非均質(zhì)性控制的巖體裂隙溶蝕機(jī)制研究綜述

雷云超

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

1 研究背景

漫長地質(zhì)歷史時期,差異性構(gòu)造作用和風(fēng)化侵蝕使地表巖體中形成非均質(zhì)和各向異性等地質(zhì)特征的裂隙結(jié)構(gòu)。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(jìn)行溶蝕,形成溶蝕通道,并改變裂隙介質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)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(jìn)而決定流體的滲流特征和宏觀滲流規(guī)律。因此,巖體介質(zhì)中的滲流、反應(yīng)及傳輸過程主要依賴于裂隙介質(zhì)的相關(guān)特性。此外,隨著反應(yīng)性流體對裂隙介質(zhì)擴(kuò)張延展的改造,一些裂隙將對地表巖體的物理化學(xué)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(jìn)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(zhì)固碳(GCS)、注酸石油氣的強(qiáng)化開采以及地下水污染物的遷移[1-4]。

化學(xué)風(fēng)化作為常見的地質(zhì)營力,在災(zāi)害性地貌和巖體穩(wěn)定性演化過程中發(fā)揮著重要作用,對地表巖體進(jìn)行著強(qiáng)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(xué)風(fēng)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(zhì)膠結(jié)物發(fā)生化學(xué)溶蝕反應(yīng),使礦物的形態(tài)崩解,改變介質(zhì)表面的結(jié)構(gòu),增加表面孔隙,削弱巖體抗風(fēng)化能力。當(dāng)溶蝕性流體與足夠的介質(zhì)表面積發(fā)生溶蝕反應(yīng),流體將會通過溶蝕礦物進(jìn)而改變裂隙表面細(xì)觀形貌和礦物分布。其中,由于滲透率場非均質(zhì)性形成局部流體速度快慢的差異,并可形成優(yōu)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(zhì)性會導(dǎo)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(dá)西速度場的差異性演化。受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外力、礦物以及水-巖相互作用影響,裂隙非均質(zhì)性的和各向異性,使裂隙溶蝕過程出現(xiàn)非均質(zhì)的水文演化過程(hydrologic heterogeneity),是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)和野外現(xiàn)場所測溶蝕速率出現(xiàn)多個數(shù)量級差異的原因。

目前,針對巖體裂隙在溶蝕作用下的發(fā)育機(jī)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(jī)制的研究,沒有重現(xiàn)自然條件下巖體風(fēng)化的地質(zhì)、水文環(huán)境。由此可見,深入研究反應(yīng)性流體入滲巖體裂隙的滲流與反應(yīng)過程及其細(xì)觀機(jī)制,可為建立有效計(jì)算模型、評價實(shí)際工程效益提供有效參考。

結(jié)合當(dāng)前熱點(diǎn),本文將對裂隙幾何特征、礦物分布非均質(zhì)性和溶蝕模式對裂隙溶蝕的影響進(jìn)行研究現(xiàn)狀的闡述,并分析以往研究的不足之處,結(jié)合制約當(dāng)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(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

2.1 幾何特征非均質(zhì)性對裂隙溶蝕的影響

裂隙幾何特征(開度、粗糙度、產(chǎn)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(jìn)程,并反饋于裂隙的溶蝕過程的演化。當(dāng)前研究大多關(guān)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(diǎn)。開度指不連續(xù)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(qiáng)度特征外,它幾乎控制了裂隙巖體的水力學(xué)特性,因?yàn)殚_度直接決定了裂隙中滲透率場的分布。而非均質(zhì)裂隙的演化強(qiáng)烈依賴于流動和風(fēng)化速率,流速越大,溶蝕速率越快,孔隙度和滲透率越高,進(jìn)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(fēng)化速率的作用密不可分。

開展裂隙溶蝕實(shí)驗(yàn)是深入、直觀認(rèn)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(nèi)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(jié)構(gòu)表征方法對裂隙內(nèi)部流體進(jìn)行直接或間接的觀測。目前,李毅[6]利用改良巴西劈裂法預(yù)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(guī)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(shù)演化模型。張子翼等[7]利用微流體技術(shù),研究了重力效應(yīng)對裂隙溶蝕模式和溶蝕形態(tài)的影響,發(fā)現(xiàn)不同達(dá)西流速會對應(yīng)不同的溶蝕模式和形態(tài)特征,垂直裂隙更易發(fā)育為貫通溶蝕通道,從而加速溶蝕突破。

相對于微流體實(shí)驗(yàn),真實(shí)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(zhì)性更強(qiáng)。探究真實(shí)巖體裂隙溶蝕特征有助于揭示裂隙幾何結(jié)構(gòu)的發(fā)育規(guī)律和滲透率演化模式,并有助于揭示一些導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場有效溶蝕速率的量級差異的機(jī)理。但巖體模型如果過大,現(xiàn)有儀器會沒足夠視野和足夠放大倍率去觀察溶蝕細(xì)觀現(xiàn)象。

目前,數(shù)值模擬領(lǐng)域,學(xué)者們已經(jīng)開發(fā)了包括計(jì)算力學(xué)方法、孔隙網(wǎng)絡(luò)模型和格子玻爾茲曼方法等一系列數(shù)值模擬方法。這些研究聚焦流速、初始裂隙結(jié)構(gòu)和可溶性礦物的非均質(zhì)性等特性,對巖體介質(zhì)溶蝕過程中的礦物相變、優(yōu)勢通道形成及演化等進(jìn)行研究。如Wen et al[8]通過代入蒙特卡羅模擬法生成的隨機(jī)滲透率場到溶蝕模型中,研究空間非均質(zhì)性影響下的溶蝕速率規(guī)律,發(fā)現(xiàn)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(yīng)后的有效表面積和溶蝕速率,但數(shù)值模擬的可行性仍需大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

綜上,前沿研究成果主要集中在細(xì)觀、微觀領(lǐng)域,缺乏連續(xù)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(jié)合,且很少有對開度非均質(zhì)性對裂隙溶蝕的影響展開系統(tǒng)研究,主要是因?yàn)榱严侗砻嫣卣麟y以重現(xiàn),并且無法直接觀察裂隙面上的溶蝕過程,而當(dāng)使用二次翻模技術(shù)使一裂隙面重現(xiàn)真實(shí)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(zhì)性對裂隙溶蝕的影響

裂隙結(jié)構(gòu)物理非均質(zhì)性主要表現(xiàn)為裂隙介質(zhì)的非均質(zhì)性和多組分礦物分布非均質(zhì)性。自然中觀察到反應(yīng)輸運(yùn)過程并不總是符合均勻介質(zhì)建立的輸運(yùn)規(guī)律,因?yàn)槟承┣闆r下的均質(zhì)假設(shè),會由于可溶性礦物非均質(zhì)分布和可溶性礦物的含量差異,導(dǎo)致裂隙滲流場中濃度和礦物反應(yīng)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(chǎn)生“尺度效應(yīng)”,導(dǎo)致均質(zhì)假設(shè)不成立。目前,此類研究往往采用數(shù)值模擬方法居多。而單個孔隙尺度上的非均質(zhì)性因素?zé)o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(shí)驗(yàn),并使用地球化學(xué)模擬軟件CrunchFlow開展數(shù)值模擬對比驗(yàn)證,研究表明,場內(nèi)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(zhì)性和反應(yīng)表面積的演化也會極大地影響巖體的整體反應(yīng)性和溶質(zhì)釋放。Molins等[11]研究發(fā)現(xiàn)快溶蝕方解石和慢溶蝕白云石構(gòu)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(jī)制。因此,空間非均質(zhì)性對于確定溶蝕和沉淀分布十分重要,而溶蝕區(qū)域的分布又將控制多孔介質(zhì)的水力迂曲度、滲透率和介質(zhì)反應(yīng)性的演變。

綜上,由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段的限制,現(xiàn)有礦物非均質(zhì)性溶蝕模擬研究很難重現(xiàn)自然界的混合分布,也很難在單個數(shù)模軟件中完整重現(xiàn)裂隙溶蝕的過程,其中涉及巖體的物理力學(xué)、化學(xué)溶蝕和裂隙流體的流場演化等?，F(xiàn)有數(shù)值模擬仍然缺少對分布非均質(zhì)性的定量指標(biāo)描述,而采取的定性設(shè)計(jì)明顯缺少真實(shí)性,歸根結(jié)底是多學(xué)科結(jié)合研究仍未深入,著眼當(dāng)下,現(xiàn)今對裂隙面中的溶蝕-沉淀區(qū)域的分布規(guī)律并沒詳細(xì)研究,對溶蝕-沉淀區(qū)域的演化規(guī)律缺乏了解,也缺少裂/孔隙溶蝕實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

2.3 巖體裂/孔隙溶蝕模式及判別準(zhǔn)則狀

裂隙溶蝕形態(tài)特征很大程度決定了裂隙的延展擴(kuò)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(jī)制[12],主要分為緊湊溶蝕、優(yōu)勢流徑溶蝕和均勻溶蝕三種。

溶蝕形態(tài)能呈現(xiàn)出多種轉(zhuǎn)化模式。現(xiàn)有研究顯示,次要溶蝕通道能發(fā)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(zhuǎn)變?yōu)椤跋x洞”溶蝕。此外,溶蝕過程開度分布變化的研究也未形成公認(rèn)的結(jié)論。例如,Detwiler等[13]基于磷酸二氫鉀(KDP)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),“蟲洞”溶蝕后的開度分布呈現(xiàn)明顯的“拖尾”現(xiàn)象,即較大的裂隙開度占比增多;而Deng等[14]的模擬結(jié)果顯示真實(shí)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(zhuǎn)變形成。

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

(1)

(2)

(3)

其中,v為介質(zhì)內(nèi)流體平均流速;b0為裂隙平均開度;Dm為溶質(zhì)擴(kuò)散速率;ks為可溶性物質(zhì)的溶蝕速率。

已有研究中,以Pe和Ki(Ki=Pe×Da)為坐標(biāo)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(shù)進(jìn)行溶蝕模式分區(qū)是局限的。此外,Hu等[16]開展了不同流速下的圓形裂隙介質(zhì)的溶蝕實(shí)驗(yàn),探究了不同流速對裂隙介質(zhì)溶蝕模式的影響機(jī)制,并形成了不同Pe數(shù)下隨注入流量(PV)的開度變化云圖,見圖1。

綜上,現(xiàn)今學(xué)者對具有不同粗糙特征的非均質(zhì)礦物分布的裂隙溶蝕模式及其演化規(guī)律認(rèn)識不足,如在對裂隙面的特征長度和尺度進(jìn)行控制時,真實(shí)巖石實(shí)驗(yàn)很難做到控制變量,因此,學(xué)者往往假設(shè)其他特征不影響溶蝕演化,無論哪種研究手段,現(xiàn)今都存在與自然溶蝕模式差異的巨大理論和實(shí)驗(yàn)研究壁壘,因此或還需探究真實(shí)巖體尺度下的非均質(zhì)因素控制下的溶蝕形態(tài)特征轉(zhuǎn)變規(guī)律,從而為判別巖體溶蝕模式提供數(shù)據(jù)支持。

3 研究趨勢和展望

目前,非均質(zhì)性對裂隙溶蝕機(jī)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(jī)制研究,尤其是在溶蝕特征和溶蝕模式上,各學(xué)者完善了溶蝕模式相圖,建立了不同條件下裂隙介質(zhì)的溶蝕模式的判別準(zhǔn)則和預(yù)測方法。本文重點(diǎn)描述的裂隙介質(zhì)非均質(zhì)性對溶蝕機(jī)制的影響暫時還未形成學(xué)術(shù)界統(tǒng)一的機(jī)制和理論。筆者認(rèn)為,受多復(fù)雜因素影響,裂隙溶蝕機(jī)制的系統(tǒng)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(jìn)而最終需要探究溶蝕-沉淀區(qū)域的演化特征。由于缺乏研究的積累和探明,很多溶蝕現(xiàn)象仍缺乏明確的理論解釋。

現(xiàn)今,受限于實(shí)驗(yàn)技術(shù)和模擬手段的不足,對實(shí)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(xué)風(fēng)化共同作用下的巖體裂隙受非均質(zhì)性影響溶蝕特征和規(guī)律都還未廣泛展開研究。而裂隙及裂隙流體所受的應(yīng)力作用、裂隙空間尺度、溶蝕過程的時間尺度以及不同反應(yīng)性流體在不同溫度下的溶蝕特征都將是未來研究的重點(diǎn)?？梢钥隙ǖ氖?隨著多學(xué)科理論方法結(jié)合下的研究的不斷開展,以及在研究儀器和設(shè)備不斷創(chuàng)新升級的基礎(chǔ)上,關(guān)于裂隙介質(zhì)非均質(zhì)性影響下的巖體裂隙的溶蝕過程規(guī)律和溶蝕機(jī)制都將撥云見日,并和現(xiàn)今發(fā)展的人工智能手段相結(jié)合,建立形成大數(shù)據(jù)下準(zhǔn)確的三維監(jiān)測模型,對不同工況下的裂隙進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測,以達(dá)到工程目的。