碳酸盐岩溶解动力学机制研究现状与思考

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1、人民黄河Vo1．32．No．7第32卷第7期2010年7月YELLOWRIVERJu1．，2010【水利水电工程】碳酸盐岩溶解动力学机制研究现状与思考钱海涛一，谭朝爽。，王思敬，严福章4(1．中国地震局地壳应力研究所，北京100085；2．中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029；3．长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，湖北宜昌443003；4．水利部水利水电规划设计总院，北京100011)摘要：总结了国内外碳酸盐岩溶蚀机制理论的研究成果，介绍了PWP模型、薄膜理论模型、反应一扩散动力学模

2、型及DBL理论模型等多个溶蚀理论模型，认为目前的研究无法从根本上揭示碳酸盐岩溶蚀的动力学机制，难以解释不同类型碳酸盐岩溶蚀特征的差异，已有的溶蚀理论模型无法可靠推广应用。指出分子动力学可以在分子层次上对碳酸盐岩的溶蚀过程机理进行研究，综合分析在分子一微观一宏观3种不同尺度层次上的相关研究成果，可更好地揭示碳酸盐岩的溶蚀动力学机制、建立可靠的溶蚀理论模型。关键词：溶蚀动力学机制；理论模型；分子动力学；碳酸盐岩中图分类号：P588．24文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—13

3、79．2010．07．058岩溶是因自然界中的碳酸盐岩被溶解而导致的一种广泛个离子对溶解动力学过程的影响；Plummer、Wigley、存在的地质现象。近100a来，因岩溶发育而导致的水库渗漏、Parkhurst对碳酸盐矿物溶解表面的动力学机制进行了较为系岩溶塌陷、隧道突水、塌方等地质灾害频繁发生，给国民经济和统的总结，精确地给出了著名的反映碳酸盐岩溶解机理及其动人民生活造成巨大损失“。其原因在于岩溶勘测分析理论力学过程的PWP方程。存在一定缺陷，对碳酸盐岩溶蚀的动力学机制还不甚清楚，往Stumm

4、、Morgan认为碳酸盐岩的溶解过程是一个异相反应往只能做初步、模糊、定性的简要分析。过程，存在6个依次进行的反应步骤，当其中一个步骤反应速碳酸盐岩溶蚀动力学机制是一个极为复杂的过程，涉及工率远低于其他步骤反应速率时，碳酸盐岩溶解的总体反应速率程地质学、水文地质学、地球化学等多个学科。笔者通过对国将取决于速率最慢的一个动力学过程；在不同环境条件下，溶内外相关研究成果的回顾分析，全面展示该领域内的研究成解反应速率不同，碳酸盐岩溶解的总体控制机理可分为质量传果，分析存在的问题，并对可能的解决途径与趋势

5、进行了探讨。输控制、表面化学反应控制以及混合动力学过程控制3类。1国内外研究概况Richard、Sj~berg提出了石灰岩溶蚀的异相反应速率控制模型16]，Haddad对其做了进一步的阐述和总结；Buhamann、Dre—1．1国外研究概况brodtW建立了碳酸盐岩溶蚀的反应一扩散动力学理论模关于碳酸盐岩溶蚀理论的研究，Tominaga使大理岩盘以型；MatsWallin等提出了薄膜理论模型；针对紊流485r／rain的速度在稀HC1溶液中旋转，研究结果表明溶解速时的溶蚀作用，DrebrodtW等

6、提出了一个综合性更强的扩散边率与包含的CO2体积有关；Erga、Terjesen用自由漂移法在接近界层理论模型。平衡的25℃的CO一H：0溶液中测定了溶解钙量与时间的函从20世纪90年代开始，随着碳酸盐岩矿物溶解动力学模数关系，指出溶解速率的控制过程在于水动力边界层；Weyl将型的发展，开始了应用性研究，DreybrodtW等将碳酸盐岩溶蚀饱和CO：水溶液(pH=3．9)喷淋到方解石表面，发现溶解速率的动力学模型应用于灰岩地区岩溶发育演化过程研究，与喷淋速率有关，认为物质传输控制反应过程；Curl

7、进一步对FordDC等将其应用于岩溶管道形成过程研究；RomanovaD等溶解过程中CO转换机制进行了研究，认为物理溶解CO：转变应用碳酸盐岩溶蚀动力学模型分析了水化学边界条件对岩溶为具有化学侵蚀性的HCO的过程足缓慢的；Mullin提出了方含水层形成演化过程的影响。解石溶解动力机制的吸附层模型；Bemer、Morse进行了天然水中CaCO溶解动力学过程试验．揭示_厂溶解过程中的质量运移收稿日期：2009一l2一l3扩散机制和表面反应机制；Plumer进一步研究发现了在基金项目：中国地震局地壳应力

8、研究所基本科研业务专项基金资助项目一个总大气压、度25：的情况饱f1jCO，溶液中方解石(ZDJ2009—07)。作者简介：钱海涛(1978一)，男，河南新县人，副研究员，博士，主要从事工程地溶解的表面反埔4罅‘；曲‘0l、l或KCI溶液中方质、水文地质和地震地质灾害等研究工作。解溶解动力一潜f．打{=jf『。【l、、Sf)：一等单E—mail：haitao—qian@163．conj30．人民黄河2010年第7期1．2国内研究概况条件及溶液中CO：的慢速转换对碳酸钙溶解和沉积速率