非均質性控制的巖體裂隙溶蝕機制研究綜述

雷云超

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059)

1 研究背景

漫長地質歷史時期,差異性構造作用和風化侵蝕使地表巖體中形成非均質和各向異性等地質特征的裂隙結構。在地表降水、地下水的滲流作用下,侵蝕性流體將對由可溶性礦物組成的巖體進行溶蝕,形成溶蝕通道,并改變裂隙介質的幾何結構和礦物成分,影響流體傳輸流徑,而滲流流徑的改變又將影響離子礦物的遷移特征,進而決定流體的滲流特征和宏觀滲流規律。因此,巖體介質中的滲流、反應及傳輸過程主要依賴于裂隙介質的相關特性。此外,隨著反應性流體對裂隙介質擴張延展的改造,一些裂隙將對地表巖體的物理化學特性和變形破壞方式起著重要的控制作用,深刻影響著自然的改造進程和人類工程活動,如巖體崩塌、巖溶過程、大壩防滲安全、地質固碳(GCS)、注酸石油氣的強化開采以及地下水污染物的遷移[1-4]。

化學風化作為常見的地質營力,在災害性地貌和巖體穩定性演化過程中發揮著重要作用,對地表巖體進行著強烈的改造。其中,受超量CO2排放影響,全球氣候變暖正促使冰川及巖體的化學風化速率加快[5]。如酸雨(pH<5.6)和地下水對巖體的溶蝕改造作用,水流利用自身的溶蝕特性和碳酸鹽類礦物(方解石、白云石等)與鈣質膠結物發生化學溶蝕反應,使礦物的形態崩解,改變介質表面的結構,增加表面孔隙,削弱巖體抗風化能力。當溶蝕性流體與足夠的介質表面積發生溶蝕反應,流體將會通過溶蝕礦物進而改變裂隙表面細觀形貌和礦物分布。其中,由于滲透率場非均質性形成局部流體速度快慢的差異,并可形成優勢流徑,影響溶液和礦物的接觸時間,從而影響溶蝕速率。此外,礦物分布非均質性會導致局部不同的溶蝕速率,在消耗溶液中酸性離子溶蝕礦物的同時,影響滲透率場和達西速度場的差異性演化。受到內部結構、外力、礦物以及水-巖相互作用影響,裂隙非均質性的和各向異性,使裂隙溶蝕過程出現非均質的水文演化過程(hydrologic heterogeneity),是導致實驗和野外現場所測溶蝕速率出現多個數量級差異的原因。

目前,針對巖體裂隙在溶蝕作用下的發育機制研究較少,且大多停留在對浸泡在酸溶液中巖樣的溶蝕機制的研究,沒有重現自然條件下巖體風化的地質、水文環境。由此可見,深入研究反應性流體入滲巖體裂隙的滲流與反應過程及其細觀機制,可為建立有效計算模型、評價實際工程效益提供有效參考。

結合當前熱點,本文將對裂隙幾何特征、礦物分布非均質性和溶蝕模式對裂隙溶蝕的影響進行研究現狀的闡述,并分析以往研究的不足之處,結合制約當前研究瓶頸的因素,分析巖體裂隙溶蝕今后的研究趨勢,并做出研究展望。

2 國內外發展現狀與趨勢

2.1 幾何特征非均質性對裂隙溶蝕的影響

裂隙幾何特征(開度、粗糙度、產狀、間距和密度等)很大程度上確定了外營力對巖體的改造進程,并反饋于裂隙的溶蝕過程的演化。當前研究大多關注于單裂隙的溶蝕演化,因此開度也成了研究裂隙滲流-溶蝕特征的著手點。開度指不連續面兩相鄰巖壁間的垂直距離,除了直接影響巖體的變形和強度特征外,它幾乎控制了裂隙巖體的水力學特性,因為開度直接決定了裂隙中滲透率場的分布。而非均質裂隙的演化強烈依賴于流動和風化速率,流速越大,溶蝕速率越快,孔隙度和滲透率越高,進而提高流速。因此,裂隙幾何特征在溶蝕過程的作用影響與裂隙中的流動和風化速率的作用密不可分。

開展裂隙溶蝕實驗是深入、直觀認識裂隙幾何特征對溶蝕的影響的有效手段。研究者為直接觀察巖石內部裂隙特征,采用澆筑法、X光顯微斷層掃描、磁共振成像MRI、伽馬射線、光透射成像法等幾何結構表征方法對裂隙內部流體進行直接或間接的觀測。目前,李毅[6]利用改良巴西劈裂法預制了巖樣裂隙,研究了在不同荷載作用下裂隙開度分布的演化規律和裂隙的微觀形貌特征,并以此建立了裂隙非飽和相對滲透系數演化模型。張子翼等[7]利用微流體技術,研究了重力效應對裂隙溶蝕模式和溶蝕形態的影響,發現不同達西流速會對應不同的溶蝕模式和形態特征,垂直裂隙更易發育為貫通溶蝕通道,從而加速溶蝕突破。

相對于微流體實驗,真實巖體裂隙通常具有更高的連通性和流動通道的彎曲性,模型尺寸更大,空間各向異性及非均質性更強。探究真實巖體裂隙溶蝕特征有助于揭示裂隙幾何結構的發育規律和滲透率演化模式,并有助于揭示一些導致實驗室和現場有效溶蝕速率的量級差異的機理。但巖體模型如果過大,現有儀器會沒足夠視野和足夠放大倍率去觀察溶蝕細觀現象。

目前,數值模擬領域,學者們已經開發了包括計算力學方法、孔隙網絡模型和格子玻爾茲曼方法等一系列數值模擬方法。這些研究聚焦流速、初始裂隙結構和可溶性礦物的非均質性等特性,對巖體介質溶蝕過程中的礦物相變、優勢通道形成及演化等進行研究。如Wen et al[8]通過代入蒙特卡羅模擬法生成的隨機滲透率場到溶蝕模型中,研究空間非均質性影響下的溶蝕速率規律,發現不同方差的滲透率場影響了溶液在局部的停留時間,并決定了礦物反應后的有效表面積和溶蝕速率,但數值模擬的可行性仍需大量的實驗驗證。

綜上,前沿研究成果主要集中在細觀、微觀領域,缺乏連續尺度的幾何特征對裂隙溶蝕的影響研究,而部分研究未與裂隙的幾何特征和裂隙的滲流特征有效結合,且很少有對開度非均質性對裂隙溶蝕的影響展開系統研究,主要是因為裂隙表面特征難以重現,并且無法直接觀察裂隙面上的溶蝕過程,而當使用二次翻模技術使一裂隙面重現真實裂隙面特征時,卻也難精確控制兩裂隙面間的開度。

2.2 礦物分布非均質性對裂隙溶蝕的影響

裂隙結構物理非均質性主要表現為裂隙介質的非均質性和多組分礦物分布非均質性。自然中觀察到反應輸運過程并不總是符合均勻介質建立的輸運規律,因為某些情況下的均質假設,會由于可溶性礦物非均質分布和可溶性礦物的含量差異,導致裂隙滲流場中濃度和礦物反應速率的空間差異性變化,并由于礦物溶蝕和沉淀的影響改變裂隙的孔隙特征,產生“尺度效應”,導致均質假設不成立。目前,此類研究往往采用數值模擬方法居多。而單個孔隙尺度上的非均質性因素無法形成濃度梯度。Salehikhoo等[9]利用菱鎂礦、石英分布不同的兩個圓柱開展了不同空間尺度的菱鎂礦溶蝕速率實驗,并使用地球化學模擬軟件CrunchFlow開展數值模擬對比驗證,研究表明,場內局部尺度的溶蝕速率分布取決于流速、柱的長度和礦物分布。Beckingham等[10]研究顯示,礦物分布非均質性和反應表面積的演化也會極大地影響巖體的整體反應性和溶質釋放。Molins等[11]研究發現快溶蝕方解石和慢溶蝕白云石構成的裂隙表面的溶蝕模擬揭示了礦物對溶蝕演化的控制機制。因此,空間非均質性對于確定溶蝕和沉淀分布十分重要,而溶蝕區域的分布又將控制多孔介質的水力迂曲度、滲透率和介質反應性的演變。

綜上,由于實驗技術手段的限制,現有礦物非均質性溶蝕模擬研究很難重現自然界的混合分布,也很難在單個數模軟件中完整重現裂隙溶蝕的過程,其中涉及巖體的物理力學、化學溶蝕和裂隙流體的流場演化等?，F有數值模擬仍然缺少對分布非均質性的定量指標描述,而采取的定性設計明顯缺少真實性,歸根結底是多學科結合研究仍未深入,著眼當下,現今對裂隙面中的溶蝕-沉淀區域的分布規律并沒詳細研究,對溶蝕-沉淀區域的演化規律缺乏了解,也缺少裂/孔隙溶蝕實驗的驗證。

2.3 巖體裂/孔隙溶蝕模式及判別準則狀

裂隙溶蝕形態特征很大程度決定了裂隙的延展擴張方向,并決定了裂隙開度、滲透率特性的空間演化。因此,大量研究集中于劃分不同流動條件下裂隙的溶蝕模式類型及溶蝕模式形成機制[12],主要分為緊湊溶蝕、優勢流徑溶蝕和均勻溶蝕三種。

溶蝕形態能呈現出多種轉化模式?，F有研究顯示,次要溶蝕通道能發育分岔支流延展到主要溶蝕通道,并會隨著裂隙開度不斷增加,溶蝕模式可能會從緊湊溶蝕轉變為“蟲洞”溶蝕。此外,溶蝕過程開度分布變化的研究也未形成公認的結論。例如,Detwiler等[13]基于磷酸二氫鉀(KDP)的實驗中發現,“蟲洞”溶蝕后的開度分布呈現明顯的“拖尾”現象,即較大的裂隙開度占比增多;而Deng等[14]的模擬結果顯示真實裂隙溶蝕后的開度分布為兩個峰,且為未溶蝕前的一個開度峰逐漸轉變形成。

溶蝕形態的定量表征尤為重要。Daccord等[15]率先引入無量綱化參數Pe數(Péclet number)和Da數(Damk?hler numbers)表征反應(reaction),對流(advection)和擴散(diffusion)三者大小。其中,Pe數表征對流速率和擴散速率的比值,Da數表征反應速率和對流速率比值,Ki數(Kinetic dimensionless number)為兩者乘積,表征擴散與反應速率的比值,因此Pe,Da,Ki數通常表示為式(1)—式(3)：

(1)

(2)

(3)

其中,v為介質內流體平均流速;b0為裂隙平均開度;Dm為溶質擴散速率;ks為可溶性物質的溶蝕速率。

已有研究中,以Pe和Ki(Ki=Pe×Da)為坐標的溶蝕模式相圖在不斷的研究中被修正和完善,并表明以單一Pe,Da數進行溶蝕模式分區是局限的。此外,Hu等[16]開展了不同流速下的圓形裂隙介質的溶蝕實驗,探究了不同流速對裂隙介質溶蝕模式的影響機制,并形成了不同Pe數下隨注入流量(PV)的開度變化云圖,見圖1。

綜上,現今學者對具有不同粗糙特征的非均質礦物分布的裂隙溶蝕模式及其演化規律認識不足,如在對裂隙面的特征長度和尺度進行控制時,真實巖石實驗很難做到控制變量,因此,學者往往假設其他特征不影響溶蝕演化,無論哪種研究手段,現今都存在與自然溶蝕模式差異的巨大理論和實驗研究壁壘,因此或還需探究真實巖體尺度下的非均質因素控制下的溶蝕形態特征轉變規律,從而為判別巖體溶蝕模式提供數據支持。

3 研究趨勢和展望

目前,非均質性對裂隙溶蝕機制的研究主要集中在探究初始幾何特征和流動特性對溶蝕模式和溶蝕特征的影響上,研究者們通過不同方法開展不同可溶巖性、不同流體特征、不同粗糙特征下的裂隙溶蝕機制研究,尤其是在溶蝕特征和溶蝕模式上,各學者完善了溶蝕模式相圖,建立了不同條件下裂隙介質的溶蝕模式的判別準則和預測方法。本文重點描述的裂隙介質非均質性對溶蝕機制的影響暫時還未形成學術界統一的機制和理論。筆者認為,受多復雜因素影響,裂隙溶蝕機制的系統探究,一是探究清楚溶蝕速率場的分布;二是探究溶蝕模式及溶蝕形狀特征,這兩者受流體速度場和溶蝕場中離子濃度分布影響,進而最終需要探究溶蝕-沉淀區域的演化特征。由于缺乏研究的積累和探明,很多溶蝕現象仍缺乏明確的理論解釋。

現今,受限于實驗技術和模擬手段的不足,對實際深層地下裂隙(碳封存蓋層)、大時間和空間尺度巖體裂/孔隙(儲碳地層、頁巖油/氣層等)的溶蝕,以及物理化學風化共同作用下的巖體裂隙受非均質性影響溶蝕特征和規律都還未廣泛展開研究。而裂隙及裂隙流體所受的應力作用、裂隙空間尺度、溶蝕過程的時間尺度以及不同反應性流體在不同溫度下的溶蝕特征都將是未來研究的重點?？梢钥隙ǖ氖?隨著多學科理論方法結合下的研究的不斷開展,以及在研究儀器和設備不斷創新升級的基礎上,關于裂隙介質非均質性影響下的巖體裂隙的溶蝕過程規律和溶蝕機制都將撥云見日,并和現今發展的人工智能手段相結合,建立形成大數據下準確的三維監測模型,對不同工況下的裂隙進行監測和預測,以達到工程目的。