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
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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ｌ ９ ， １ ０ ］ 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
解反应式 （ Ｌ ａ ｓ ａ ｇ ａ ，１ ９ ８ ４ ）见 表 １ 。
表１ 花 岗岩 中常 见 矿 物 的 溶 解 反 应 方 程式
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 ：Ｔ Ｕ ４ ５
引言
文 献标 识 码 ：Ａ
文 章编 号 ： １ ０ ０ ６ — ７ ９ ７ ３（ ２ ０ １ ４ ）０ ７ — ０ ２ ５ ８ — ０ ４
１ ． 水岩 化 学作 用 的宏 观 机 制
（ 南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 ２ １ ０ ０ ４ ６ ） 摘 要 ：水岩 化 学 作 用 （ ＣＷ Ｒ Ｉ ） 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 ｐ Ｈ、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 。
。 。．４ 】
。
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
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 （ ＷＲ Ｉ ） ，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 （ Ｃ ＷＲ Ｉ ） ，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
第１ ４卷 第 ７ 期
２ ０１ ４住
中 国
水
运
Ｖ ｏ１ ． １ ４
ｄ ｕＩ ｙ
Ｎ ｏ． ７ ２０１ ４
７月
Ｃｈ ｉ ｎ ａ Ｗａ ｔｅｒ Ｔｒ ａｎ ｓｐ ｏｒ ｔ
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
云母
碱性 条件 下 ：ＫＡ １ Ｓ ｉ Ｏ． ¨（ ｏＨ）２ ＋１ Ｏ Ｈ２ Ｏ＋２ ＯＨ — Ｋ ＋Ａ Ｉ（ ０Ｈ ） ３ Ｈ． Ｓ ｉ Ｏ 酸 性 拳件 下：Ｓ ｉ Ｏ２ ＋２ Ｈ２ ｏ— Ｈ４ Ｓ ｉ Ｏ４
石 英
碱 性条 件 下：Ｓ ｉ Ｏ２ ＋２ ｏＨ — ｓ Ｊ ｏ ＋Ｈ２ ０
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
水岩化 学作用通过化 学溶 蚀改变岩石裂 隙表 面特征 ，
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Ｓ ｉ ，Ａ１ ） 的主 要 存 在 形 式 也 不 一 样 ，溶
使 岩 体 力 学 性 质 劣 化 并 改变 裂 隙 的渗 流特 性 ｌ ５ 】 。
矿物 名称
钾／ 钠 长石
溶 解反应 式
酸性条 件 下：ＫＡＩ Ｓ ｉ ｏｓ ／ Ｎａ ＡＩ Ｓ ｉ ｊ ｏ８ ＋ ４ Ｈ －＋ Ａｌ ” ＋３ Ｓ ｉ Ｏ ＋ ２ Ｈｉ Ｏ＋Ｋ ／ Ｎａ
酸性 务件 下 ：ＫＡ ｌ Ｓ ｉ ｏ…（ ＯＨ）２ ＋１ ０ Ｈ’ Ｋ ＋ ３ ＡＩ ” ＋３ Ｓ ｉ Ｏ ＋ ６ Ｈ Ｏ
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ｌ ９ ， １ ０ ］ 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
解反应式 （ Ｌ ａ ｓ ａ ｇ ａ ，１ ９ ８ ４ ）见 表 １ 。
表１ 花 岗岩 中常 见 矿 物 的 溶 解 反 应 方 程式
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 ：Ｔ Ｕ ４ ５
引言
文 献标 识 码 ：Ａ
文 章编 号 ： １ ０ ０ ６ — ７ ９ ７ ３（ ２ ０ １ ４ ）０ ７ — ０ ２ ５ ８ — ０ ４
１ ． 水岩 化 学作 用 的宏 观 机 制
（ 南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 ２ １ ０ ０ ４ ６ ） 摘 要 ：水岩 化 学 作 用 （ ＣＷ Ｒ Ｉ ） 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 ｐ Ｈ、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 。
。 。．４ 】
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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
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 （ ＷＲ Ｉ ） ，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 （ Ｃ ＷＲ Ｉ ） ，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
第１ ４卷 第 ７ 期
２ ０１ ４住
中 国
水
运
Ｖ ｏ１ ． １ ４
ｄ ｕＩ ｙ
Ｎ ｏ． ７ ２０１ ４
７月
Ｃｈ ｉ ｎ ａ Ｗａ ｔｅｒ Ｔｒ ａｎ ｓｐ ｏｒ ｔ
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
云母
碱性 条件 下 ：ＫＡ １ Ｓ ｉ Ｏ． ¨（ ｏＨ）２ ＋１ Ｏ Ｈ２ Ｏ＋２ ＯＨ — Ｋ ＋Ａ Ｉ（ ０Ｈ ） ３ Ｈ． Ｓ ｉ Ｏ 酸 性 拳件 下：Ｓ ｉ Ｏ２ ＋２ Ｈ２ ｏ— Ｈ４ Ｓ ｉ Ｏ４
石 英
碱 性条 件 下：Ｓ ｉ Ｏ２ ＋２ ｏＨ — ｓ Ｊ ｏ ＋Ｈ２ ０
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
水岩化 学作用通过化 学溶 蚀改变岩石裂 隙表 面特征 ，
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Ｓ ｉ ，Ａ１ ） 的主 要 存 在 形 式 也 不 一 样 ，溶
使 岩 体 力 学 性 质 劣 化 并 改变 裂 隙 的渗 流特 性 ｌ ５ 】 。
矿物 名称
钾／ 钠 长石
溶 解反应 式
酸性条 件 下：ＫＡＩ Ｓ ｉ ｏｓ ／ Ｎａ ＡＩ Ｓ ｉ ｊ ｏ８ ＋ ４ Ｈ －＋ Ａｌ ” ＋３ Ｓ ｉ Ｏ ＋ ２ Ｈｉ Ｏ＋Ｋ ／ Ｎａ
酸性 务件 下 ：ＫＡ ｌ Ｓ ｉ ｏ…（ ＯＨ）２ ＋１ ０ Ｈ’ Ｋ ＋ ３ ＡＩ ” ＋３ Ｓ ｉ Ｏ ＋ ６ Ｈ Ｏ