水岩作用下灰岩溶解机理及表面形貌演化研究

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为研究水岩作用下灰岩溶解机理以及表面形貌演化规律,本文以水布垭库区灰岩为研究对象,在不同水岩作用时间进行岩样三维表面形貌扫描试验、溶液离子浓度检测及水文地球化学模拟。主要研究内容和研究结果如下:(1)开展水岩作用下矿物溶解—沉淀试验,选取盐酸溶液(0.01、0.03、0.05mol/L)、硫酸溶液(0.002、0.004、0.008mol/L)、氯化钾溶液(0.01、0.03、0.05mol/L)浸泡水布垭库区灰岩,分析不同水岩作用时间下不同溶液中离子浓度变化规律。结果表明:三种溶液与灰岩矿物水岩作用过程中,溶液中变化最为明显的阳离子为Ca2+与Mg2+,阴离子为HCO3-,该过程主要发生方解石、白云石的溶解,使得岩样中的Ca2+与Mg2+被析出,同时生成HCO3-。(2)利用PHREEQC软件对灰岩水岩作用平衡进行模拟,研究不同离子、温度、PH、CO2分压等因素对灰岩溶解—沉淀影响规律;利用PHREEQC软件对库水水岩作用进行反向路径模拟,研究从起点到终点库水与灰岩水岩作用过程。结果表明:加入8种常见阴阳离子,其中K+、Na+、Cl-的加入对灰岩矿物的溶解-沉淀反应基本没有影响,Ca2+的加入抑制了方解石溶解,Mg2+的加入使得白云石由溶解状态转变为沉淀状态,CO32-与HCO3-含量的增大抑制方解石、白云石的溶解,SO42-的加入增大了方解石的溶解量;随着温度的增加,方解石和白云石的溶解量都呈现上升趋势;随着溶液PH的增加,方解石和白云石的溶解量都呈现下降趋势;方解石和白云石的溶解量都随着CO2分压的增加而增大;反向路径模拟终点方解石和白云石的饱和指数都明显增大,说明在模拟路径上这两种矿物发生了溶解,库水与灰岩的水岩作用主要是方解石和白云石的溶解作用。(3)扫描灰岩表面的三维形貌,研究不同水岩作用时间下灰岩表面三维形貌的变化规律。结果表明:水岩作用后,岩样表面形貌高度的离散性、偏离基准面的程度、粗糙程度变大,表面高度分布的对称性好于水岩作用前,其表面高度的分布概率较水岩作用前更为集中。岩样表面高度变化越来越明显,岩样的各向同性特征越来越减弱,逐渐转变为各向异性特征,而岩样表面形貌起伏方向和纹理延伸方向未发生变化。水岩作用过后岩样表面粗糙程度增大,表面高低起伏的程度较水岩作用前更为复杂。
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