碳酸盐岩土壤CO2的动态特征及其对溶蚀作用的驱动

由于气候及人类活动等环境因素的影响，直接观测碳酸盐岩－大气系统中ＣＯ２剖面的动态及行为比较困难，作者以碳酸盐岩发育的土壤作为ＣＯ２产生，贮存，运移的介质，对土壤剖面中ＣＯ２的分布及动态特征，不同深度标准石灰岩溶蚀试片的溶蚀作用以及岩溶地下水的水化学参数进行了观测研究，并结合以往的研究资料，对岩溶作用的气体动力学机制进行了探讨，获得如下新认识，（１）土壤剖面ＣＯ２分布特征与气候密切相关，在旱季，土壤     

碳酸盐岩断层岩的溶蚀作用及其在岩溶水研究中的应用

本文以中国山东省济南—淄博地区为例,根据理论分析、溶蚀实验、光学及电子显微镜的观察和野外工作,提出了碳酸盐岩断层岩的四种溶蚀机理。它们是:1.粘滑溶蚀作用:2.微观形变溶蚀作用:3.断裂活性热水溶蚀作用:4.压溶溶蚀作用。当调查碳酸盐岩区断裂的水文地质性质时,这些机理和断层岩的可溶性提示我们去考虑断层岩的岩溶化作用。方法是:1.断裂带中断层岩的划分:2.查清断裂带中的断层岩的组合及裂隙发育:3.研究碳酸盐岩断层岩的岩性:4.分析岩溶发育的其它条件。     

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。     

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+、${\rm{HCO}}_3^- $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。     

不同温度条件下CO2水溶液对碳酸盐岩的溶蚀作用

普遍认为酸性流体的溶蚀作用是碳酸盐岩储层形成的重要制约因素。本文以一个全新的模拟实验方式对不同类型碳酸盐岩在CO2水溶液中的相对溶蚀能力进行了研究,结果发现随温度从常温至200℃,碳酸盐岩的溶蚀能力由弱变强再变弱,在60～90℃区间内溶蚀能力最强。白云岩不管在低温还在高温环境下,总比灰岩更难溶蚀,过渡类型的岩类介于二者之间,当温度大于150℃后,CO2对碳酸盐岩的溶蚀能力变得越来越弱。灰岩与白云岩的溶蚀差异也变得越来越小。这暗示碳酸盐岩在早成岩晚期—中成岩早期,CO2水溶液对灰岩的溶蚀作用有重要影响,而对白云岩的溶蚀作用影响较小,白云岩优质储层的形成可能与碳酸盐岩中钙质的流失或白云岩化作用有关。     

不同水流速度下温度对奥陶系碳酸盐岩溶蚀速度的影响

为了解不同水流速度下温度对碳酸盐岩溶蚀速度的影响,以自行设计、制造的能够模拟水流条件,并且可同时容纳24个样品的溶蚀试验装置为平台,以淮南张集矿、潞安漳村矿和兖州东滩矿奥陶系灰岩为代表性岩石试样,选取不同温度、水流速度及CO₂压力,进行了溶蚀试验。试验结果显示,在水流速度较低时(16.67 mL/min),环境温度的变化对溶蚀速度的影响比较微小(平均溶蚀变化量为0.000 6 g/cm²)。在水流速度较大时(60 mL/min),温度的改变对溶蚀速度影响较大(平均溶蚀变化量为0.0038 g/cm²)。也就是说在地下水的强径流带,温度对溶蚀速度的影响相对较大,溶蚀速度较快,所以岩溶较发育。     

塔里木盆地北部寒武──奥陶系碳酸盐岩的深部溶蚀作用

塔里木盆地寒武－奥陶系碳酸盐岩深部溶蚀的主要特征是非组构选择性、多沿缝合线及裂隙发育。深部溶蚀的主要依据是，溶蚀了晚期成岩组构或溶蚀沿晚期成岩组构（缝合线及裂隙）进行，其中充填烃类或其他晚期成岩矿物，同时不仅在地腹区，而且在早期连续沉降（∈－Ｐ_１）、后期抬升成陆（Ｐ_２－Ｑ）的柯坪露头区具此特征。本区深部溶蚀作用主要与生油岩有机质热成熟过程中产生的二氧化碳所形成的酸性水有关。     

济南西北部碳酸盐岩热储浅埋区热异常机理研究

为了探寻济南岩体北部碳酸盐岩热储浅埋地热异常区形成机理,利用地质钻探编录、抽水试验、测温、水质分析测试等手段,对碳酸盐岩浅埋地热异常区地质特征、热储物性特征、地温场特征、水化学特征等进行研究,结果表明：碳酸盐岩浅埋区热储层发育在奥陶纪灰岩地层中,热储层岩溶裂隙发育,热储埋深150~1000m,地热异常区盖层地温梯度为7. 2~11. 5℃/100m,水化学类型为SO4- Ca型,TDS为1. 3~1. 5g/L,地热水中含有对人体有益的微量元素,地热水来源为大气降水,地热水中50年以前入渗的“古水”占主导;明确了热源除正常的地温传导之外,济南岩体阻挡迫使水流深循环加热后上涌,断裂沟通深部热源等也是地热异常区形成的重要因素。     

与碳酸盐岩有关的金属矿山开采地下水影响研究

我国碳酸盐岩出露面积广泛,并发育沉积、热水沉积和热液交代型等矿床,这些矿床的地下水赋存在碳酸盐岩的溶隙、溶管、溶管系和溶管网中,使得地下水运动复杂化。研究区矿床赋存在碳酸盐岩中,地下水为松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩溶水;不同类型水渗透系数不一,矿坑涌水量实测值为743．00m^3／h,采用数值化模拟矿坑地下水变化,获得深部开采时的地下水变化趋势,并提出突水防控对策。     

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。     

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。     

重庆中梁山碳酸盐岩溶蚀速率对季节的响应研究

在重庆市中梁山岩溶槽谷,选取林地、园地、耕地和菜地4种不同土地利用类型,通过野外下三叠统嘉陵江组白云质灰岩石试片的溶蚀试验分析不同土地利用方式下溶蚀速率对季节的响应关系。结果表明:不同土地利用方式将造成土壤性质发生不同的变化,进而对岩石的溶蚀速率产生明显的影响。但无论是从夏半年还是从全年来看,试片的溶蚀速率的大小变化均表现为:林地>菜地>耕地>园地。夏半年在全年的试片溶蚀作用过程中贡献较大,其绝对溶蚀量占全年比例都大于50%;除林地、菜地和园地土下50cm试片外,其余试片的夏半年溶蚀速率都大于全年溶蚀速率。究其原因,主要是由于夏半年气温高,降水量大,使土壤中CO2和水分等增加,从而有利于岩溶作用的进行      

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。     

塔中北斜坡鹰山组碳酸盐岩溶蚀的模拟实验研究

为了研究碳酸盐岩的微观溶蚀机理,本文采用溶蚀实验和镜像观察的方法,研究了塔中北斜坡鹰山组3种类型碳酸盐岩的溶蚀过程及微观溶蚀特征。结果表明:在相同实验条件下,亮晶生屑灰岩、云质灰岩和泥晶颗粒灰岩的溶蚀量基本一致。由于对物质成分和岩石微结构的选择性溶蚀,它们的微观溶蚀特征存在明显差异。亮晶生屑灰岩和泥晶颗粒灰岩样表面整体被溶蚀降低。云质灰岩样表面方解石部分整体被溶蚀降低,形成铸模孔,白云石溶蚀成蜂窝状溶蚀孔,并突出岩石表面,白云石晶间缝溶蚀加大且相互连通,这对油、气和地下水储渗具有重要意义。      

温度变化对碳酸盐岩储层岩石热物性的影响

以苏北盆地某地热井碳酸盐岩储层岩石为研究对象,对处于20、50、100、150、200 ℃ 5个实时温度点的3组岩石样品进行热物性参数测试,分析导热系数、比热容和热扩散系数随温度变化的规律,拟合趋势曲线和经验公式,探讨影响机制。结果表明：在20～200 ℃的温度区间内,随温度的升高,岩石的导热系数拟合曲线以二次多项式关系呈下降趋势,50 ℃的温度点是岩石导热系数由急速下降到缓速下降的拐点,导热系数平均值减小约31.47%;比热容拟合曲线以二次多项式关系呈上升趋势,比热容平均值增大约23.27%;热扩散系数随温度的变化趋势与导热系数一致,且二者具线性相关,100 ℃温度点是热扩散系数由急速下降到缓速下降的拐点,热扩散系数平均值减小约44.48%。随着温度的升高,比热容增大造成的补偿作用是导热系数下降幅度小于热扩散系数的主要原因。     

滨海岩溶区过渡带碳酸盐岩溶浊作用的试验研究

滨海岩溶具有内陆一般岩溶区不同的发育机理，其过渡带混合溶蚀作用是控制滨海岩溶发育的最主要因素之一。通过七组不同淡水与海水配比的混合溶蚀实验（封闭CO2－H2O系统），初步得出了过渡带混合溶蚀作用的基本结论：（1）滨海岩溶区过渡带岩溶发育的基本规律与内陆一般岩溶区岩溶发育规律的基本一致，即岩性，结构是控制滨海岩溶发育的最主要因素；（2）滨海岩溶区混合过渡带内碳酸盐岩的混合溶蚀速率大于纯淡水或纯海水中同种岩石的溶蚀速率；（3）在不同的CO2分压条件下，滨海岩溶区混合过渡带内碳酸盐岩的混合溶蚀机理不同。     

下蜀土-膨润土混合土的膨胀性试验及机理研究

下蜀土-膨润土混合土作为一种可选的衬垫材料,其膨胀性对城市垃圾卫生填埋场的安全性有重要意义。本文按不同的初始含水量(10%～20%)和膨润土掺量(5%～15%)共配制了9组混合土试样,并在不同的温度(30～50℃)条件下开展一系列无荷膨胀试验。试验结果表明:初始含水量是影响下蜀土-膨润土混合土膨胀的重要因素,初始含水量越高,试样膨胀性越小;混合土中膨润土掺量越高,膨胀性越大;温度对下蜀土-膨润土混合土的膨胀性也有重要影响,膨胀性随温度的升高增加,尤其对于膨润土掺量较高的试样,膨胀性的温度效应更明显。     

富CO2深部流体对碳酸盐岩的溶蚀-充填作用的热力学分析

由于广泛而强烈的岩浆作用,我国东部的松辽、渤海湾、莺歌海以及西部的塔里木等盆地中都有富CO₂深部流体的活动。富CO₂深部流体与碳酸盐岩相互作用可用Duan and Li(2008)所建立的CO₂-H₂O-CaCO₃-NaCl体系的热力学模型来进行模拟计算。计算结果表明,富CO₂深部流体在自深部向浅部运移过程中对CaCO₃的溶解度会逐渐增加,到达一定深度后溶解度达到最大值,再向浅部溶解度开始逐渐降低; 也就是深部流体具有深部溶蚀碳酸盐岩-浅部沉淀碳酸盐矿物的规律。与浅部地层中的流体发生混合会使流体的CO₂含量和盐度降低,会导致CaCO₃的沉淀充填; 深部流体进入开启性断裂/裂缝体系中时,由于压力的降低,也会发生CaCO₃的沉淀充填。深部流体的CO₂含量、盐度、温度和压力的变化影响着实际的溶蚀-充填过程。塔中地区钻井也揭示了深部下奥陶统碳酸盐岩中发育有丰富的溶蚀孔隙,而在相对浅部的奥陶系灰岩和志留系砂岩中见有大量方解石的充填,这是富CO₂流体深部溶蚀-浅部充填的一个较好的实例。基于理论和实际分析,本文认为在岩浆火山作用广泛发育的塔里木等盆地中下古生界深部优质碳酸盐岩储层存在的可能性。     

塔中地区碳酸盐岩高含量二氧化碳的产生及研究意义

塔中碳酸盐岩天然气样品中CO_2含量及其碳同位素值的分析表明,CO_2既有有机成因也有无机成因,而烃气则全为有机成因。样品对比表明,塔中碳酸盐岩天然气中的CO_2含量一般在5%以下,而高含量的CO_2则是酸化压裂时由人工注入的强酸与碳酸盐岩地层反应产生的。酸化压裂产生的CO_2含量与注入地层的酸量正相关,与求产时间负相关;据此建立了最高CO_2含量—酸量—时间相关关系图版。酸化压裂可使气样中的CO_2含量增加,但对N_2和H_2S的含量没什么影响。增高的CO_2会使和CO_2含量有关的参数受到影响,但不会影响和CO_2含量无关的研究参数。对天然气分析数据的使用提出了相关建议。     

流体混合作用导致金沉淀机理的实验研究

为了研究流体混合作用导致金沉淀的两种主要机理, 通过简化实验体系、分离影响因素, 分别设计了降温、盐度变化导致金沉淀的模拟实验.研究表明:(1)随温度降低溶液的金溶解度也随之降低, 二者之间呈现一种复杂的函数关系; 在300 ℃左右的温度段, 是金沉淀的一个很有地质意义的温度区间;(2)含金流体盐度的降低, 引起流体中金的配位基浓度降低, 导致金沉淀;(3)岩石中发生碱交代有利于金定位富集