分数大于30%时,对碳酸盐岩的溶蚀有抑制作用。原生结构以及节理构造也通过改变碳酸盐岩与水的接触面积而影响溶蚀能力,溶蚀作用排序为泥晶粉晶细晶粗晶。当岩石中发育断裂、节理和破碎带时,溶蚀作用首先沿这些脆弱带进行。综合各影响因素分析,徐州地区马家沟组、张夏组、赵圩组、九顶山组溶蚀能力最强;炒米店组、馒头组、张渠组、望山组、魏集组、贾园组溶蚀能力中等;三山子组、倪园组、昌平组溶蚀能力相对较弱。     

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。     

贵州碳酸盐岩相与岩溶地下水赋水条件关系研究

贵州碳酸盐岩相控制了碳酸盐岩的类型和分布,碳酸盐岩又是岩溶地下水的储集岩,因此,碳酸盐岩相与岩溶地下水赋存条件存在一定的关系。通过野外调查和现场取样等手段,采用岩矿鉴定、化学分析、抽真空注煤油法和充气法、井下电视成像法等测试技术,选取贵州具有代表性的三个地层二叠纪茅口组(P2m)开阔台地相石灰岩地层、寒武纪娄山关群(∈2-3ls)局限台地相白云岩地层、三叠纪青岩组(T2q)台地边缘相(生物礁相)礁灰岩地层,从岩石的化学成分和结构特征等方面对不同岩相碳酸盐岩的赋水条件进行定性分析。同时运用层次分析方法和原理,对不同岩相碳酸盐岩的赋水条件进行定量评价。通过定性和定量评价得出贵州碳酸盐岩相与岩溶地下水赋水条件的关系为:台地边缘相礁灰岩的赋水条件优于开阔海台地相的石灰岩,开阔台地相的石灰岩的赋水条件优于局限台地相白云岩。该研究结果对指导贵州省岩溶地下水的勘探、开发利用及保护具有重要意义。     

溶蚀空间形成及中国与世界其它地区碳酸盐岩近期溶蚀量对比分析

碳酸盐岩次生渗透性是成岩作用、构造作用、水动力作用及生物化学作用的综合结果。在这些作用影响下,有的岩溶形态发育相当快,因此,了解溶蚀速度对于更好地理解岩溶水文地质问题是很重要的, 本文在评价当前碳酸敖岩溶蚀速度几种方法的基础上,对近年来从中国和世界几个其它岩溶地区获得的碳酸盐岩溶蚀观测资料进行了对比。结果表明,气候条件对碳酸盐岩溶蚀速度有明显影响。      

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。      

温度与动水压力作用下灰岩微观溶蚀的定性分析

通过扫描电镜和压汞试验,对不同温度和动水压力条件下,CO2水溶液溶蚀前后的灰岩微观结构进行研究,定性分析并探讨溶蚀作用的微观机制。首先,灰岩的溶蚀作用受岩性和结构控制,相同条件下微晶灰岩溶蚀速度和溶蚀量比鲕粒灰岩小;其次,温度和动水压力的影响较显著,动水压力高使得岩样表面的孔隙、裂隙增多并加深,析出的晶体大小悬殊,多为不规则的他形,温度升高会加剧溶蚀和结晶作用,使结晶体粗大且晶形完好。另外,灰岩在发生表面溶蚀的同时还发生孔隙结构特征改变,孔隙结构变得不均匀、不连续化,产生次生孔隙和次生矿物,受动水压力影响,灰岩的渗透性降低,结构面的连接会弱化。这些微观溶蚀特征也很好地记载了溶蚀作用过程中的信息及其结果。     

山西王家岭矿区奥陶系碳酸盐岩溶蚀规律研究

为研究王家岭矿区奥陶系碳酸盐岩的溶蚀规律,模拟造成差异性溶蚀的主要因素进行了实验。在常温常压、溶蚀液碳酸水的pH值为6.5～6.9、每次溶蚀时间控制在24h左右的条件下,对矿区不同层段的碳酸盐岩进行溶蚀实验。实验发现,碳酸盐岩的成分和结构是影响溶蚀指标的重要因素,比溶蚀度和比溶解度总体趋势是白云岩灰岩膏岩;不溶物含量的增大使比溶蚀度和比溶解度下降,机械破坏量呈非线性增加;相同情况下方解石溶解速度快于白云石2～3倍。该实验结果为矿区进行水文地质研究提供了基础数据。     

龙门石窟碳酸盐岩体文物风化作用模拟试验研究

为了研究凝结水对龙门石窟碳酸盐岩表面的风化作用机理,在现场进行凝结水观测、CO2浓度监测的基础上,利用自行研制、能模拟现场温湿度环境、能提供CO2外部来源,并能对反应过程进行监控的室内模拟试验装置系统对石窟碳酸盐岩风化作用进行模拟实验。实验结果表明,凝结水会造成碳酸盐岩表面的溶解,在CO2加入的条件下风化效果加剧,岩石的质量损失和孔隙率同时增大。经过78次的模拟试验后,灰岩岩样质量损失率为0.077%~0.088%,孔隙率由实验前的0.39%~0.40%增长到0.71%~0.74%;白云岩岩样的质量损失率为0.032%~0.038%,孔隙率由实验前的0.61%~0.68%增长为0.77%~0.85%;灰岩和白云岩的平均溶蚀深度分别为89.475μm和36.865μm,溶蚀速度分别为0.0956μm/h和0.0575μm/h,风化溶蚀作用对龙门石窟文物的影响破坏较大。      

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。     

酸雨溶蚀碳酸盐岩的源汇效应分析——以广西典型岩溶区为例

选取广西的桂林、柳州、河池、百色、玉林、南宁、钦州7个酸雨监测点进行了为期一年（2014年5月至2015年5月）的监测,结合各站点溶蚀试片和降雨降雨量、降雨时间、pH值和电导率等,分析了试片溶蚀量的主要影响因素及酸雨的源汇效应。结果表明,试片溶蚀量与累计降雨时间,即溶蚀作用发生的时间关系密切。单场酸雨对碳酸盐岩的溶蚀过程可分为两个阶段,即:前期强酸溶蚀碳酸盐岩,释放CO2,为碳源;后期碳酸溶蚀碳酸盐岩,吸收大气CO2,为碳汇。而就整年而言,碳汇过程占绝对优势,酸雨减汇量仅占总溶蚀量的0.27%～3.52%,平均为1.96%,但酸雨减汇比例随酸雨pH值的降低而呈指数增加。酸雨对岩溶碳汇有着显著影响,在岩溶碳汇的研究中不应忽视。      

线扫描分析在溶蚀机理研究中的应用

本文首次运用ｘ射线波谱仪与扫描电镜耦合技术,对碳酸盐岩天然风化样品和溶蚀试验后岩样进行了线扫描分析,定位地研究了化学成分和微观溶蚀形态的关系。尽管溶孔溶隙的发育和演化受岩石成分、矿物和岩石结构、渗流条件、岩石赋存环境等因素综合控制,但可溶质与非可溶质的配置关系仍然起着重要作用。      

硫酸盐岩岩溶发育机理与有关地质环境效应

硫酸盐岩在中国分布很广泛，特别是石膏及硬石膏，其分布遍及各省、直辖市、自治区。中国硫酸盐岩岩溶的基本特性是：没有特殊的岩溶景观；大的洞穴系统难于在自然界中保存。但是，由于硫酸盐岩（石膏和硬石膏）和碳酸盐岩（石灰岩和白云岩）常共生沉积，文中进一步探索了二者的混合溶作用机理。研究中专门进行了一系列的溶蚀试验，以研究不同状态下石膏的溶解作用。试验结果表明，气候条件、热液作用对石膏岩溶发育有着重要的影响。石膏在盐水中的溶蚀量比在蒸馏水中要高2－3倍。硫酸盐岩中生物岩溶作用是非常重要原，包括石膏和硬石膏在有机物参与下，经厌氧的硫酸盐还原菌以及排硫杆菌的气化作用，都可加速对CaSO4的溶蚀作用。在所研究的样品中，都检测到这些可发生生物岩溶作用的菌类。根据硫酸盐还原菌还原生成H2S及排硫杆菌作用而降低水中pH值，表明细菌的岩溶作用也存在不同的程度。在研究硫酸盐岩岩溶作用机理的基础上，同时讨论了典型硫酸盐岩地区存在的岩溶塌陷、陷落柱、地面沉积及滑坡等地质灾害，以及人工加速诱发友酸盐岩地区地质灾害的实例。     

不同温度条件下碳酸盐结晶沉淀研究

本文结合碳酸盐岩溶蚀机理研究,从理论上并通过模拟试验对与温度条件密切相关的碳酸盐结晶沉淀作用进行了探讨。在大量矿物结晶显微照片及测试数据的基础上,阐明了石炭岩、白云岩等碳酸盐岩类在不同温度条件下（25℃、40℃、60℃和80℃）溶蚀一结晶过程中碳酸盐晶体形态及生长发育的不同特征。同时还探讨了随溶蚀—结晶时间、压力及溶蚀液性质的改变,晶体形态、晶粒大小、结晶速率等的变化趋势。这项研究对反演自然界碳酸盐岩溶蚀—结晶过程和喀斯特形成发育规律、探索碳酸盐岩的成岩作用以及评价油气水等岩溶裂隙储集层特征等均具有重要意义。     

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。     

褐铁矿和白云石对垃圾渗滤液厌氧消化增强作用的初步研究

垃圾渗滤液治理一直是城市生活垃圾卫生填埋场的难题。能否利用矿物-微生物交互作用提高垃圾渗滤液有机污染物厌氧转化的效率是值得研究的问题。本文设置4组厌氧生物反应器(分别为只添加褐铁矿或者白云石、同时添加褐铁矿和白云石以及不添加矿物的空白组),考察添加褐铁矿、白云石对垃圾渗滤液厌氧消化的影响。实验结果表明,厌氧生化反应12 d时,添加了褐铁矿和白云石的反应器中COD去除率均达到80%以上,而空白对照组COD去除率仅为50%;4组反应器中溶液pH值变化表明,矿物的存在提高了溶液的pH值0.5左右;4组反应器中氨氮含量变化不大,也没有表现出明显差异。研究认为褐铁矿或白云石矿物在垃圾渗滤液中有机物的厌氧消化过程中起到了重要促进作用。研究结果为提高垃圾渗滤液厌氧处理效率提供了一个可供参考的方法。     

鄂尔多斯盆地奥陶系压释水岩溶地球化学模拟

鄂尔多斯盆地的压释水岩溶是在中深埋藏条件下,富含有机酸的压释水渗入碳酸盐岩含水层所产生的溶蚀作用过程及岩溶化结果.从矿物的化学成分上来看,具有较低的Sr,较高的Fe、Mn含量,反映了埋藏较深、温度较高的成因环境.包裹体的大小、形态和分布特征显示矿物形成于水流交替缓慢,温度、压力及溶液浓度变化较为稳定的环境;包裹体的化学成分表明压释水岩溶作用较强的地区,溶解离子含量较低,pH值较低;包裹体同位素分析结果显示溶蚀孔、缝充填物的(D值较高,形成于氘富集的热卤水环境.通过压释水岩溶的地球化学模拟试验与系统分析得出:压释水的溶蚀动力源于有机酸的介入;压释水的溶蚀过程是一个缓慢的渗流扩散过程;压释水的溶蚀强度与有机酸的含量密切相关.