非均质性控制的岩体裂隙溶蚀机制研究综述

雷云超

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059)

1 研究背景

漫长地质历史时期,差异性构造作用和风化侵蚀使地表岩体中形成非均质和各向异性等地质特征的裂隙结构。在地表降水、地下水的渗流作用下,侵蚀性流体将对由可溶性矿物组成的岩体进行溶蚀,形成溶蚀通道,并改变裂隙介质的几何结构和矿物成分,影响流体传输流径,而渗流流径的改变又将影响离子矿物的迁移特征,进而决定流体的渗流特征和宏观渗流规律。因此,岩体介质中的渗流、反应及传输过程主要依赖于裂隙介质的相关特性。此外,随着反应性流体对裂隙介质扩张延展的改造,一些裂隙将对地表岩体的物理化学特性和变形破坏方式起着重要的控制作用,深刻影响着自然的改造进程和人类工程活动,如岩体崩塌、岩溶过程、大坝防渗安全、地质固碳(GCS)、注酸石油气的强化开采以及地下水污染物的迁移[1-4]。

化学风化作为常见的地质营力,在灾害性地貌和岩体稳定性演化过程中发挥着重要作用,对地表岩体进行着强烈的改造。其中,受超量CO2排放影响,全球气候变暖正促使冰川及岩体的化学风化速率加快[5]。如酸雨(pH<5.6)和地下水对岩体的溶蚀改造作用,水流利用自身的溶蚀特性和碳酸盐类矿物(方解石、白云石等)与钙质胶结物发生化学溶蚀反应,使矿物的形态崩解,改变介质表面的结构,增加表面孔隙,削弱岩体抗风化能力。当溶蚀性流体与足够的介质表面积发生溶蚀反应,流体将会通过溶蚀矿物进而改变裂隙表面细观形貌和矿物分布。其中,由于渗透率场非均质性形成局部流体速度快慢的差异,并可形成优势流径,影响溶液和矿物的接触时间,从而影响溶蚀速率。此外,矿物分布非均质性会导致局部不同的溶蚀速率,在消耗溶液中酸性离子溶蚀矿物的同时,影响渗透率场和达西速度场的差异性演化。受到内部结构、外力、矿物以及水-岩相互作用影响,裂隙非均质性的和各向异性,使裂隙溶蚀过程出现非均质的水文演化过程(hydrologic heterogeneity),是导致实验和野外现场所测溶蚀速率出现多个数量级差异的原因。

目前,针对岩体裂隙在溶蚀作用下的发育机制研究较少,且大多停留在对浸泡在酸溶液中岩样的溶蚀机制的研究,没有重现自然条件下岩体风化的地质、水文环境。由此可见,深入研究反应性流体入渗岩体裂隙的渗流与反应过程及其细观机制,可为建立有效计算模型、评价实际工程效益提供有效参考。

结合当前热点,本文将对裂隙几何特征、矿物分布非均质性和溶蚀模式对裂隙溶蚀的影响进行研究现状的阐述,并分析以往研究的不足之处,结合制约当前研究瓶颈的因素,分析岩体裂隙溶蚀今后的研究趋势,并做出研究展望。

2 国内外发展现状与趋势

2.1 几何特征非均质性对裂隙溶蚀的影响

裂隙几何特征(开度、粗糙度、产状、间距和密度等)很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程,并反馈于裂隙的溶蚀过程的演化。当前研究大多关注于单裂隙的溶蚀演化,因此开度也成了研究裂隙渗流-溶蚀特征的着手点。开度指不连续面两相邻岩壁间的垂直距离,除了直接影响岩体的变形和强度特征外,它几乎控制了裂隙岩体的水力学特性,因为开度直接决定了裂隙中渗透率场的分布。而非均质裂隙的演化强烈依赖于流动和风化速率,流速越大,溶蚀速率越快,孔隙度和渗透率越高,进而提高流速。因此,裂隙几何特征在溶蚀过程的作用影响与裂隙中的流动和风化速率的作用密不可分。

开展裂隙溶蚀实验是深入、直观认识裂隙几何特征对溶蚀的影响的有效手段。研究者为直接观察岩石内部裂隙特征,采用浇筑法、X光显微断层扫描、磁共振成像MRI、伽马射线、光透射成像法等几何结构表征方法对裂隙内部流体进行直接或间接的观测。目前,李毅[6]利用改良巴西劈裂法预制了岩样裂隙,研究了在不同荷载作用下裂隙开度分布的演化规律和裂隙的微观形貌特征,并以此建立了裂隙非饱和相对渗透系数演化模型。张子翼等[7]利用微流体技术,研究了重力效应对裂隙溶蚀模式和溶蚀形态的影响,发现不同达西流速会对应不同的溶蚀模式和形态特征,垂直裂隙更易发育为贯通溶蚀通道,从而加速溶蚀突破。

相对于微流体实验,真实岩体裂隙通常具有更高的连通性和流动通道的弯曲性,模型尺寸更大,空间各向异性及非均质性更强。探究真实岩体裂隙溶蚀特征有助于揭示裂隙几何结构的发育规律和渗透率演化模式,并有助于揭示一些导致实验室和现场有效溶蚀速率的量级差异的机理。但岩体模型如果过大,现有仪器会没足够视野和足够放大倍率去观察溶蚀细观现象。

目前,数值模拟领域,学者们已经开发了包括计算力学方法、孔隙网络模型和格子玻尔兹曼方法等一系列数值模拟方法。这些研究聚焦流速、初始裂隙结构和可溶性矿物的非均质性等特性,对岩体介质溶蚀过程中的矿物相变、优势通道形成及演化等进行研究。如Wen et al[8]通过代入蒙特卡罗模拟法生成的随机渗透率场到溶蚀模型中,研究空间非均质性影响下的溶蚀速率规律,发现不同方差的渗透率场影响了溶液在局部的停留时间,并决定了矿物反应后的有效表面积和溶蚀速率,但数值模拟的可行性仍需大量的实验验证。

综上,前沿研究成果主要集中在细观、微观领域,缺乏连续尺度的几何特征对裂隙溶蚀的影响研究,而部分研究未与裂隙的几何特征和裂隙的渗流特征有效结合,且很少有对开度非均质性对裂隙溶蚀的影响展开系统研究,主要是因为裂隙表面特征难以重现,并且无法直接观察裂隙面上的溶蚀过程,而当使用二次翻模技术使一裂隙面重现真实裂隙面特征时,却也难精确控制两裂隙面间的开度。

2.2 矿物分布非均质性对裂隙溶蚀的影响

裂隙结构物理非均质性主要表现为裂隙介质的非均质性和多组分矿物分布非均质性。自然中观察到反应输运过程并不总是符合均匀介质建立的输运规律,因为某些情况下的均质假设,会由于可溶性矿物非均质分布和可溶性矿物的含量差异,导致裂隙渗流场中浓度和矿物反应速率的空间差异性变化,并由于矿物溶蚀和沉淀的影响改变裂隙的孔隙特征,产生“尺度效应”,导致均质假设不成立。目前,此类研究往往采用数值模拟方法居多。而单个孔隙尺度上的非均质性因素无法形成浓度梯度。Salehikhoo等[9]利用菱镁矿、石英分布不同的两个圆柱开展了不同空间尺度的菱镁矿溶蚀速率实验,并使用地球化学模拟软件CrunchFlow开展数值模拟对比验证,研究表明,场内局部尺度的溶蚀速率分布取决于流速、柱的长度和矿物分布。Beckingham等[10]研究显示,矿物分布非均质性和反应表面积的演化也会极大地影响岩体的整体反应性和溶质释放。Molins等[11]研究发现快溶蚀方解石和慢溶蚀白云石构成的裂隙表面的溶蚀模拟揭示了矿物对溶蚀演化的控制机制。因此,空间非均质性对于确定溶蚀和沉淀分布十分重要,而溶蚀区域的分布又将控制多孔介质的水力迂曲度、渗透率和介质反应性的演变。

综上,由于实验技术手段的限制,现有矿物非均质性溶蚀模拟研究很难重现自然界的混合分布,也很难在单个数模软件中完整重现裂隙溶蚀的过程,其中涉及岩体的物理力学、化学溶蚀和裂隙流体的流场演化等。现有数值模拟仍然缺少对分布非均质性的定量指标描述,而采取的定性设计明显缺少真实性,归根结底是多学科结合研究仍未深入,着眼当下,现今对裂隙面中的溶蚀-沉淀区域的分布规律并没详细研究,对溶蚀-沉淀区域的演化规律缺乏了解,也缺少裂/孔隙溶蚀实验的验证。

2.3 岩体裂/孔隙溶蚀模式及判别准则状

裂隙溶蚀形态特征很大程度决定了裂隙的延展扩张方向,并决定了裂隙开度、渗透率特性的空间演化。因此,大量研究集中于划分不同流动条件下裂隙的溶蚀模式类型及溶蚀模式形成机制[12],主要分为紧凑溶蚀、优势流径溶蚀和均匀溶蚀三种。

溶蚀形态能呈现出多种转化模式。现有研究显示,次要溶蚀通道能发育分岔支流延展到主要溶蚀通道,并会随着裂隙开度不断增加,溶蚀模式可能会从紧凑溶蚀转变为“虫洞”溶蚀。此外,溶蚀过程开度分布变化的研究也未形成公认的结论。例如,Detwiler等[13]基于磷酸二氢钾(KDP)的实验中发现,“虫洞”溶蚀后的开度分布呈现明显的“拖尾”现象,即较大的裂隙开度占比增多;而Deng等[14]的模拟结果显示真实裂隙溶蚀后的开度分布为两个峰,且为未溶蚀前的一个开度峰逐渐转变形成。

溶蚀形态的定量表征尤为重要。Daccord等[15]率先引入无量纲化参数Pe数(Péclet number)和Da数(Damköhler numbers)表征反应(reaction),对流(advection)和扩散(diffusion)三者大小。其中,Pe数表征对流速率和扩散速率的比值,Da数表征反应速率和对流速率比值,Ki数(Kinetic dimensionless number)为两者乘积,表征扩散与反应速率的比值,因此Pe,Da,Ki数通常表示为式(1)—式(3)：

(1)

(2)

(3)

其中,v为介质内流体平均流速;b0为裂隙平均开度;Dm为溶质扩散速率;ks为可溶性物质的溶蚀速率。

已有研究中,以Pe和Ki(Ki=Pe×Da)为坐标的溶蚀模式相图在不断的研究中被修正和完善,并表明以单一Pe,Da数进行溶蚀模式分区是局限的。此外,Hu等[16]开展了不同流速下的圆形裂隙介质的溶蚀实验,探究了不同流速对裂隙介质溶蚀模式的影响机制,并形成了不同Pe数下随注入流量(PV)的开度变化云图,见图1。

综上,现今学者对具有不同粗糙特征的非均质矿物分布的裂隙溶蚀模式及其演化规律认识不足,如在对裂隙面的特征长度和尺度进行控制时,真实岩石实验很难做到控制变量,因此,学者往往假设其他特征不影响溶蚀演化,无论哪种研究手段,现今都存在与自然溶蚀模式差异的巨大理论和实验研究壁垒,因此或还需探究真实岩体尺度下的非均质因素控制下的溶蚀形态特征转变规律,从而为判别岩体溶蚀模式提供数据支持。

3 研究趋势和展望

目前,非均质性对裂隙溶蚀机制的研究主要集中在探究初始几何特征和流动特性对溶蚀模式和溶蚀特征的影响上,研究者们通过不同方法开展不同可溶岩性、不同流体特征、不同粗糙特征下的裂隙溶蚀机制研究,尤其是在溶蚀特征和溶蚀模式上,各学者完善了溶蚀模式相图,建立了不同条件下裂隙介质的溶蚀模式的判别准则和预测方法。本文重点描述的裂隙介质非均质性对溶蚀机制的影响暂时还未形成学术界统一的机制和理论。笔者认为,受多复杂因素影响,裂隙溶蚀机制的系统探究,一是探究清楚溶蚀速率场的分布;二是探究溶蚀模式及溶蚀形状特征,这两者受流体速度场和溶蚀场中离子浓度分布影响,进而最终需要探究溶蚀-沉淀区域的演化特征。由于缺乏研究的积累和探明,很多溶蚀现象仍缺乏明确的理论解释。

现今,受限于实验技术和模拟手段的不足,对实际深层地下裂隙(碳封存盖层)、大时间和空间尺度岩体裂/孔隙(储碳地层、页岩油/气层等)的溶蚀,以及物理化学风化共同作用下的岩体裂隙受非均质性影响溶蚀特征和规律都还未广泛展开研究。而裂隙及裂隙流体所受的应力作用、裂隙空间尺度、溶蚀过程的时间尺度以及不同反应性流体在不同温度下的溶蚀特征都将是未来研究的重点。可以肯定的是,随着多学科理论方法结合下的研究的不断开展,以及在研究仪器和设备不断创新升级的基础上,关于裂隙介质非均质性影响下的岩体裂隙的溶蚀过程规律和溶蚀机制都将拨云见日,并和现今发展的人工智能手段相结合,建立形成大数据下准确的三维监测模型,对不同工况下的裂隙进行监测和预测,以达到工程目的。