花岗岩单裂隙结构面上的水岩化学作用及其影响因素浅析

第１４卷　２０１４住　第７期　７月　中　国水运　Ｃｈ　ｉ　ｎａ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｖｏ１．１４　ｄｕＩｙ　Ｎｏ．７　２０１４　

花岗岩单裂隙结构面上的水岩化学作用　及其影响因素浅析　程梦林，陈为平，周圣骞　（南京大学地球科学与工程学院，江苏南京２１００４６）　

摘要：水岩化学作用（ＣＷＲＩ）是花岗岩单裂隙结构面上水岩相互作用的一个重要方面。水岩化学作用的宏观效应　取决于其微观作用机制。研究表明，单裂隙面上的水岩化学作用过程主要包括表面作用和扩散迁移作用两方面。结合　表面反应理论阐述了其中的表面化学作用过程；运用化学反应动力学知识探讨了水岩化学作用的微观机制及其主要影　响因素（水溶液ｐＨ、温度、流体流速、时间）。水岩化学作用宏微观过程及其影响因素的分析可以为相关模拟实验的　设计和开展提供参考，使之更贴近真实情况，同时也有助于认识裂隙岩体在自然地质环境中的长期演化规律。　关键词：花岗岩；单裂隙；水岩化学作用（ＣＷＲＩ）；化学动力学；影响因素　中图分类号：ＴＵ４５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—７９７３（２０１４）０７—０２５８—０４　

引言　地表或深部地质环境中的岩体与其周围的水不断地进行　着各种各样的物理、力学、化学的水岩相互作用（ＷＲＩ），这　些作用将对工程岩体或承载地质体的长期安全、稳定性有着　重要的影响＿１’　。水岩相互作用的一个重要方面是水岩化学　作用（ＣＷＲＩ），即水与岩石之间发生的以溶解作用为主并伴　有水解、水合、交换、氧化一还原等多种作用形式的化学反应　。。．４】。水岩化学作用通过化学溶蚀改变岩石裂隙表面特征，　使岩体力学性质劣化并改变裂隙的渗流特性ｌ５　】。　徐则明等Ｉ＿　研究发现，表生环境中岩体结构面上的水岩化学　作用是诱发或造成硅酸盐岩斜坡失稳的重要因素。王士天等｝８】　发现，水利水电工程浅部岩体中发生的化学潜蚀和溶蚀作用可　以迁移岩石中的可、溶｜ｌ生物质从而恶化岩体工程性质。汤连生等　研究表明，水岩化学作用对岩石的宏观力学性质具有显著影响　且影响程度的大小与水岩化学作用的强度成正比ｌ９，１０］ｏ　花岗岩中的节理和裂隙是流体渗流的主要通道，因此成为　了水岩化学作用发生的主要场所。同时，这些结构面也是岩体　中压、剪应力作用的集中部位，其力学特性很大程度上控制着　整个岩体的力学性质ｌ１　，因此单裂隙结构面上的水岩化学作用　对整个工程岩体的力学性质及其渗流特性具有重要影响。　裂隙面上水岩化学作用宏观效应是岩石表面微观组成结　构改变的结果。水岩化学反应通常是在远离平衡（或近平衡）　的状态下进行，因此可以运用化学动力学方法，从宏观和微观　角度研究反应的内在机制和速率并探究其主要影响因素（溶液　ｐＨ、温度、流速、时间等）［６－７，　１２１。研究单裂隙面上的水　岩化学作用过程及其影响因素有助于了解水岩环境演化规律，　同时也是准确开展相关物理和数学模型模拟试验的基础。　一、单裂隙面上的水岩化学作用过程　１．水岩化学作用的宏观机制　花岗岩裂隙面上的水岩反应主要是硅酸盐矿物的溶解。　由于完整花岗岩孔隙率低、渗透率低，水岩化学作用主要发　生在岩石原生结构面、构造结构面和次生结构面等裂隙结构　面上。水溶液流过粗糙的裂隙面时，裂隙面上较浅的一层矿　物颗粒易溶组分被溶蚀，溶出物随水流迁离水岩反应界面并　进入水环境中，难溶部分残留在原地，而溶出离子或胶体集　合物则可以在适当的地球化学环境下，发生沉淀等各种反应。　这一过程裂隙面平缓化，随之改变的还有裂隙的渗流通道和　裂隙面的力学特征。在不同的水化学溶液中，反应机理和速　率不同，溶出物（如Ｓｉ，Ａ１）的主要存在形式也不一样，溶　解反应式（Ｌａｓａｇａ，１９８４）见表１。　表１　花岗岩中常见矿物的溶解反应方程式　矿物名称　溶解反应式　钾／钠长石　酸性条件下：ＫＡＩＳｉ　ｏｓ／ＮａＡＩＳｉｊｏ８＋４Ｈ　－＋Ａｌ”＋３ＳｉＯ　＋２ＨｉＯ＋Ｋ　／Ｎａ　酸性务件下：ＫＡｌ　Ｓｉ　ｏ…（ＯＨ）２＋１０Ｈ’　Ｋ　＋３ＡＩ”＋３ＳｉＯ　＋６Ｈ　Ｏ　云母　碱性条件下：ＫＡ１　Ｓｉ　Ｏ．¨（ｏＨ）２＋１ＯＨ２Ｏ＋２ＯＨ—Ｋ　＋ＡＩ（０Ｈ）　３Ｈ．ＳｉＯ　

酸性拳件下：ＳｉＯ２＋２Ｈ２ｏ—Ｈ４ＳｉＯ４　石英　碱性条件下：ＳｉＯ２＋２ｏＨ—　ｓＪｏ　＋Ｈ２０　

宏观上，单裂隙结构面上水岩化学作用都是裂隙结构面　开度增大，岩体体积减小的缓慢过程，如下图１所示。　

图１　花岗岩裂隙面上的水岩化学作用模式　裂隙面上的矿物表面分布着众多的缺陷，水岩化学反应　优先发生在这些缺陷晶位上　】。水岩反应不断消耗这些活性　位点，反应速率随之缓慢降低。经过水流进一步的溶蚀和潜　蚀揭露出新的活性点，才能使反应又一次较快进行。　收稿日期：２０１４—０５—１　１　作者简介：程梦林（１９８９一），男，云南人，南京大学地球科学与工程学院，硕士研究生，工程地质专业。　陈为平（１９９０一），男，江苏人，南京大学地球科学与工程学院，硕士研究生，工程地质专业。　周圣骞（１９９１一），男，江苏人，南京大学地球科学与工程学院，硕士研究生，工程地质专业。　２６０　中国水运　第１４卷　随着温度升高，水岩反应速率加快。Ｍｏｏｒｅ（１９９４）和须藤　祜子（２００２）等实验研究发现一定条件下，温度越高，花岗　岩与水之间的水岩化学作用越剧烈，溶解反应对岩石的改造　作用越强。　Ｗｏｏｄ（１９８３）根据大量不同温度、压力、ｐＨ条件下获　得的的实验数据给出了硅酸盐矿物在溶解过程中的正反应速　度与温度的拟合关系式：　ｌｏｇ　ｒ＋≈一２，９００ＩＴ一６．８５　（８）　其中：ｒ＋的为反应速率，Ｔ为热力学温度，由上式（８）　可推算，温度由常温２５￣Ｃ升高到１００￣Ｃ时，正反应速度将增　加约２个数量级。不同地质环境的温度不同，反应速率也不　同。　温度对裂隙面上水岩化学作用的影响涉及三个方面：（１）　温度可以通过改变水岩反应的平衡常数Ｋ使反应溶解一沉淀平　衡状态改变从而影响水岩反应的速率，温度升高，水的离子　积常数Ｋｗ升高，Ｈ　增多也可能促进水岩反应；（２）温度升　高，活化分子数量也增加，分子运动也加剧，因此反应速率　也随之增加；（３）温度升高促进分子运动，因此可以加快反　应物和溶出物的扩散迁移【３，１６，　ｌ。　３．流体流速的影响　溶液流经裂隙面的过程中，表面反应与溶质的扩散迁移　共同推动的水岩反应作用。溶出物质在脱离水岩反应界面后，　在浓度梯度驱动下，通过分子扩散作用缓慢向外扩散，在对　流扩散作用下随着流体迁离反应界面（参见２．２）。因此，水　岩接触面附近往往会形成一个高浓度（可溶的化学组分）扩　散层，溶出物不断进入这一层“液膜”，形成从固相到液相　的浓度梯度场，推动反应进行。较高的流速能够减薄这个扩　散层的厚度，使扩散过程的阻力减小，反应加快Ｉ　】。同时，　流体流速越大，物质对流扩散作用越强烈，　“液膜”中溶出　物迁移速度越快（如式（２）所示），达到“表面”更新的效　果，保持浓度梯度，使反应能够持续进行。表面反应具控制　性作用，其受两方面影响：一是参与反应的离子和溶出物质　在液相中的扩散迁移作用；二是流体的热力学状态及水动力　条件。增加流体的流速在客观上可以使单位面积裂隙面矿物　接触到更多的流体（即Ａ／Ｖ项增大），使反应速率增大（参　见上节），但流体流速过大，扩散迁移足够快，而化学反应　的速度又远远低于流速时，流体滞留时间缩短【１　，反应速率　反而相对降低（Ｌａｓａｇａ，１９８４；Ｄｕｒｈａｍ，２００１）。这意　味着对于水岩化学反应体系，流体的流速增加只能在一定的　范围内增加水岩反应速率。　４．时间的影响　岩石裂隙结构面上的水岩反应最开始速率较快（可能是　岩样破碎产生的晶粉造成），随着反应的进行，反应速率逐　渐减小，许多水岩化学反应相关实验都得出类似的结果【５，　７－１２１。可从２．２中所述的水岩界面上的表面反应过程中晶体活　性位点消减的角度解释该现象。　徐则明等［２　０］研究特定温度和流速条件下，新鲜和风化花　岗岩岩样的溶解速率都是在最开始的溶解速率最大，一段时　问后降低至一个较低的水平并趋于稳定。如图４所示，水岩反　应速率与时间负相关。　Ｕ　ｌ　Ｚ　３　４　５　６　７　时间　图４花岗岩溶解速率与时间关系　Ｗｈｉｔｅ（２００３）总结了硅酸盐矿物的溶解速率与时间的　关系：　／－ｉ　Ｒ：　（１０）　Ｓｔ　式中：Ｑ为参与反应的矿物的摩尔数（ｍｏ１）；ｓ是矿物　的表面积（ｍ。）；ｔ为时间。　从上述两式（９）（１Ｏ）可以看出，花岗岩单裂隙面上的　水岩化学作用可能有相似的规律，即开始阶段反应速率较大，　随着时间的推移，速率逐渐趋于一个较低的值，反应具有明　显的时间效应，这与一些实验结果相符［１　。　四、结论　（１）花岗岩单裂隙面上的水岩化学作用是水岩相互作用　的重要方面，矿物的溶解是其主要过程。力学、渗透性方面的　宏观效应与微观作用机制密切相关。水岩化学作用过程主要包　括表面作用和扩散迁移作用两个方面，表面反应是这一作用过　程的主要控制因素，可以结合水岩化学反应动力学和表面反应　理论知识分析裂隙面上的水岩反应机制及其影响因素。　（２）单裂隙面水岩化学作用的影响因素除了岩石本身的　组成结构外，水岩反应体系的水溶液ｐＨ、温度、流体速度还有　时间因素等都对水岩化学作用有不同方式和不同程度的影响。　（３）温度的升高可以促进水岩化学作用；水流速度的提　高，在一定的范围内可以促进水岩化学作用，过低或过高都　不利于反应进行；不同ｐＨ条件下，水岩化学作用机制不同，　

一般来说，酸性碱性越强，水岩化学作用越强烈，其对岩石　的力学性质和渗透性的影响也越大；水岩化学作用有明显的　时效性，随着时间的推移，水岩化学作用速率降低并趋于一　个较低的稳定值，反应速率与时间负相关。　参考文献　【１】张国军．夹层软泥化过程及其化学动力学模拟【Ｄ１．南京：　河海大学，２００７．　【２】刘新荣，傅晏，郑颖人等．水岩相互作用对岩石劣化的影　响研究Ｕ１．地下空间与工程学报，２０１２，８（１）：７７—８２．　【３】汤连生，王思敬．水一岩化学作用对岩体变形破坏力学效　

・　应研究进展　地球科学进展，１９９９，１４（５）．　【４】陈积普．水岩化学作用过程及其对滑坡孕育的贡献［Ｄｌ＿昆　明：昆明理工大学，２００６．　【５】申林方，冯夏庭，潘鹏志等．单裂隙花岗岩在应力一渗流　化学耦合作用下的试验研究【『Ｉ．岩石力学与工程学报，　２０１０，２９（７）：１３７９—１３８８．　（下转第２７９页）