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(shí)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(duì)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(duì)裂隙介質(zhì)擴(kuò)張延展的改造,一些裂隙將對(duì)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(dòng),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(duì)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(duì)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(huì)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(chǎng)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(shì)流徑,影響溶液和礦物的接觸時(shí)間,從而影響溶蝕速率。此外,礦物分布非均質(zhì)性會(huì)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(shí),影響滲透率場(chǎng)和達(dá)西速度場(chǎng)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(chǎng)所測(cè)溶蝕速率出現(xiàn)多個(gè)數(shù)量級(jí)差異的原因。

目前,針對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)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(duì)裂隙幾何特征、礦物分布非均質(zhì)性和溶蝕模式對(duì)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(shì),并做出研究展望。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

2.1 幾何特征非均質(zhì)性對(duì)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(duì)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(chǎng)的分布。而非均質(zhì)裂隙的演化強(qiáng)烈依賴于流動(dòng)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(dòng)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(shí)裂隙幾何特征對(duì)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(duì)裂隙內(nèi)部流體進(jìn)行直接或間接的觀測(cè)。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(duì)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(duì)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(huì)對(duì)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(duì)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(dòng)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(chǎng)有效溶蝕速率的量級(jí)差異的機(jī)理。但巖體模型如果過大,現(xiàn)有儀器會(huì)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(duì)巖體介質(zhì)溶蝕過程中的礦物相變、優(yōu)勢(shì)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(chǎng)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(chǎng)影響了溶液在局部的停留時(shí)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(duì)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(duì)開度非均質(zhì)性對(duì)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(shí),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(duì)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(huì)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(chǎng)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(gè)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(gè)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(duì)比驗(yàn)證,研究表明,場(chǎng)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(huì)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(duì)溶蝕演化的控制機(jī)制。因此,空間非均質(zhì)性對(duì)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(gè)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(chǎng)演化等?，F(xiàn)有數(shù)值模擬仍然缺少對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(shì)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(huì)隨著裂隙開度不斷增加,溶蝕模式可能會(huì)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(gè)峰,且為未溶蝕前的一個(gè)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(duì)流(advection)和擴(kuò)散(diffusion)三者大小。其中,Pe數(shù)表征對(duì)流速率和擴(kuò)散速率的比值,Da數(shù)表征反應(yīng)速率和對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)不足,如在對(duì)裂隙面的特征長度和尺度進(jìn)行控制時(shí),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(shì)和展望

目前,非均質(zhì)性對(duì)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(dòng)特性對(duì)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(cè)方法。本文重點(diǎn)描述的裂隙介質(zhì)非均質(zhì)性對(duì)溶蝕機(jī)制的影響暫時(shí)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(chǎng)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(chǎng)和溶蝕場(chǎng)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(duì)實(shí)際深層地下裂隙(碳封存蓋層)、大時(shí)間和空間尺度巖體裂/孔隙(儲(chǔ)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(shí)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)。可以肯定的是,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(jí)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(cè)模型,對(duì)不同工況下的裂隙進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè),以達(dá)到工程目的。