應(yīng)力作用下巖石的化學(xué)動力學(xué)溶解機(jī)制探索獲獎科研報告

應(yīng)力作用下巖石的化學(xué)動力學(xué)溶解機(jī)制探索獲獎科研報告摘

要：此次研究將綜合化學(xué)專業(yè)知識中的動力學(xué)、熱化學(xué)、巖石力學(xué)以及過渡態(tài)理論等內(nèi)容對其作出全面的分析與探索，以此來全面反映礦物溶解動力學(xué)的反應(yīng)速率以及巖石固相物質(zhì)活度量或者之間的關(guān)聯(lián)與影響。在巖石承受應(yīng)力的同時，會對周圍所存在的流體壓力造成一定的化學(xué)勢差，該化學(xué)勢差會在應(yīng)力作用的推動過程中體現(xiàn)出溶解反應(yīng)的驅(qū)動力。在應(yīng)力的施加過程中，可有效提高固相物質(zhì)的活度，從而加速礦物溶解的動力學(xué)速率。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力作用;化學(xué)勢;巖石;動力學(xué);溶解速率

地球內(nèi)部最主要的動力學(xué)是通過化學(xué)反應(yīng)與力學(xué)反應(yīng)體現(xiàn)出來的。而在這一過程中，水巖系統(tǒng)會基于化學(xué)作用和力學(xué)作用的耦合作用發(fā)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化。同時會促使地下水出現(xiàn)遷移的現(xiàn)象，這對于地下工程的穩(wěn)定性以及地下工程的開展有著重要的影響，且可以結(jié)合該內(nèi)容有效反應(yīng)出地下水水環(huán)境的演化經(jīng)過與相關(guān)規(guī)律。所以，兩者之間的耦合作用是研究巖石力學(xué)的一個重要切入點。同時也是分析核廢料處理、地?zé)衢_發(fā)、地下能源貯存以及二氧化碳地下封存的一個有效途徑。本文將重點分析水環(huán)境、巖石力學(xué)、化學(xué)作用以及耦合作用的相關(guān)內(nèi)容，并且會根據(jù)已有的研究成果做出全新的探索與思考。

一、遷移的過程

（一）巖石固相顆粒的溶解

基于應(yīng)力作用下的水和巖石的溶解反應(yīng)，主要體現(xiàn)為兩種模式。第一是巖石固相顆粒的溶解，第二是液相物質(zhì)的遷移。以此作為研究基礎(chǔ)，可綜合應(yīng)力作用下的固相介質(zhì)對其進(jìn)行分析。通過該方法可有效探索溶解的全過程。

例如：在此，可以設(shè)計σij為固體以內(nèi)的應(yīng)力作用，此時，表面上的σ變?yōu)閼?yīng)力。然后，在設(shè)計p為外部流體的壓力值，并且設(shè)計u是具體的流速。然后，可滲透的荷載框架利用陰影部分來代替，從而便可實現(xiàn)應(yīng)力作用在固體當(dāng)中的作用發(fā)揮。在此，將之區(qū)分為三個板塊進(jìn)行分析。第一，外部的水溶液經(jīng)過擴(kuò)散的方式可以把用于溶解反應(yīng)的分子輸送到巖石的固相表面上。比如有：H+和H20。第二，巖石固相顆粒的表面會基于應(yīng)力作用而出現(xiàn)不同程度的溶解效果，最后，可以轉(zhuǎn)化為溶液態(tài)的物質(zhì)。其中，主要有AI3+和SiO2等。第三，經(jīng)過轉(zhuǎn)化之后的溶液態(tài)離子通過對流的方式會流向外部水溶液當(dāng)中。通過以上分析可得：活度的強弱與固體介質(zhì)的承受力度有著直接的關(guān)聯(lián)，且承受力越大，動力學(xué)速率的溶解反應(yīng)就越快。

（二）影響巖石固相顆粒溶解的因素

在應(yīng)力作用的干預(yù)過程中，巖石固相顆粒的溶解速率會受到上文中提到的三個板塊的影響。其中，第一板塊所體現(xiàn)出來的是“基于擴(kuò)散運動的反應(yīng)物濃度梯度驅(qū)動”第二板塊所體現(xiàn)出來的是：“巖石當(dāng)中的固相礦物溶解的反應(yīng)會受到應(yīng)力作用的梯度驅(qū)動影響”，第三板塊所體現(xiàn)出來的是“基于擴(kuò)散運動的生成物濃度梯度驅(qū)動”。從這三個方面可以發(fā)現(xiàn)：從機(jī)制上來分析，其主要區(qū)分為反應(yīng)控制和擴(kuò)散控制兩種模式。一旦擴(kuò)散速率小于反應(yīng)速率，便可以有效證明演示溶解過程中會受到擴(kuò)散運動的控制。另外，還可以將之看做是處于平衡狀態(tài)下的水巖反應(yīng)表現(xiàn)方式，在此便不需要思考動力學(xué)的速率。但是，在擴(kuò)散速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溶解反應(yīng)速率的時候，其證明的內(nèi)容也會出現(xiàn)改變：以此可體現(xiàn)出巖石溶解的過程中，會受到溶解速率的控制與影響，具體的反應(yīng)會表現(xiàn)為非平衡態(tài)反應(yīng)方式。在此，便需要重點結(jié)合動力學(xué)的速率對其進(jìn)行分析與研究。

二、巖石溶解動力學(xué)分析

（一）溶解反應(yīng)的驅(qū)動力

在此，對溶解反應(yīng)的驅(qū)動力進(jìn)行分析與探索。

固相物質(zhì)化學(xué)勢基礎(chǔ)上的應(yīng)力作用可表示為：ua=ua-Tsa+Pva。在這一式子中，固相表示為a;化學(xué)勢表示為ua，同時也是固相物質(zhì)偏摩爾內(nèi)能;而固相物質(zhì)偏摩爾熵表示為sa;另外T和P表示為熱力學(xué)溫度以及固相壓力，最后，偏摩爾體積表示為va。根據(jù)該方法，可寫出：ua=fa+Pva。其中，材料的應(yīng)變能被自由能所表示，在線彈性范圍當(dāng)中，f=（1/2）v0σijεij。結(jié)合固體化學(xué)勢變、巖石表面壓力、流體壓力等相關(guān)內(nèi)容，最終得出式子為：

△ui=uiβ-uiα=（fiβ-fiα）+p（viβ-viα）+（p-σn）viα

通過該式子可分析得出：巖石在發(fā)生相變的過程中，在應(yīng)力作用的驅(qū)動下，固相物質(zhì)化學(xué)勢的變化會受到流體壓力的影響、彈性應(yīng)變能的影響以及有效應(yīng)力的影響。

（二）溶解反應(yīng)的動力學(xué)速率研究

僅對溶解過程所受到的影響方面展開分析所得結(jié)論是不健全的。所以，還需要讓動力學(xué)的反應(yīng)在遠(yuǎn)離平衡態(tài)的狀態(tài)下進(jìn)行速率反應(yīng)的研究。在這一模式下，可有效體現(xiàn)生成物濃度的變化參數(shù)與變化特征，并且還可以通過生成物的濃度變化方法對化學(xué)勢之間的關(guān)聯(lián)性作出定向的分析與思考，從而確定反應(yīng)速率對其造成的影響。

例如：分析化學(xué)勢和物質(zhì)濃度之間的關(guān)系，且在放棄考慮應(yīng)力作用的基礎(chǔ)上對固相活度系數(shù)進(jìn)與濃度進(jìn)行分析，從而測算物質(zhì)發(fā)生溶解之后轉(zhuǎn)變液相的過程。通過該方法可得出固相物質(zhì)的活度，并且可以在過渡態(tài)理論的框架下對礦物溶解動力學(xué)的速率進(jìn)行完整的表述。以此便可以得出礦物溶解動力學(xué)速率與應(yīng)力作用之間的關(guān)系。另外，還可以有效分析在非應(yīng)力作用下，處于平衡狀態(tài)過程中的具體表現(xiàn)。

三、歸納與總結(jié)

第一，巖石與流體之間存在的化學(xué)勢差是溶解反應(yīng)的驅(qū)動力;第二，應(yīng)力增加可提高固相物質(zhì)活度和促進(jìn)礦物溶解速率;第三，巖石溶解機(jī)制