應力作用下巖石的化學動力學溶解機制探索獲獎科研報告

應力作用下巖石的化學動力學溶解機制探索獲獎科研報告摘

要：此次研究將綜合化學專業(yè)知識中的動力學、熱化學、巖石力學以及過渡態(tài)理論等內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的反應速率以及巖石固相物質活度量或者之間的關聯(lián)與影響。在巖石承受應力的同時，會對周圍所存在的流體壓力造成一定的化學勢差，該化學勢差會在應力作用的推動過程中體現(xiàn)出溶解反應的驅動力。在應力的施加過程中，可有效提高固相物質的活度，從而加速礦物溶解的動力學速率。

關鍵詞：應力作用;化學勢;巖石;動力學;溶解速率

地球內部最主要的動力學是通過化學反應與力學反應體現(xiàn)出來的。而在這一過程中，水巖系統(tǒng)會基于化學作用和力學作用的耦合作用發(fā)生相應的結構變化。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，且可以結合該內容有效反應出地下水水環(huán)境的演化經(jīng)過與相關規(guī)律。所以，兩者之間的耦合作用是研究巖石力學的一個重要切入點。同時也是分析核廢料處理、地熱開發(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、化學作用以及耦合作用的相關內容，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

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

例如：在此，可以設計σij為固體以內的應力作用，此時，表面上的σ變?yōu)閼?。然后，在設計p為外部流體的壓力值，并且設計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)應力作用在固體當中的作用發(fā)揮。在此，將之區(qū)分為三個板塊進行分析。第一，外部的水溶液經(jīng)過擴散的方式可以把用于溶解反應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力作用而出現(xiàn)不同程度的溶解效果，最后，可以轉化為溶液態(tài)的物質。其中，主要有AI3+和SiO2等。第三，經(jīng)過轉化之后的溶液態(tài)離子通過對流的方式會流向外部水溶液當中。通過以上分析可得：活度的強弱與固體介質的承受力度有著直接的關聯(lián)，且承受力越大，動力學速率的溶解反應就越快。

（二）影響巖石固相顆粒溶解的因素

在應力作用的干預過程中，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“基于擴散運動的反應物濃度梯度驅動”第二板塊所體現(xiàn)出來的是：“巖石當中的固相礦物溶解的反應會受到應力作用的梯度驅動影響”，第三板塊所體現(xiàn)出來的是“基于擴散運動的生成物濃度梯度驅動”。從這三個方面可以發(fā)現(xiàn)：從機制上來分析，其主要區(qū)分為反應控制和擴散控制兩種模式。一旦擴散速率小于反應速率，便可以有效證明演示溶解過程中會受到擴散運動的控制。另外，還可以將之看做是處于平衡狀態(tài)下的水巖反應表現(xiàn)方式，在此便不需要思考動力學的速率。但是，在擴散速率遠遠大于溶解反應速率的時候，其證明的內容也會出現(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，具體的反應會表現(xiàn)為非平衡態(tài)反應方式。在此，便需要重點結合動力學的速率對其進行分析與研究。

二、巖石溶解動力學分析

（一）溶解反應的驅動力

在此，對溶解反應的驅動力進行分析與探索。

固相物質化學勢基礎上的應力作用可表示為：ua=ua-Tsa+Pva。在這一式子中，固相表示為a;化學勢表示為ua，同時也是固相物質偏摩爾內能;而固相物質偏摩爾熵表示為sa;另外T和P表示為熱力學溫度以及固相壓力，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，材料的應變能被自由能所表示，在線彈性范圍當中，f=（1/2）v0σijεij。結合固體化學勢變、巖石表面壓力、流體壓力等相關內容，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，在應力作用的驅動下，固相物質化學勢的變化會受到流體壓力的影響、彈性應變能的影響以及有效應力的影響。

（二）溶解反應的動力學速率研究

僅對溶解過程所受到的影響方面展開分析所得結論是不健全的。所以，還需要讓動力學的反應在遠離平衡態(tài)的狀態(tài)下進行速率反應的研究。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勢之間的關聯(lián)性作出定向的分析與思考，從而確定反應速率對其造成的影響。

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

三、歸納與總結

第一，巖石與流體之間存在的化學勢差是溶解反應的驅動力;第二，應力增加可提高固相物質活度和促進礦物溶解速率;第三，巖石溶解機制