水巖相互作用水巖相互作用對地下水化學性質的影響

查明地下水水質時空分布規(guī)律、形成作用和影響因素是研究地下水循環(huán)、演化及其生態(tài)效應的關鍵。近年來大量野外和室內觀測數(shù)據(jù)的積累，使水文地球化學理論得到快速發(fā)展，主要體現(xiàn)在有關控制水的化學成分的地球化學過程研究成果方面。

水文地質蓄水構造內，從補給區(qū)－徑流區(qū)－排泄區(qū)，含水層巖石多種多樣，且各區(qū)段巖層富(透)水性大小、地下水在含水層中運動速度、循環(huán)交替、地質及水文地球化學環(huán)境、水中物質組成各有差異。因此，地下水的化學成分是多變量的復雜函數(shù)，如補給水成分、地下巖石成分、巖石水文地質特征等。Frape、Hem等認為地下水化學形成的主要作用有溶濾作用、陽離子交替吸附作用、脫碳酸作用、脫硫酸作用、蒸發(fā)濃縮作用和混合作用等，為地下水水化學成因探討奠定了理論基礎。國內外很多學者通過多種水巖作用模擬實驗，利用同位素地球化學方法、熱力學方法及水文地球化學調查等綜合方法對上述各種作用進行驗證，取得了大量研究成果。如Carlyle等利用室內試驗測得陽離子交換容量和選擇系數(shù)；Scho-field、楊鄖城等通過同位素、離子比例證明了蒸發(fā)作用的發(fā)生；曹玉清等建立了典型水文地質蓄水構造水化學反應模型，并針對不同地區(qū)系統(tǒng)地研究了去白云化作用、脫硫酸作用、陽離子交替吸附、蒸發(fā)等水文地球化學作用。這些研究對定量揭示地下水化學成因具有重要意義。

水巖相互作用不僅在地下水水化學成份的演化中具有重要作用，而且還使地下水水化學成分具有明顯的水平或垂向分帶特征。以往研究主要依據(jù)水文地球化學特征并結合水動力條件、動力影響因素等進行區(qū)帶劃分，但由于研究區(qū)的地質環(huán)境不同，分帶類型也存在很大差別。扎尹采夫，и．к伊格納維奇、馬卡連科等以地下水動力學作為水文地球化學分帶性的決定因素。Aucott和Speiran等利用地球化學和微生物作用沿水流路徑將含水層劃分為高鐵帶和低鐵帶。國內學者依據(jù)地質環(huán)境將地下水分為淋溶、集聚、富集、還原環(huán)境和強烈人為活動疊加五個區(qū)。樓章華等依據(jù)松遼盆地地下水動力場、動力影響因素及水化學特征將地下水進行了垂直分帶和水平分區(qū)，垂向上由淺入深可以劃分出：大氣水下滲淡化帶、近地表蒸發(fā)濃縮帶、泥巖壓實排水淡化帶－壓濾濃縮帶、粘土礦物脫水淡化帶和滲濾濃縮帶等5種水化學剖面單元類型；而平面上可分為：盆地邊緣為大氣水下滲淡化區(qū)、盆地中央為泥巖壓實排水淡化區(qū)、越流區(qū)為過渡區(qū)、越流－蒸發(fā)區(qū)為濃縮區(qū)。此外還有其它的類型劃分，這些分帶研究基本上以定性描述為主。與之不同的是，曹玉清等以水文地質單元實體為對象，研究了從補給－深埋區(qū)各區(qū)帶內水文地球化學、水文地質分帶的化學指標、CO2分壓的大小和分布特點，從而落實到研究水文地質實體內主要含水層的水文地質條件上，同時確定實體內分區(qū)、分帶的定性和半定量的含水層富透水性、礦物飽和指數(shù)、礦物溶沉及方解石理論溶沉速度、礦化度、水化學類型等化學指標，為水化學作用分帶定量研究提供了新的思路。

以往研究通常利用熱動力學平衡理論解釋水巖相互作用，但是自然環(huán)境中水化學組分之間往往表現(xiàn)出不平衡性。例如：在自然系統(tǒng)中像方解石、石膏、巖鹽、氟石等具有相對較高的溶解性的礦物表現(xiàn)出的可逆行為，短時期易于達到平衡；其他大多數(shù)礦物(比如斜長石、黑云母和其他主要硅酸鹽巖)盡管對天然水化學有重要影響，但在自然界中的反應很難達到平衡，還有一些硅酸鹽的風化產物(比如高嶺石、水鋁礦)傾向于接近平衡反應，其動力學過程往往控制了復雜的硅質粘土礦物如蒙脫石的形成過程。自然系統(tǒng)中，大部分天然水氧化－還原反應處于不平衡狀態(tài)，很難確定自然水中氧化還原狀態(tài)，說明許多地球化學作用是復雜的非線性動力學過程，但是目前對這一復雜過程仍缺乏深入的研究。

水是連接巖石圈、大氣圈和生物圈的重要介質，是各圈層物質和能量交換的載體，作為強大的地質營力，水參與了各種地質作用和生態(tài)－環(huán)境過程。水巖相互作用是近地表環(huán)境演化的驅動力，在化學與力學的耦合作用下，水巖系統(tǒng)發(fā)生的地下水溶質遷移和地層地質結構變化等極大地影響了地層結構的穩(wěn)定性和地下水環(huán)境的演化。水巖相互作用以流體、地下水和巖石之間存在的化學或同位素的不平衡為前提，是一個非平衡地球化學過程，這種過程導致的地球化學效應與同一體系中礦物或元素間的差異行為有關，受化學反應速度和時間尺度控制。因此，研究水巖相互作用的一個關鍵問題就是闡明整個過程的動力學效應與機制問題。

水巖化學作用不僅導致化學元素在巖石與水之間重新分配，而且導致巖石微觀結構的改變，這兩者的變化都將導致巖石力學性質的改變。對這一變化的研究應從力學、物理學和化學3個角度進行研究。

1978年，Wiederhorn、Swanson等開始研究pH值對玻璃裂隙擴展的影響。Atkinson等則通過試驗研究了HCl、NaOH溶液對石英的裂隙擴展速率、應力強度因子和應力強度系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)境中OH－濃度的增加會加速裂隙的擴展，流體化學成分對裂隙擴展速率和應力腐蝕速率具控制作用，應力強度因子與遠場應力、特征裂隙長度等之間存在著定量關系。Michalske等把Si－O－Si鍵的應力腐蝕解釋為由離子水和分子水兩者共同造成，玻璃的應力腐蝕作用由于水與Si－O鍵分子之間的相互作用造成。但是，離子水還是分子水是硅酸鹽玻璃臨界斷裂的關鍵因素仍存在爭論。例如，F(xiàn)reiman認為水分子中的氫核和電子促進了裂隙尖端Si－O－Si鍵的水解，而Atkinson等發(fā)現(xiàn)改變OH－的活度能明顯改變水環(huán)境中石英的裂隙擴展速率。由此可見，環(huán)境的化學活性可能是控制化學作用對斷裂擴展的關鍵因素。然而，地殼巖石常是多相集合體，長石、云母、輝石、角閃石和橄欖石等礦物比石英復雜得多，確定每種巖石或礦物的強度腐蝕中哪些是其關鍵因素是一項迫切而艱巨的工作。水化學溶解作用對巖石裂隙擴展作用的影響因素較多，如環(huán)境濕度、溫度及壓力等。這種作用導致砂巖有從脆性向延性轉化的趨勢；砂巖力學參數(shù)降低，并且，砂巖力學參數(shù)的劣化程度與其物理化學參數(shù)之間存在密切的關系，試樣的孔隙率或縱波波速變化越大，或溶出的離子濃度越多，其力學參數(shù)的降低程度越大。

離子交換作用對改變裂隙尖端溶液的化學性質起著重要作用。對于水－玻璃系統(tǒng)，氫離子與堿離子的交換甚至在室溫條件下就會迅速進行，在裂隙尖端產生一基本溶液，由于受裂隙尖端處溶液空間的限制，pH值會迅速提高，一旦pH>9，二氧化硅晶絡就會與溶液起化學反應。這些離子的交換作用對于臨界斷裂擴展具有重要作用，其作用強度取決于裂隙尖端處溶液與外界環(huán)境擴散交換的難易程度。兩相物質之間的作用模式將由外界環(huán)境與裂隙尖端處溶液物質及裂隙尖端附近固體介質的化學性質之間的相互作用所控制。

水巖反應的實驗研究在20世紀70年代以后發(fā)展較快，到80年代初開始出現(xiàn)開放系統(tǒng)、流動條件下的水巖反應實驗，在此之前其實驗都是在封閉體系和靜態(tài)條件下完成的。為了研究自然界中水巖反應對巖石的宏觀力學效應，采取在常溫常壓及不同循環(huán)流速條件下，對在不同化學性質的水化學溶液作用下花崗巖、砂巖和灰?guī)r進行了單軸抗壓強度實驗，取得了這些巖石的單軸抗壓強度隨水溶液性質及循環(huán)速率的定量結果。水對受力巖石的力學效應是與水巖化學作用密切相關的，巖石強度軟化與水巖化學反應強度成正比。影響水巖化學作用的巖石力學效應的主要因素有：水溶液循環(huán)速率、巖石的礦物成分、巖石的結構或均勻性和水溶液的化學性質。流速也會控制水巖相互作用中巖石的溶解速率，已有實驗發(fā)現(xiàn)玻璃的溶解率隨流速的增加而增大，且流速有利于平衡礦物組合的形成，甚至通過控制流速可增加反應速率，能在低溫水溶液－巖石系統(tǒng)中達到穩(wěn)定的礦物平衡。

力學與化學作用是地球內部最主要的動力學作用，巖石所承受應力與周圍流體壓力之間存在的應力差所產生的化學勢差是應力作用下溶解反應的驅動力。通過開放流動體系的水溶液－巖石反應動力學實驗和水溶液－巖石界面地球化學及表面特性實驗研究表明自然界面在化學上的定向性和不均勻性及礦物表面和整體之間在化學和物理上的差異性。一些研究指出，許多巖石現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于力學－化學耦合引起礦物局部在分配或溶解過程的局域化或化學損傷而形成的。水巖系統(tǒng)在力學與化學的耦合作用下發(fā)生的結構變形及地下水成分遷移等行為極大的影響了地下工程的長期穩(wěn)定性及相關水環(huán)境的演化規(guī)律。應力作用下巖石與水的溶解反應過程包括巖石固相顆粒的溶解以及溶解后液相物質的遷移，巖石中物質在化學勢的推動下發(fā)生溶解，使巖石表面形貌發(fā)生改變，巖石內部的應力分布因此進行重新調整，會影響后續(xù)化學勢的分布，使水巖溶解反應的位置也相應發(fā)生變化。水巖反應界面的實時變化，在應力作用下發(fā)生化學反應的位置是隨時間和空間變化的，這些部位或增大或減小，由此引起的化學勢差也發(fā)生變化。對于動力學反應而言，化學勢大小決定了反應速率。因而，反應速率也是隨時間和空間變化的。因此，應力作用下的水巖相互作用是一個實時反饋、因循反復的過程。

地球化學動力學的研究也獲得了長足進展，積累了許多礦物－水系統(tǒng)的動力學數(shù)據(jù)，確定了不少多相反應的速率定律。這些在實驗室取得的測定礦物－水反應速率的許多進展，使野外就地反應動力學的定量預測成為可能。然而，如何在實驗室反應器皿的尺度到單個巖石或土壤露頭，再到地形、氣候區(qū)域尺度之間架起一座橋梁仍面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。目前，在水巖化學作用的研究中所建立的地球化學動力學理論主要和表面作用有關，深入探討水化學作用對巖體的力學效應必須對巖石礦物的微觀反應有一定的了解，這是深入研究的主要內容和前提條件。確定地殼中哪些是影響水巖化學作用對巖體的力學效應的重要元素或物質成分，以及巖土流變問題的化學解釋，都是重要研究內容和研究方向。

水巖相互作用地球化學模擬是基于化學熱力學和化學動力學原理，用數(shù)學方法定量刻畫水巖體系化學反應過程的研究方法，是研究自然或人為因素影響下地下水系統(tǒng)地球化學演化的重要手段之一。從熱力學的角度進行水巖相互作用模擬的研究已經(jīng)比較成熟，相應的模擬軟件也很多，如PHREEQC，EQ3/6，MINTEQA和WATEQ4F等；目前研究難點已經(jīng)轉向宏觀、大尺度水巖相互作用的動力學過程，從不同的時間尺度上評價地下水水質的演化。對反應－溶質運移和反應動力學模擬的要求促進了更多功能強大的軟件(如PHREEQC、NET-PATH以及TOUGHREACT等)的出現(xiàn)，這些軟件成為人們認識熱、流體、力學和化學等多場耦合作用下的各種水巖相互作用過程的有力工具。

大量地質事實表明，水巖相互作用過程模擬中地球化學過程往往具有不平衡的性質，這與水和各種礦物在不同的溫度和壓力條件下的反應速率以及礦物顆粒的不均勻性等有關。通常碳酸鹽礦物的反應速率快，更容易達到平衡態(tài)，而鋁硅酸鹽礦物的反應速率非常慢，其達到平衡態(tài)需要千年～萬年甚至更長的時間尺度。此外，考慮水動力學過程與熱力學過程的結合，更有利于掌握水巖作用的本質。近40年來，地球化學動力學取得了許多進展，積累了大量的礦物－水相互作用的動力學速率參數(shù)，確定出各種單相和多相反應動力學過程的反應速率方程，為野外環(huán)境中水巖相互作用動力學過程的定量化研究提供了有利條件。李義連等從水巖相互作用的模型建立、模擬方向和軟件的發(fā)展3個方面論述了水巖相互作用模擬的研究進展，指出最大的進步是動力學模型和耦合運移模擬已取得了實質性進展，并應用于實際研究之中。孫占學等評述了國內外礦物－水反應在動力學參數(shù)和影響因素方面的進展，指出礦物－水反應的地球化學動力學模擬已成為研究熱點問題之一。目前關于動力學分析和地球化學過程模擬的文獻主要集中在各種礦物動力學反應參數(shù)在實驗室和野外條件下的確定以及反應速率理論和方程的建立等方面的研究。

水巖相互作用動力學過程的模擬，主要是基于速率方程理論和各種礦物動力學參數(shù)。由于礦物沉淀過程的復雜性，實驗室獲取的通常是礦物溶解的動力學參數(shù)，礦物沉淀的動力學參數(shù)一般參考其溶解動力學參數(shù)，目前地球化學模擬中涉及到的礦物動力學參數(shù)主要參考Palandri等整理和匯編的水－礦物相互作用速率參數(shù)。因此，需要加強對動力學速率方程和各種礦物動力學數(shù)據(jù)庫的進一步完善、礦物反應表面積的準確確定、實驗數(shù)據(jù)應用于野外尺度校正方法的確定以及如何考慮可能的微生物過程等方面的研究?？傊?，水巖相互作用的地球化學動力學模擬工作目前還有大量的工作需要補充，這反映了對許多重要的水巖作用的反應機制及動力學尚缺乏足夠了解。 2100433B

《高地應力軟巖隧道圍巖壓力研究和圍巖與支護結構相互作用機理分析》是陳志敏的論文，由導師趙德安指導。

副題名

外文題名

Study of surrounding rock pressure and interaction mechanism between surrounding rock and supporting structure in the weak rock tunnels with high geostress

論文作者

陳志敏著

導師

趙德安指導

學科專業(yè)

學位級別

工學博士

學位授予單位

蘭州交通大學

學位授予時間

2012

關鍵詞

館藏號

唯一標識符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.006370214

館藏目錄

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粒子之間存在著相互作用 ，有強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用，其中引力相互作用非常弱，可以忽略。通過這些相互作用，產生新粒子或發(fā)生粒子衰變等粒子轉化現(xiàn)象。按照參與相互作用的性質將粒子分成以下幾類：①規(guī)范粒子。即傳遞相互作用的媒介粒子，已發(fā)現(xiàn)的有傳遞電磁作用的光子和傳遞弱作用的W、Z粒子。②輕子。不直接參與強作用可直接參與電磁作用和弱作用的粒子，已發(fā)現(xiàn)的有電子、μ子、τ子和相伴的電子中微子ve、μ子中微子、τ子中微子及它們的反粒子共12種。③強子。直接參與強作用，也參與電磁作用和弱作用的粒子。其中自旋為整數(shù)的強子稱為介子，自旋為半整數(shù)的強子稱為重子。強子的數(shù)目眾多，其中大部分是通過強作用衰變的粒子，其壽命極短，是不穩(wěn)定的粒子，也稱為共振態(tài)。