水水巖化學(xué)作用對(duì)巖石的力學(xué)效應(yīng)的研究

水水巖化學(xué)作用對(duì)巖石的力學(xué)效應(yīng)的研究

巖化學(xué)在自然界廣泛使用。作為地質(zhì)環(huán)境中的一個(gè)活躍因素，它是由復(fù)雜的化學(xué)劑組成的化學(xué)溶液。即使是淡水，也它與巖石的相互作用不僅是物理的，而且是復(fù)雜的水-巖化學(xué)和水-巖反應(yīng)。水—巖化學(xué)作用不僅導(dǎo)致化學(xué)元素在巖石與水之間重新分配,而且導(dǎo)致巖石細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的改變,這二者的變化都將導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)的改變。因此,研究水—巖化學(xué)作用對(duì)巖石的力學(xué)效應(yīng)具有十分重要的意義。水—巖化學(xué)作用對(duì)巖石的力學(xué)效應(yīng)是相當(dāng)復(fù)雜的,是一個(gè)廣闊的研究領(lǐng)域,其未知問題很多。在國(guó)內(nèi)外,此領(lǐng)域的研究都剛剛起步。本文系統(tǒng)的總結(jié)了水—巖化學(xué)作用對(duì)巖石力學(xué)效應(yīng)的作用特點(diǎn)、影響因素及其作用機(jī)理,并對(duì)其做出了展望。1水化學(xué)作用對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響的研究早在20世紀(jì)60年代,就有學(xué)者注意到水對(duì)巖石的作用不能僅從有效應(yīng)力原理簡(jiǎn)單地考慮,水對(duì)巖石還有復(fù)雜的化學(xué)應(yīng)力腐蝕作用。近年來隨著研究的深入和學(xué)科的交叉,水—巖化學(xué)作用對(duì)巖石的力學(xué)效應(yīng)越來越被重視。一些研究者對(duì)含水巖石的強(qiáng)度、水對(duì)巖石彈性模量的影響及抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究,也有一些學(xué)者研究了水化學(xué)環(huán)境對(duì)摩擦變形的影響及水對(duì)巖石具時(shí)間效應(yīng)的變形特性。這些研究表明,水化學(xué)作用對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)影響很大,具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。除了這些對(duì)水—巖化學(xué)作用與宏觀變形的研究外,不少學(xué)者通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)越來越認(rèn)識(shí)到水—巖作用對(duì)巖石微觀力學(xué)的破裂機(jī)理及內(nèi)部損傷動(dòng)態(tài)演化過程研究的重要性。Atkinson開展了化學(xué)溶液對(duì)裂隙擴(kuò)展速率、應(yīng)力強(qiáng)度因子和應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)影響的研究;Peak初步考慮了石英巖的應(yīng)力腐蝕及裂隙擴(kuò)展特點(diǎn);馮夏庭、陳四利、王泳嘉等[15,16,20,21,22,23,24]從水化學(xué)腐蝕效應(yīng)的角度研究了水—巖作用對(duì)巖石的力學(xué)效應(yīng);湯連生則主要從水—巖化學(xué)反應(yīng)及水化學(xué)損傷的角度研究了水—巖的力學(xué)和環(huán)境效應(yīng),并對(duì)巖石水化學(xué)損傷機(jī)制及定量分析方面進(jìn)行了研究和探討;顏玉定則探討了飽水時(shí)間對(duì)巖石動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響。以上這些研究都是對(duì)一般巖類、一般成分與水化學(xué)溶液的相互作用,而對(duì)特殊巖類則缺乏研究。一些學(xué)者則從工程應(yīng)用的角度認(rèn)識(shí)到室內(nèi)實(shí)驗(yàn)應(yīng)與工程實(shí)踐相結(jié)合,提出應(yīng)對(duì)工程巖體穩(wěn)定性形成重要影響的特殊巖類——軟巖與水的相互作用給予重視,加強(qiáng)軟巖與水的化學(xué)腐蝕規(guī)律和力學(xué)效應(yīng)的研究。目前,對(duì)于強(qiáng)度腐蝕的化學(xué)作用過程的機(jī)理研究則已涉及到的有:①水的pH值作用;②溶解作用;③水解作用;④離子交換作用;⑤溫度的影響;⑥壓力的影響。2水-巖化學(xué)對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響2.1水化學(xué)作用基本效應(yīng)水—巖化學(xué)作用對(duì)巖石宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響主要是指巖石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變以及斷裂力學(xué)指標(biāo)等。通過實(shí)驗(yàn)研究表明,水—巖化學(xué)作用對(duì)巖石宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響具有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)水—巖化學(xué)作用對(duì)巖石的力學(xué)效應(yīng)具有明顯的時(shí)間效應(yīng),對(duì)于不同巖性的巖石,其時(shí)間效應(yīng)不同。(2)水化學(xué)作用降低了巖石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量,其影響顯著。(3)水化學(xué)作用對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的改變具有差異性,即不同巖性、不同水化學(xué)成分,其改變程度不同。對(duì)于花崗巖、砂巖和灰?guī)r三種巖石在同一水溶液時(shí),砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度降低值明顯大于另外兩種巖石;而對(duì)于同種巖石在不同化學(xué)成分的水溶液中時(shí),除了對(duì)砂巖影響相差不是很大外,另外兩種巖石的影響相差都很明顯。(4)水—巖化學(xué)作用對(duì)巖石的斷裂力學(xué)效應(yīng)也是顯著的。試驗(yàn)表明,不同巖性、不同浸泡方式及不同水溶液流動(dòng)速率對(duì)巖石斷裂力學(xué)指標(biāo)的影響存在著較大差異?？傮w上,水化學(xué)作用對(duì)斷裂力學(xué)指標(biāo)的影響程度與水—巖反應(yīng)的強(qiáng)度成正比。2.2巖石及其產(chǎn)物的性質(zhì)(1)水溶液的成分及化學(xué)性質(zhì)。(2)水的流動(dòng)狀態(tài)。水巖化學(xué)作用的活躍性要受水的活動(dòng)狀態(tài)控制,處于地下水徑流越強(qiáng)烈的巖石(體),其所受的水化學(xué)侵蝕就越強(qiáng)。(3)巖石的成因,如巖石形成的條件、溫度、時(shí)間以及地質(zhì)構(gòu)造作用和風(fēng)化作用等。(4)巖石礦物與膠結(jié)物的成分。研究表明,巖石中的含鐵離子或鈣離子的礦物及膠結(jié)物成分是水—巖化學(xué)作用力學(xué)效應(yīng)的一些關(guān)鍵離子或物質(zhì)成分,尤其是含鐵離子的礦物對(duì)水—巖反應(yīng)具有正反兩方面的力學(xué)效應(yīng)。(5)巖石的本身物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu),比如親水性、孔隙度、裂隙裂紋的發(fā)育情況及透水性。(6)溫度。(7)壓力。3配置機(jī)制水化學(xué)作用對(duì)巖石的力學(xué)效應(yīng),其機(jī)理十分復(fù)雜,對(duì)其有各種解釋,其中也有以能量的觀點(diǎn)來解釋水化學(xué)作用對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)改變的機(jī)理。3.1巖石強(qiáng)度侵蝕的作用機(jī)制3.1.1hcl、naoh溶液對(duì)石英應(yīng)力強(qiáng)度的影響Wiederhorn等早在1973年就研究了pH值對(duì)玻璃裂隙擴(kuò)展的影響,Atkinson等則研究了HCl、NaOH溶液對(duì)石英裂隙擴(kuò)展速率、應(yīng)力強(qiáng)度因子和應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明pH值對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的改變非常顯著,影響很大,pH值越小(酸性)和越大(堿性),其對(duì)巖石的腐蝕效應(yīng)就越大。3.1.2化學(xué)作用的影響水解作用一直是一些難溶礦物風(fēng)化溶蝕的主要機(jī)制,對(duì)巖石礦物的后生變化有著重要的作用。如作為許多巖石主要成份的硅酸鹽、鋁硅酸鹽在水解作用下會(huì)產(chǎn)生粘土礦物的沉淀析出。對(duì)于二氧化硅,有學(xué)者認(rèn)為在裂隙尖端初變形的Si—O鍵比未變形的要更容易與環(huán)境因素發(fā)生作用,從而使鍵出現(xiàn)了弱化現(xiàn)象,在應(yīng)力作用下比未變形鍵更容易產(chǎn)生破壞。二氧化硅玻璃和石英在水環(huán)境下弱化的一般表達(dá)式為:強(qiáng)Si—O鍵的水解作用能使更弱的氫鍵氫氧團(tuán)與硅原子相聯(lián)。許多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)則假定了此方程是二氧化硅礦物的應(yīng)力腐蝕作用的關(guān)鍵所在,其應(yīng)力腐蝕作用的根據(jù)就是:≡Si—O—Si≡+OH-=Si—O-+≡Si—OH。目前,對(duì)于硅酸鹽玻璃臨界斷裂的關(guān)鍵因素是離子水還是分子水仍存在爭(zhēng)論,Freiman認(rèn)為水分子中的氫核和電子促進(jìn)了裂隙尖端Si—O—Si鍵的水解作用,而Atkinson等發(fā)現(xiàn)改變氫氧根離子的活度也能明顯地改變水環(huán)境中的石英的裂隙擴(kuò)展速率,即使在試驗(yàn)的整個(gè)過程中分子的活度基本上維持常數(shù),氫氧根離子濃度的提高也可以導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展速率的提高。可見,控制化學(xué)作用對(duì)斷裂擴(kuò)展的影響的關(guān)鍵因素可能是環(huán)境的化學(xué)活性。然而,作為多相集合體的地殼巖石不像常用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的理想單礦物材料,而且長(zhǎng)石、云母、輝石、角閃石和橄欖石等礦物比起石英也要復(fù)雜得多,因而研究確定每種巖石或礦物的強(qiáng)度腐蝕中的關(guān)鍵因素將是一項(xiàng)艱巨而重要的工作。3.1.3影響巖石裂隙擴(kuò)展的因素巖石中許多礦物都能溶解于水,如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等氯化物和碳酸鹽以及Fe3+、Al3+等氧化物和硅酸鹽,當(dāng)這些易溶礦物隨水流失,難溶礦物殘留原地時(shí),巖石的孔隙度增加,裂隙擴(kuò)展,從而巖石變得松散脆弱。影響水化學(xué)溶解作用對(duì)巖石裂隙的擴(kuò)展作用的因素很多,如環(huán)境濕度、溫度及壓力等。例如,影響地下水中SiO2含量高低的因素中就有水溫。3.1.4堿離子液體裂隙的制備離子交換作用對(duì)改變裂隙尖端溶液的化學(xué)性質(zhì)起著重要作用。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于水—玻璃系統(tǒng),氫離子與堿離子的交換甚至在室溫條件就會(huì)迅速進(jìn)行,并在裂隙尖端產(chǎn)生一基本溶液。由于裂隙尖端處溶液空間的限制,其pH值會(huì)迅速提高,一旦pH>9,二氧化硅晶絡(luò)就會(huì)與溶液起化學(xué)反應(yīng)。這些離子的交換作用對(duì)于臨界斷裂擴(kuò)展具有重要作用,其作用強(qiáng)度則取決于裂隙尖端處溶液與外界環(huán)境擴(kuò)散交換的難易程度。3.1.5巖石力學(xué)性質(zhì)的改變溫度的升高一般會(huì)促進(jìn)水—巖化學(xué)反應(yīng),從而加速水—巖化學(xué)作用對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的改變。據(jù)砂巖、灰?guī)r等在不同溫度(如20℃、40℃、60℃)的實(shí)驗(yàn)表明,不同水溫環(huán)境下巖石的斷裂韌度不一樣,一般斷裂韌度隨溫度增高而增大。3.1.6裂隙張量和裂隙速度的影響壓力對(duì)裂隙擴(kuò)展的影響是很難估計(jì)的,這主要是因?yàn)楹茈y分辨壓力對(duì)臨界應(yīng)力腐蝕斷裂擴(kuò)展所具有的4個(gè)方面的作用:①固體斷裂擴(kuò)展的應(yīng)力張量;②隙中流體的力學(xué)特性;③微裂隙的擴(kuò)展過程和微裂隙的影響帶;④裂隙液體與裂隙尖端固體介質(zhì)之間的化學(xué)作用(化學(xué)勢(shì)和作用強(qiáng)度)。如果應(yīng)力腐蝕作用或環(huán)境因素的化學(xué)勢(shì)動(dòng)力學(xué)和裂隙尖端處反應(yīng)物受到壓力的作用,則可看到壓力對(duì)斷裂速率的影響。壓力影響裂隙塑性區(qū)和裂隙尖端過程帶的水化學(xué)作用,則需運(yùn)用細(xì)觀損傷力學(xué)或考慮損傷的斷裂力學(xué)進(jìn)行研究。3.2巖石的水化學(xué)作用能量觀點(diǎn)認(rèn)為,水—巖的化學(xué)作用實(shí)際上也是巖石礦物能量平衡變化的過程,利用巖石礦物由于水化學(xué)的作用而產(chǎn)生相應(yīng)的能量變化可解釋并定量分析水—巖反應(yīng)的力學(xué)效應(yīng)。例如,Dunning等(1984),Boozeretal(1963)和Swolfs(1971)等在對(duì)石英的裂隙滲透實(shí)驗(yàn)與砂巖的抗壓實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),水化學(xué)環(huán)境的作用會(huì)造成被測(cè)礦物表面自由能的減少。又如,斷裂力學(xué)中的Griffith(1920)能量方法及Orowan(1949)塑性變形能的分析方法,就取得了很成功的結(jié)果,具有重要的理論和實(shí)際意義。而Westwood(1974)通過對(duì)固-液體系的研究,則建立了靜電ζ勢(shì)差模型,用靜電作用來解釋應(yīng)力腐蝕,發(fā)現(xiàn)當(dāng)被測(cè)礦物上單層吸收的靜電勢(shì)為零時(shí),玻璃和石英的壓縮硬度最大,當(dāng)靜電勢(shì)變高時(shí),其壓縮硬度就變小。水化學(xué)作用在巖石的腐蝕過程中,會(huì)使巖石的內(nèi)聚能不斷減少,最終達(dá)到巖石最低的能量狀態(tài)。巖石之所以發(fā)生這一過程,是因?yàn)樗裱诉@樣的自然規(guī)律,即獲得與周圍環(huán)境相適應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。巖石在外部能量(化學(xué)、機(jī)械和生物過程等)的不斷作用下,總是通過各種反應(yīng)向著與周圍環(huán)境相適應(yīng)的平衡態(tài)調(diào)整。礦物表面對(duì)活躍的化學(xué)成分的吸收將導(dǎo)致固體表面能的減少,當(dāng)達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí),礦物的晶格能就要被破壞并釋放出來。由于上述作用,受力巖石裂隙尖端的化學(xué)鍵就要被打破,如此又產(chǎn)生新的表面能區(qū)域,微觀裂隙也就得到擴(kuò)展。另外,表面化學(xué)活性水溶液對(duì)巖石表面具有較大的親和力,覆蓋的表面愈大,巖石表面的比表面能就愈低,從而能自動(dòng)入滲到微細(xì)裂紋并向深處擴(kuò)展,好像在裂紋中打入一個(gè)“楔子”,不僅起著劈裂作用,而且防止新裂縫愈合或顆粒粘聚。在此過程中,水溶液的化學(xué)性質(zhì)(如親水性)起著重要作用。4研究方法和理論水—巖化學(xué)作用是一種基本的地球化學(xué)作用,它對(duì)巖體的力學(xué)效應(yīng)是動(dòng)態(tài)的。其研究方法主要有實(shí)驗(yàn)方法、歷史演化分析法、數(shù)學(xué)模擬分析法和工程地質(zhì)地球化學(xué)方法及類比法。在水—巖化學(xué)作用對(duì)巖體力學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,定量模擬水—巖相互作用中的一些化學(xué)過程,恢復(fù)或回溯水—巖化學(xué)作用的演化歷程以及人類工程活動(dòng)影響后的演化趨勢(shì),則是研究水—巖化學(xué)作用對(duì)巖體變形破壞力學(xué)效應(yīng)的主要方法。5宏觀環(huán)境分析和定量關(guān)系重視水—巖化學(xué)作用對(duì)巖石的力學(xué)效應(yīng)研究無疑具有重要的理論與實(shí)踐指導(dǎo)意義,它將以往的工程地質(zhì)學(xué)放在一個(gè)更加微觀、更加細(xì)致的角度去考慮,這也是現(xiàn)代工程地質(zhì)學(xué)走向更精細(xì)的一個(gè)標(biāo)志。它為工程巖體穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害的防治及相應(yīng)參數(shù)的選擇與分析都提供了一個(gè)新觀點(diǎn)。水化學(xué)作用對(duì)巖石力學(xué)效應(yīng)的研究是多學(xué)科、多領(lǐng)域的結(jié)合,涉及到工程地質(zhì)學(xué)、巖土力學(xué)、水文地球化學(xué)、地球化學(xué)、損傷力學(xué)以及斷裂力學(xué)等學(xué)科?，F(xiàn)實(shí)中的巖體都是歷史巖體的發(fā)展,賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境中,要受到周圍介質(zhì)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及化學(xué)場(chǎng)的相互作用,這就涉及到多場(chǎng)耦合作用:應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)之間的相互作用要受到巖體介質(zhì)場(chǎng)的制約;同時(shí),后者又會(huì)受到前者的作用而變化,他們之間的耦合關(guān)系如圖1所示。這種多重耦合的相互作用是動(dòng)態(tài)的演化及逐漸變異和協(xié)調(diào)的過程。因此,研究水化學(xué)作用的巖石力學(xué)效應(yīng)應(yīng)考慮溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及滲流場(chǎng)的相互作用,不能簡(jiǎn)單地從化學(xué)場(chǎng)的角度分析其力學(xué)效應(yīng),工程上許多破壞現(xiàn)象及地質(zhì)災(zāi)害等都是滲透與水化學(xué)綜合作用的結(jié)果。因此,這方面的研究應(yīng)給于足夠的重視。巖石的宏觀力學(xué)效應(yīng)是一種從微觀結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致其宏觀力學(xué)性質(zhì)改變的過程,這種復(fù)雜作用的微觀過程是自然界巖體變形破壞的關(guān)鍵所在。因此,研究水化學(xué)作用對(duì)巖石的細(xì)微觀破裂特征和腐蝕機(jī)理