基于室內(nèi)試驗(yàn)的四川峨眉
——漢源高速廖山隧道碳酸鹽巖溶蝕特征分析

李華明，蔡樂軍，陳南南，黃 平，李芳濤

（1.四川樂漢高速公路有限責(zé)任公司，四川 峨眉山 614000；2.長安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061）

0 引言

西南地區(qū)是我國碳酸鹽巖地層的廣泛分布區(qū)，巖溶面積高達(dá)75.5×104km2，約占川、渝、滇、黔四省市國土面積的66.5%。巨厚連片的碳酸鹽巖地層廣泛分布于各個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期，局部沉積厚度在一萬米以上[1]，為巖溶地貌及油氣儲(chǔ)層的發(fā)育創(chuàng)造了優(yōu)越條件。近年來，伴隨“一帶一路”倡議與“西部大開發(fā)”等國家重大戰(zhàn)略的推進(jìn)，西南巖溶地區(qū)工程建設(shè)及油氣資源開發(fā)進(jìn)入高峰期，渝昆高鐵等國家重點(diǎn)工程相繼投建，四川盆地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)以碳酸鹽巖為儲(chǔ)集層的大型油氣田[2?3]。因此，深入分析碳酸鹽巖溶蝕特征，探究碳酸鹽巖溶蝕過程與發(fā)育模式，對(duì)于指導(dǎo)巖溶地區(qū)工程建設(shè)及揭示碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)律至關(guān)重要[4?5]。

針對(duì)碳酸鹽巖溶蝕作用規(guī)律，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了模擬試驗(yàn)研究[6?13]，探討了巖石組構(gòu)、溶蝕環(huán)境等內(nèi)、外在因素的控溶機(jī)制。但限于室內(nèi)試驗(yàn)條件，真實(shí)還原巖體的自然溶蝕環(huán)境是困難的。因此，試驗(yàn)條件及方法的差異也使得國內(nèi)學(xué)者對(duì)碳酸鹽巖溶蝕的難易程度存在兩種不同的認(rèn)識(shí)，一種是白云質(zhì)灰?guī)r>灰?guī)r>灰質(zhì)白云巖>白云巖[14]，另一種是灰?guī)r>白云質(zhì)灰?guī)r>灰質(zhì)白云巖>白云巖[15]。因此，不同組構(gòu)碳酸鹽巖的溶蝕規(guī)律尚需作進(jìn)一步探討。此外，雖然以往學(xué)者從溶解動(dòng)力學(xué)的角度探究了碳酸鹽巖溶蝕機(jī)制，但對(duì)于碳酸鹽巖微觀溶蝕過程及結(jié)構(gòu)變化的研究卻尚為少見。

本文以在建廖山隧道隧址區(qū)三疊系中統(tǒng)雷口坡組碳酸鹽巖為研究對(duì)象，開展靜態(tài)溶蝕模擬試驗(yàn)，目的在于分析碳酸鹽巖溶蝕速率特征及相關(guān)控制因素，探究碳酸鹽巖微觀溶蝕特征及微觀溶蝕過程的結(jié)構(gòu)變化，以期為巖溶地區(qū)工程建設(shè)及油氣儲(chǔ)層勘探開發(fā)提供參考。

1 溶蝕機(jī)理

天然狀態(tài)下，自然界碳酸鹽巖的溶蝕是CO2-H2OMeCO3（Me 為Ca、Mg）系統(tǒng)間的溶解動(dòng)力學(xué)平衡過程（圖1），其溶蝕實(shí)質(zhì)是巖石中堿金屬礦物在巖溶水中

圖1 碳酸鹽巖溶解反應(yīng)綜合模型[16]Fig.1 Comprehensive model of carbonate rock dissolution reaction

H+作用下逐步溶解成游離的金屬陽離子并向水中擴(kuò)散的過程，即可溶巖去Ca、Mg 等元素的過程。碳酸鹽巖溶蝕作用的強(qiáng)弱主要取決于水-巖反應(yīng)界面上H+濃度的大小，溶蝕過程可用如下三個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行模擬[17]：

（1）當(dāng)pH≤5 時(shí)，固體表面質(zhì)子化作用：

（2）當(dāng)4≤pH≤6 時(shí)，固體表面碳酸鹽化作用：

（3）當(dāng)pH>6 時(shí)，固體表面水化作用：

式中：H2CO3*——巖溶水中H2CO3與CO2的總和；

ki——第i（i=1,2,3）個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)。

總?cè)芪g速率可表示為：

式中：a—— 活度；

n、p——反應(yīng)級(jí)數(shù)。

2 靜態(tài)溶蝕試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

試樣采自川西南三疊系中統(tǒng)雷口坡組碳酸鹽巖地層，為在建四川峨眉-漢源高速（峨-漢高速）廖山隧道重點(diǎn)巖溶發(fā)育區(qū)域典型碳酸鹽巖試樣。巖性分別為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及鈣質(zhì)泥巖，經(jīng)X 射線衍射全巖成分分析，巖樣礦物組成如表1 所示。

表1 隧址區(qū)典型碳酸鹽巖礦物組成X 射線衍射分析Table 1 X-ray diffraction analysis of mineral composition of typical carbonate rocks in tunnel site

根據(jù)隧道巖溶管道揭露次序，于隧道不同里程處采集巖石樣品31 塊（圖2），為保證巖樣加工成品率及完整性，擇優(yōu)選取巖質(zhì)較為完整的典型灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及鈣質(zhì)泥巖樣品為原巖樣品進(jìn)行加工。利用ZS-100 型巖芯鉆取機(jī)及CB-300 型巖石切割機(jī)制備直徑為42 mm，高度分別為40，20 ，10 mm 的圓柱體試樣，并用MPD-1 型試樣磨拋機(jī)對(duì)表面進(jìn)行拋光以備使用。

圖2 施工場地采集巖樣Fig.2 Rock samples collected at the construction site

2.2 試驗(yàn)方法

溶蝕試驗(yàn)共分為六組（表2），共計(jì)18 個(gè)試樣；每組試驗(yàn)分別設(shè)置三個(gè)容積為10 L 的溶蝕反應(yīng)容器，每個(gè)容器內(nèi)放入一個(gè)試樣，使溶液體積與試樣體積比大于180∶1，以保障溶液H+濃度在溶蝕周期內(nèi)保持小范圍波動(dòng)，從而溶液pH 值可以近似看作是相對(duì)穩(wěn)定的。

表2 溶蝕試驗(yàn)工況條件Table 2 dissolution experiment conditions

2.3 試驗(yàn)流程

將制備好的巖樣用去離子水清洗干凈，烘干（105 ℃，12 h）并稱重；選用乙酸、鹽酸、乙酸鈉、氫氧化鈉與去離子水配置pH 分別為3.7、4.5、5.3、7.0 及9.0 的溶液作為溶蝕介質(zhì)；將溶液置于反應(yīng)容器內(nèi)，用細(xì)針線綁扎試樣使其懸空且與溶液充分接觸，將容器密封以防止有機(jī)酸揮發(fā)，令試樣在常溫常壓（20 ℃，1 atm）條件下溶蝕；試驗(yàn)過程中，間隔6，8，10 h 取出試樣（累計(jì)溶蝕24 h），用軟毛刷與去離子水將其表面清洗干凈，烘干稱重；取100 mL 溶蝕介質(zhì)于潔凈、干燥的樣品瓶中，檢測溶蝕后試液pH 值（圖3）。

圖3 靜態(tài)溶蝕試驗(yàn)裝置Fig.3 Static dissolution experiment device

3 溶蝕速率與微觀溶蝕特征分析

3.1 溶蝕速率評(píng)價(jià)方法

根據(jù)試樣溶蝕前后質(zhì)量差異，可按式（5）計(jì)算不同工況條件下碳酸鹽巖溶蝕速率大小，并以此為基礎(chǔ)分析巖石溶蝕特征及相關(guān)影響因素。

式中：v1——溶蝕速率/（g·cm?2·d?1）；

m0——溶蝕前試樣質(zhì)量/g；

m1——溶蝕后試樣質(zhì)量/g；

S——試樣表面積/cm2；

Δt——溶蝕時(shí)間/d。

為直觀量化溶蝕速率量級(jí)，根據(jù)單位換算關(guān)系cm·d?1=[g·cm?2·d?1]·ρ?1，可將其表示成如下形式：

式中：v2——表征溶蝕速率（cm·d?1）；

ρ——巖石密度（g·cm?3）；其中，隧址區(qū)灰?guī)r為2.70 g/cm3，白云質(zhì)灰?guī)r為2.55 g/cm3，鈣質(zhì)泥巖密度為2.45 g/cm3。

3.2 溶蝕速率特征及相關(guān)影響因素分析

根據(jù)溶蝕試驗(yàn)成果（表3），對(duì)比不同巖性碳酸鹽巖溶蝕過程，隧址區(qū)碳酸鹽巖溶蝕速率具有如下特征：

表3 不同工況條件下溶蝕試驗(yàn)成果匯總Table 3 Summary of dissolution experiment results under different working conditions

（1）碳酸鹽巖溶蝕是一個(gè)極為緩慢的過程。試驗(yàn)條件下（20 ℃、1 atm、乙酸溶液、pH=5.30、靜態(tài)溶蝕），溶蝕速率量級(jí)介于10?5～10?3cm/d。其中，灰?guī)r溶蝕速率約3.48 mm/a，白云質(zhì)灰?guī)r約1.57 mm/a，鈣質(zhì)泥巖約0.90 mm/a（圖4）。

圖4 不同巖性條件下溶蝕速率特征Fig.4 Characteristics of dissolution rate under different lithology conditions

（2）巖石巖性是控制溶蝕速率的本質(zhì)因素。在溶蝕反應(yīng)的初期，白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r及鈣質(zhì)泥巖均具有較大的起始溶蝕速率，隨著溶蝕時(shí)間的推進(jìn)溶液中氫離子濃度降低，各巖性試樣溶蝕速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定，但總體上具有灰?guī)r>白云質(zhì)灰?guī)r>鈣質(zhì)泥巖的特征，說明巖性是控制溶蝕速率最本質(zhì)的因素。碳酸鹽巖的溶蝕隨巖性差異而表現(xiàn)出不同特征，本質(zhì)上是由巖石內(nèi)部礦物成分差異造成的；根據(jù)巖石起始溶蝕速率與其礦物組成關(guān)系曲線（圖5），巖石的起始溶蝕速率與方解石含量呈正相關(guān)，與白云石含量呈負(fù)相關(guān)，亦說明相同溶蝕環(huán)境下方解石較白云石更易溶蝕。

圖5 起始溶蝕速率與巖石礦物成分關(guān)系Fig.5 Relationship between initial dissolution rate and rock mineral composition

（3）溶蝕介質(zhì)pH 值是控制溶蝕速率的關(guān)鍵因素。碳酸鹽巖溶蝕不僅與其礦物成分有著密切關(guān)系，還與外界溶蝕環(huán)境存在一定聯(lián)系。由第一組組內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)顯示（圖6），相同尺寸的白云質(zhì)灰?guī)r試樣在初始pH 值為3.7、4.5、5.3 的乙酸溶液中，溶蝕速率與溶液pH 值呈負(fù)相關(guān)；此外，在給定初始pH 值條件下，隨著溶蝕時(shí)間的推進(jìn)，溶液pH 值逐漸增大，溶蝕速率也呈減小趨勢。表明溶蝕介質(zhì)pH 值對(duì)可溶巖溶蝕速率影響較大，溶液中H+濃度越高，與可溶性巖石礦物結(jié)合的機(jī)會(huì)越高，巖石的溶蝕作用也就越強(qiáng)，這也是碳酸鹽巖在溶蝕反應(yīng)的初期具有較高起始溶蝕速率的根本原因。

圖6 不同pH 值條件下溶蝕速率特征Fig.6 Characteristics of dissolution rate under different pH values

（4）溶蝕環(huán)境對(duì)溶蝕速率具有一定影響。為探究無機(jī)酸環(huán)境與有機(jī)酸環(huán)境下碳酸鹽巖溶蝕特征差異，選用pH 值均為5.3 的鹽酸溶液和乙酸溶液分別模擬無機(jī)酸環(huán)境與有機(jī)酸環(huán)境，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（圖7），鹽酸環(huán)境下灰?guī)r具有較高的起始溶蝕速率，且隨溶蝕時(shí)間的推進(jìn)呈線性降低趨勢；乙酸環(huán)境下灰?guī)r溶蝕速率呈先升高而后逐漸降低的規(guī)律。造成這種差異的原因是乙酸為弱電解質(zhì)，溶蝕反應(yīng)打破了乙酸原有的電離平衡，促進(jìn)溶液中乙酸分子的進(jìn)一步電離，使得乙酸溶液中短時(shí)H+濃度高于鹽酸溶液中H+濃度，表現(xiàn)出局部時(shí)間段溶蝕速率較高的現(xiàn)象；但隨時(shí)間的推進(jìn)，乙酸溶液中H+被消耗，未電離的乙酸分子逐漸減少，溶蝕速率也相應(yīng)降低?？傮w來看，有機(jī)酸與無機(jī)酸環(huán)境下灰?guī)r溶蝕速率差別不大，總體趨勢近似一致。

為進(jìn)一步探究堿性環(huán)境與中性鹽溶液環(huán)境下碳酸鹽巖溶蝕特征，試驗(yàn)配制礦化度為65 mg/L 的中性乙酸鈉溶液以及pH 值為9.0 的氫氧化鈉溶液模擬溶蝕環(huán)境，利用pH 值為7.0 的去離子水作為對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溶蝕速率具有如下特征（圖7）：去離子水環(huán)境>中性乙酸鈉溶液環(huán)境>氫氧化鈉溶液環(huán)境；試驗(yàn)結(jié)果表明中性鹽溶液與堿性溶液對(duì)灰?guī)r溶蝕起到了不同程度的抑制作用，但較為有限。去離子水環(huán)境下碳酸鹽巖溶蝕速率量級(jí)整體較?。▓D8），約為10?5cm/d，但仍具有灰?guī)r>白云質(zhì)灰?guī)r>鈣質(zhì)泥巖的特征，灰?guī)r溶解速率約為白云質(zhì)灰?guī)r與鈣質(zhì)泥巖溶解速率的兩倍。

圖7 不同溶蝕環(huán)境下灰?guī)r溶蝕速率特征Fig.7 Characteristics of limestone dissolution rate in different dissolution environments

圖8 碳酸鹽巖在去離子水環(huán)境中溶蝕速率特征Fig.8 Characteristics of dissolution rate of carbonate rocks in deionized water environment

碳酸鹽巖在不同溶蝕環(huán)境下的溶蝕特征一定程度上說明當(dāng)巖溶水溶解較多可溶性巖石礦物時(shí)，水溶液Ca2+、Mg2+等離子含量升高，增大了水質(zhì)的礦化度，促使溶蝕能力減弱；與此同時(shí)，碳酸鹽巖礦物晶體的不斷溶蝕消耗了大量侵蝕性H+，一定程度促進(jìn)了Ca2+、Mg2+等堿金屬離子的水解，從而促使巖溶水由酸性轉(zhuǎn)化為弱堿性，削弱了巖溶水的溶蝕能力。

（5）天然狀態(tài)下，巖體是由離散裂隙網(wǎng)絡(luò)所分割的不連續(xù)介質(zhì)，結(jié)構(gòu)面的隨機(jī)性也使得巖塊具有不同的比表面積。通過開展組內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（圖9），碳酸鹽巖溶蝕速率與試樣比表面積之間不具備明顯正相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)初期各巖樣均具有較大起始溶蝕速率，但伴隨溶蝕時(shí)間的推進(jìn)溶蝕速率趨向平緩且大小趨于一致；說明溶蝕速率僅受巖性、pH 值等因素控制，而比表面積僅通過作用于水-巖反應(yīng)有效界面的大小進(jìn)而影響總?cè)芪g量大小。

圖9 不同試樣比表面積條件下白云質(zhì)灰?guī)r溶蝕特征Fig.9 Dissolution characteristics of dolomitic limestone under different specific surface areas of samples

3.3 碳酸鹽巖微觀溶蝕特征分析

為深入探究碳酸鹽巖微觀尺度下溶蝕特征及溶蝕過程的微觀結(jié)構(gòu)變化，在上述研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展溶蝕周期為312 h 的靜態(tài)溶蝕試驗(yàn)，并以此為基礎(chǔ)借助掃描電子顯微鏡（SEM）觀察碳酸鹽巖在不同溶蝕時(shí)刻下的微觀形態(tài)特征，嘗試探索碳酸鹽巖微觀溶蝕過程與發(fā)育模式（圖10、圖11）。

對(duì)比分析白云質(zhì)灰?guī)r與灰?guī)r的動(dòng)態(tài)溶蝕過程可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)環(huán)境下（20 ℃、1 atm、乙酸溶液、pH=5.30、靜態(tài)溶蝕312 h）碳酸鹽巖試樣表面形態(tài)特征在宏觀及微觀兩種尺度下均有明顯改觀，宏觀層面上試樣顏色明顯變淺，且灰?guī)r溶蝕率整體高于白云質(zhì)灰?guī)r溶蝕率，二者溶蝕程度強(qiáng)弱排序如表4 所示；微觀尺度下試樣溶蝕前后形態(tài)特征差異則更為顯著，溶蝕過程分析如下。

3.3.1 白云質(zhì)灰?guī)r微觀溶蝕過程

對(duì)于白云質(zhì)灰?guī)r，試樣溶蝕前，礦物晶體呈規(guī)則長方體狀，晶體間不規(guī)則堆積呈點(diǎn)、線、面狀接觸，可見晶間空隙，晶面光滑無痕，未見明顯溶孔等溶蝕痕跡；溶蝕6 h 后，晶體表面開始出現(xiàn)明顯層狀剝蝕現(xiàn)象，層狀溶蝕紋理明顯（圖12a）；隨溶蝕時(shí)間的推進(jìn)，礦物晶體棱角遭到不同程度的溶蝕而逐漸變得圓滑，晶體表面局部可見細(xì)小溶孔，同時(shí)晶間空隙逐步溶蝕擴(kuò)大（圖12b）；當(dāng)溶蝕進(jìn)行到72 h 時(shí)，方解石晶體沿解理面位置被溶蝕破壞明顯，形似百葉窗狀，局部似刀砍狀，同時(shí)白云石晶體表面可見眾多大小不等的溶蝕孔洞，晶體結(jié)構(gòu)明顯破壞，呈疏松孔隙狀（圖12c）；隨碳酸鹽礦物晶體的進(jìn)一步溶蝕，晶面由破碎狀逐步變得平整光滑，局部可見被剝蝕掉晶體接觸位置處所遺留的溶蝕晶坑且表面趨于圓滑（圖12d）；當(dāng)溶蝕進(jìn)行到192 h，溶縫沿方解石晶體解理面等微結(jié)構(gòu)處擴(kuò)展明顯，可見若干組相互平行的溶蝕縫隙，且在多組解理相交部位處溶縫側(cè)蝕擴(kuò)展成半徑較大的溶蝕孔洞，局部縫洞處可見方解石晶體溶蝕呈“溶蝕晶錐”狀，白云石晶體表面溶蝕孔洞相互貫通并側(cè)蝕擴(kuò)大，局部晶體形態(tài)受溶蝕坍塌，此外晶間接觸面處溶蝕作用顯著，晶體顆粒間聯(lián)系減弱（圖12e）；隨著溶蝕作用的深入，內(nèi)部原生裂隙溶蝕擴(kuò)大，晶體表面凹凸不平，不同礦物的差異性溶蝕現(xiàn)象更加明顯，具體表現(xiàn)在方解石晶體被明顯蝕低且局部呈散體狀結(jié)構(gòu)，晶體顆粒邊緣具有晶錐狀殘留痕跡，白云石發(fā)育有眾多孔徑、深度不等的溶孔，局部發(fā)育溶蝕坑（圖12f）。

3.3.2 灰?guī)r微觀溶蝕過程

對(duì)于灰?guī)r，試樣溶蝕前同樣具有完整的礦物晶體形態(tài)，表面光滑平整且無明顯溶蝕痕跡。在灰?guī)r溶蝕的初期，礦物晶體棱邊及晶格畸變處被溶蝕而變得圓滑，同時(shí)晶體表面出現(xiàn)眾多細(xì)小溶痕（圖13a）；隨溶蝕時(shí)間的推移，方解石沿晶體表面及解理處繼續(xù)溶蝕，形成一組相互平行的溶蝕裂隙，同時(shí)白云石表面出現(xiàn)溶蝕孔洞（圖13b）；當(dāng)溶蝕進(jìn)行至72 h，方解石表面溶蝕破壞嚴(yán)重，呈溝槽狀、階梯狀溶蝕，白云石晶體結(jié)構(gòu)則相對(duì)較為完整，溶蝕作用相對(duì)較弱（圖13c）；當(dāng)溶蝕作用持續(xù)至120 h，方解石沿解理裂隙面溶蝕發(fā)育強(qiáng)烈，礦物顆粒已不具完整晶體形態(tài)，白云石晶體則清晰，僅局部可見少量溶蝕孔洞（圖13d）；當(dāng)溶蝕進(jìn)行至192 h，晶體周圍及晶間接觸面位置處溶蝕作用強(qiáng)烈，具有顯著層狀、階梯狀溶蝕特征，部分巖石礦物被溶蝕剝落，可見明顯蝕余凹槽分布其間（圖13e）；隨著晶面溶蝕的深入發(fā)展，巖石礦物間的結(jié)合程度逐漸減弱，方解石晶體溶蝕呈晶錐狀、針狀及柱狀結(jié)構(gòu)，原始顆粒形態(tài)被完全破壞，白云石晶體表面則溶蝕出現(xiàn)大量蜂窩溶孔，呈麻面狀分布，但晶形輪廓仍清晰可辨，表現(xiàn)出白云石與方解石顯著的差異性溶蝕特征（圖13f）。

實(shí)質(zhì)上碳酸鹽巖的溶蝕過程是巖石內(nèi)部主要可溶性礦物（方解石、白云石）微觀溶蝕特征的宏觀表現(xiàn)。方解石易沿晶體解理與晶面起伏處溶蝕，形成“溶蝕晶錐狀”結(jié)構(gòu)；而白云石則易沿晶體特有的菱形解理及其相交部位溶蝕，形成“蜂窩狀”結(jié)構(gòu)[12]（圖14、圖15）。由于白云質(zhì)灰?guī)r與灰?guī)r中方解石及白云石兩種主要成礦礦物含量不同，也使得兩種巖性巖石的微觀溶蝕過程存在一定差異，因此，在宏觀層面上碳酸鹽巖溶蝕速率也表現(xiàn)出一定差異。

表4 碳酸鹽巖溶蝕程度對(duì)比Table 4 Comparison of dissolution degree of carbonate rocks

圖10 Quanta 650 型環(huán)境掃描電子顯微鏡Fig.10 Quanta 650 environmental scanning electron microscope

3.4 碳酸鹽巖微觀溶蝕特征分析

20 世紀(jì)70年代以來，隨著科技的進(jìn)步與試驗(yàn)技術(shù)的完善，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)溶蝕機(jī)理開展了大量試驗(yàn)研究[10?18]，其中以韓寶平為代表的國內(nèi)學(xué)者提出了碳酸鹽巖的選擇性溶蝕，即可溶巖通常沿容易溶解的礦物成分及有利結(jié)構(gòu)面優(yōu)先選擇性溶蝕的特征[19]。結(jié)合掃描電鏡下碳酸鹽巖微觀溶蝕過程發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽巖在溶蝕過程中均表現(xiàn)出一定程度的差異溶蝕現(xiàn)象，說明巖溶蝕作用是以選擇性溶蝕為主要方式進(jìn)行的，而巖面溶蝕特征是碳酸鹽巖選擇性溶蝕的結(jié)果，具體溶蝕特征簡如下：

圖11 鍍膜后試樣及其編號(hào)Fig.11 Coated sample and its number

3.4.1 沿礦物成分選擇性溶蝕

圖12 白云質(zhì)灰?guī)r溶蝕過程SEM 形態(tài)圖Fig.12 SEM morpHhology of dolomitic limestone dissolution process

當(dāng)碳酸鹽巖試樣溶蝕312 h 后，試樣在微觀尺度下發(fā)生明顯的差異溶蝕現(xiàn)象。方解石晶體溶蝕后晶體結(jié)構(gòu)塌落，已不具原有的晶體形態(tài)，呈“溶蝕晶錐”狀結(jié)構(gòu)、局部呈現(xiàn)“針狀”或“柱狀”結(jié)構(gòu)；白云石晶體溶蝕后其晶體棱角特征鮮明，晶形仍清晰可辨，晶體表面溶蝕孔洞較為發(fā)育，呈“蜂窩麻面”狀結(jié)構(gòu)；由此看出，相同溶蝕環(huán)境下方解石的溶蝕程度遠(yuǎn)大于白云石，巖溶具有優(yōu)先選擇方解石礦物晶體進(jìn)行溶蝕的特征（圖16a）。

3.4.2 沿巖石結(jié)構(gòu)選擇性溶蝕

（1）沿礦物晶體表面的溶蝕

由于巖溶發(fā)育具有選擇巖石礦物優(yōu)先溶蝕的特征，當(dāng)溶蝕沿巖石表面發(fā)育時(shí)，方解石晶體表面首先被溶蝕而變得低洼，溶蝕性相對(duì)較差的白云石晶體則突出于巖石表面，從而形成白云石晶間溶孔，這種不同步溶蝕現(xiàn)象也使得巖石表面呈現(xiàn)凹凸不平狀；此外，礦物晶體表面溶蝕所表現(xiàn)出的逐層階梯狀剝蝕特征與層狀溶蝕紋理現(xiàn)象也反映了巖溶沿礦物晶體表面選擇性溶蝕的特征（圖16b）。

（2）沿礦物晶體邊緣的溶蝕

隨溶蝕時(shí)間的推進(jìn)，礦物晶體邊緣溶蝕特征愈加明顯，晶體棱邊與尖角處晶形變得愈加模糊，局部晶體顆粒形似圓球狀，具有沿礦物晶體邊緣溶蝕的特征。原因在于晶體在內(nèi)、外應(yīng)力的作用下，棱角處產(chǎn)生的應(yīng)力集中加速了溶蝕的發(fā)育；另一方面，礦物晶體在生成的過程中由于受到外部發(fā)育環(huán)境的控制，使得礦物結(jié)晶物質(zhì)與生長空間受到一定制約，常常造成晶體畸變、形成位錯(cuò)，自身的缺陷也加劇了晶體邊緣溶蝕效應(yīng)[20]。晶體邊緣的溶蝕進(jìn)一步削弱了晶間聯(lián)系，促進(jìn)了晶間孔洞的形成（圖16c）。

（3）沿晶間接觸位置的溶蝕

在成礦過程中，礦物晶體棱角、棱邊、晶面通常以點(diǎn)、線、面的形式相互接觸，在內(nèi)力作用下形成有機(jī)統(tǒng)一的整體。對(duì)比礦物晶體溶蝕前后晶間結(jié)構(gòu)形態(tài)，發(fā)現(xiàn)溶蝕前晶形完整，棱角鮮明，晶體間相互緊湊貼合；溶蝕后晶體棱角變得光滑圓潤，晶間距離明顯加大，晶間空隙發(fā)育強(qiáng)烈，形似“砌塊狀”（圖13a），說明晶體選擇沿接觸部位及周邊范圍產(chǎn)生了顯著的溶蝕現(xiàn)象。

圖13 灰?guī)r溶蝕過程SEM 形態(tài)圖Fig.13 SEM morpHhology of limestone dissolution process

（4）沿晶體解理、裂隙等微結(jié)構(gòu)的溶蝕

礦物晶體溶蝕后結(jié)構(gòu)較為松散多孔，晶體表面形成一組或幾組相互平行或斜交的溶蝕凹槽，形似“百葉窗狀”，局部似“刀砍狀”；溶蝕沿晶體裂隙等微結(jié)構(gòu)發(fā)育，

圖14 方解石溶蝕過程模式圖[12]Fig.14 Schema graph of the processes for calcite dissolution

圖15 白云石溶蝕過程模式圖[12]Fig.15 Schema graph for dolomite dissolution processes

使裂隙在深度與寬度方向上溶蝕擴(kuò)大呈現(xiàn)縫狀結(jié)構(gòu)。溶蝕易沿礦物晶體解理、裂隙等微結(jié)構(gòu)優(yōu)先溶蝕的內(nèi)在原因是由于方解石晶體與白云石晶體獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征造成的，兩種礦物晶體在外界環(huán)境擾動(dòng)下極容易分別沿{104}晶面與{1 011}晶面產(chǎn)生三組完全的解理面，解理等微結(jié)構(gòu)面在溶蝕作用下容易使內(nèi)部Ca-O 離子鍵與Mg-O 離子鍵產(chǎn)生斷裂，游離的離子迅速向水中擴(kuò)散而產(chǎn)生局部溶蝕現(xiàn)象（圖16d）。

圖16 碳酸鹽巖微觀溶蝕特征Fig.16 Microcosmic dissolution characteristics of carbonate rocks

4 結(jié)論

本文以在建峨漢高速公路廖山隧道場區(qū)三疊系中統(tǒng)雷口坡組典型碳酸鹽巖為研究對(duì)象，采用溶蝕模擬試驗(yàn)及掃描電鏡試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探究了碳酸鹽巖溶蝕速率、溶蝕特征及溶蝕過程的微觀結(jié)構(gòu)變化，得到如下結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

（1）試驗(yàn)條件下（20 ℃、1 atm、乙酸溶液、pH=5.30、靜態(tài)溶蝕），隧址區(qū)雷口坡組灰?guī)r溶蝕速率約3.48 mm/a，白云質(zhì)灰?guī)r溶蝕速率約1.57 mm/a，鈣質(zhì)泥巖溶蝕速率約0.90 mm/a。在隧道運(yùn)營全壽命周期內(nèi)，存在裂隙溶蝕拓展形成巖溶管道，進(jìn)而弱化巖體與襯砌結(jié)構(gòu)、縮短隧道結(jié)構(gòu)壽命等風(fēng)險(xiǎn)。

（2）碳酸鹽巖溶蝕作用受巖性條件及溶蝕環(huán)境的控制。相同溶蝕環(huán)境下，碳酸鹽巖礦物組分是控制溶蝕速率最本質(zhì)的因素，溶蝕速率與方解石含量呈正相關(guān)，與白云石含量呈負(fù)相關(guān)。溶蝕環(huán)境是控制溶蝕速率的關(guān)鍵因素，溶蝕速率整體上與溶蝕介質(zhì)PH 呈負(fù)相關(guān)，有機(jī)酸與無機(jī)酸環(huán)境下灰?guī)r溶蝕速率總體趨勢相同，而中性鹽溶液與堿性環(huán)境則對(duì)灰?guī)r溶蝕起到了一定程度的抑制作用。

（3）碳酸鹽巖溶蝕速率與巖體比表面積間不具備明顯正相關(guān)關(guān)系，說明天然裂隙巖體比表面積僅通過影響水-巖反應(yīng)有效界面的大小進(jìn)而控制總?cè)芪g量大小，起到加速隧道裂隙巖體溶蝕進(jìn)程的作用，而與溶蝕速率本身大小無關(guān)，說明隧道圍巖越破碎則發(fā)育溶洞的可能性越大。

（4）碳酸鹽巖微觀溶蝕過程表明，溶蝕作用具有優(yōu)先沿礦物成分、巖石微結(jié)構(gòu)選擇性溶蝕的特征。相同溶蝕環(huán)境下，方解石的可溶性遠(yuǎn)大于白云石，巖溶具有優(yōu)先選擇方解石礦物進(jìn)行溶蝕的特征；此外，礦物晶體表面、晶粒邊緣、晶間接觸位置及晶體解理、裂隙等結(jié)構(gòu)薄弱處也是優(yōu)先溶蝕的部位。碳酸鹽巖的溶蝕過程是巖石內(nèi)部主要可溶性礦物（即方解石、白云石）微觀溶蝕特征的宏觀表現(xiàn)，碳酸鹽巖礦物含量的不同也使得其微觀溶蝕過程存在一定差異。