矿井积水与破碎煤岩体水-岩相互作用研究

矿井积水与采空区破碎煤岩体的长期相互作用将会导致水质发生变化,并有可能成为污染地下含水层的直接因素。为探究二者相互作用过程中的水质变化规律,试验分析了不同温度,不同风化程度条件下的离子变化规律与内在机理。结果表明:随着温度以及煤岩体风化程度的增加,Na+与K+的释放总量与速度均会表现为正相关的演化规律;Ca^(2+)浓度变化受到溶蚀与沉淀的综合作用结果,表现为先上升后下降的趋势;水体总碱度变化过程可分为初期溶蚀阶段,中期吸附阶段,后期稳定阶段;水体总硬度变化过程可分为初期溶蚀阶段,中期吸附阶段,后期溶蚀阶段;破碎煤岩体净化水体的过程中存在溶蚀、沉淀与吸附的竞争过程,并且具有明显的时效性,对水质具有重要影响。

基于水-岩相互作用的泥岩库岸时变稳定性分析

为探寻云南省富宁港区泥岩库岸在水-岩相互作用下的稳定性演变规律,通过富宁港区一期工程现场采集泥岩试样,经过不同次数的干湿循环后,进行常规三轴压缩试验。将得到的岩石抗剪强度参数进行工程转换,经回归分析后构建泥岩岩体综合抗剪强度参数概率分布的时变模型。结合极限平衡法和可靠性理论,得到水-岩相互作用下泥岩库岸中值安全系数、可靠度及可靠安全系数的时变规律。分析结果表明,在水位反复升降作用下,综合二元指标的可靠安全系数能更合理地分析泥岩库岸稳定性;库岸整体稳定程度呈现出非线性衰变特点;库岸最危险滑动面表现为由内向外的渐进性破坏。以试验为基础,提出的泥岩库岸时变稳定性分析方法为研究水位周期性涨落下库岸的稳定性演变规律提供了一条有效途径。

滑坡灾害孕育—激发过程中的水-岩相互作用

降雨造成的地下水与斜坡岩土体之间的复杂作用———水 -岩相互作用不仅是滑坡灾害的主要激发因素,它在滑坡孕育过程中也发挥着重要作用。以往的相关研究主要集中在与滑坡激发有关的空隙水压力、基于空隙水压力效应的滑坡临界降雨量、地下水富集斜坡的稳定性评价、水 -力耦合及地下水对岩石的软化效应等方面。孕育过程在滑坡研究中居于重要的基础性地位。以流-固耦合等理论为基础对岩体进行时效变形预测,对于斜坡演化研究是重要的,但是,由于大多数滑坡的孕育都是在近地表的侵蚀性地球化学环境中进行的,与深埋地下空间的开挖问题存在明显区别。作为水 -岩相互作用主要类型之一的水-岩化学作用是造成这种差别的主要因素。深入开展滑坡灾害孕育过程中的水-岩化学作用研究不仅对斜坡维护、加固及滑坡预报是重要的,而且可以促进水-力双重耦合、水-热-力及水-热-力-化学多重耦合等复杂理论的发展。

山西柳林泉域水-岩相互作用地球化学模拟

简述了反向地球化学模拟软件ＮＥＴＰＡＴＨ２．０的结构及功能，并用其成功地模拟了山西省柳林泉域岩溶地下水系统中的水－岩相互作用，定量评价了岩溶地下水在地表水渗漏的影响下经历的地球化学作用及不同流径地下水的混合比例．

人工回灌过程中的水-岩相互作用模拟

人工回灌过程中所发生的水-岩相互作用是影响回灌层位地下水环境质量的重要因素。采用室内实验和水文地球化学模拟等技术对人工回灌过程中的水-岩相互作用机理进行了分析。研究结果表明:受混合作用影响,随着回灌水比例的增加,混合水中TDS质量浓度降低,水化学类型由Cl·HCO3-Na型水逐渐转变为HCO3·Cl-Na·Ca型水;受水-岩作用影响,在同一混合比例条件下,随着水-岩作用的进行,混合水中TDS质量浓度升高,各主要离子质量浓度呈现升高的趋势,但只有回灌水比例占10%时,混合水TDS质量浓度才大于原始地下水(涨幅约5%)。实验介质溶解于水的离子中,Ca2+、Mg2+和HCO3-主要来源于碳酸盐矿物的溶解,Na+主要来自岩盐的溶解。在人工回灌过程中,发生的水-岩相互作用主要包括方解石、白云石、钾长石、岩盐、CO2的溶解和伊利石的沉淀。其中:钾长石溶解量与伊利石沉淀量、碳酸盐矿物溶解量与CO2溶解量的相关性较强,其相关系数分别为1.00和0.78(显著性水平为0.05);硅酸盐矿物反应量和回灌水比例之间的相关系数为0.97(显著性水平为0.01),相关性极强;而碳酸盐矿物反应量和回灌水比例之间的相关系数为0.52(显著性水平为0.01),相关性较弱。上述相关性分析为确定人工回灌过程中的水-岩相互作用机理、地下水中主要离子组分的来源途径以及定量分析人工回灌对含水层介质的影响提供了依据。

水-岩相互作用研究的回顾与展望

总结了 2 0世纪 5 0年代末以来的水 -岩相互作用研究历史 ,初步划分为 3个阶段 :第一阶段 ,5 0年代末— 70年代初 ;第二阶段 ,70年代初— 80年代末 ;第三阶段 ,80年代末至今 .近年来 ,环境问题在水 -岩相互作用研究中占的比重越来越大 ,也使水 -岩相互作用研究获得了更大、更持续的发展空间 .简要回顾了地下水成因和地壳中水的地球化学循环 ,控制水的化学成分的地球化学过程 ,以及水 -岩相互作用与地质灾害等方面的重大研究成果 .认为有望取得创新成果的领域包括 :地下水地质作用及其资源环境效应 ,地下水环境演化与全球变化 ,和极端条件下的水 -岩相互作用研究 .

水-岩相互作用模拟的研究进展

水 岩相互作用的地球化学模拟已在模型建立和软件的开发方面取得了较大的进展。地球化学模型发展经历了从反向模拟到正向模拟,以及到现在的反应性溶质运移模拟的发展过程。许多计算模拟软件被开发出并投入到实际应用中,现在的模拟技术已能处理较大范围内温度变化、压力变化、组分变化,以及各种地质条件下的水 岩地球化学作用。许多水 岩相互作用问题要回答地质作用的过去历史,要解释或预测未来可能水环境变化,通过模拟已获得满意的解决。目前水 岩作用地球化学模拟取得的重要进步是动力学模型和耦合运移模拟已取得了实质性进展,并应用于实际研究之中。

CO_2-水-岩相互作用对盖层渗透率影响的数值模拟

针对我国江汉盆地深部含水层的基础地质和水文地质条件,运用国际先进的反应溶质运移数值模拟软件TOUGHRE-ACT建立垂向一维模型,探索研究了CO2进入盖层后,CO2-水-岩相互作用对盖层渗透率的影响。模拟结果表明,CO2进入盖层后,会使pH值降低,导致矿物组分和渗透率的变化。模拟5 000a后,盖层底部和顶部渗透率分别增加了10%和6.7%,主要是由石膏在该处的溶解以及菱镁矿未能沉淀造成的;盖层中部渗透率降低了约6.7%,主要是因为铁白云石和菱镁矿在后期发生了沉淀;绿泥石的溶解为铁白云石和菱镁矿的沉淀提供了必要的Mg2+和Fe2+离子来源,对盖层渗透率的变化起到了至关重要的作用。

论岩土工程中水-岩相互作用研究的焦点问题——特殊软岩的力学变异性

水-岩相互作用研究是力学和地球科学领域中的前沿课题之一。在力学领域中称之为“固流耦合作用”,在地球科学领域中称之为“水-岩相互作用”。前者研究的焦点在于固体和流体间力学耦合的基本规律;后者主要研究在高温高压条件下,岩石和水发生的化学反应规律及其地球化学特征。岩土工程作为土木工程与地质学的交叉学科,水-岩相互作用研究的侧重点以往主要集中于岩体水力学方面,即从渗流场和形变场的相互作用角度研究其基本规律,目前,已开始注意到水和岩石的化学作用问题。从工程实践中迫切需要解决的共性课题———特殊软弱岩体与水作用后力学性能大幅度变异的问题出发,探讨了某些特殊岩体与水作用的化学规律、矿物学规律及其化学与矿物学损伤所导致的力学损伤规律,并建立软岩-水相互作用的时间效应模型;确定软岩性质软化的标志性临界阈值,为建立水-岩相互作用理论体系奠定软岩研究基础,为重大工程的设计、施工等提供有效的参考和指导。

煤矿地下水库水-岩相互作用机理实验研究

为了揭示煤矿地下水库水体中离子的变化规律,阐明其自净化机理,并为其建设与发展提供理论依据。通过对神东大柳塔煤矿地下水库原位进出水水样水质分析、水化学类型分析和其中主要离子来源解析,设计4组煤矿地下水库泥岩和细砂岩分别与去离子水和矿井水的水-岩相互作用模拟实验,采用图示法、离子比值法等手段揭示煤矿地下水库水体中主要离子的变化规律及其来源。结果表明:大柳塔煤矿地下水库发生的主要水-岩相互作用为阳离子交换反应,黄铁矿氧化,方解石、白云石以及硅酸盐矿物的溶解。阳离子交换反应使得Na^+浓度增大而Ca^2+浓度减少、水化学类型由进水的SO4·Cl-Ca型向出水的SO 4·Cl-Na型转变以及造成Na^+浓度相对Cl-浓度过量而r(Ca^2++Mg^2+)浓度相对于r(HCO3^-+SO4^2-)浓度亏缺的主要原因;且随着水-岩相互作用的进行,泥岩和细砂岩的钠吸附比均逐渐增大,阳离子交换反应逐渐减弱。煤矿地下水库水体中SO4^2-部分来源于黄铁矿氧化,其中泥岩的方解石含量相对于白云石含量较多,主要是黄铁矿氧化与方解石发生中和反应;而细砂岩中白云石含量较多,主要是黄铁矿氧化与白云石发生中和反应。矿井水中Na^+主要来自钠长石和正长石等硅酸盐矿物的溶解,泥岩组和细砂岩组Ca^2+和Mg^2+的主要来源分别是方解石和白云石的溶解。

水-岩相互作用研究及其在石油地质中的应用

综合评述了国内外在储层成岩演化过程中，流体—矿物相互作用的机理、孔隙流体在次生孔隙形成过程中的作用、流体—矿物相互作用对岩石表面润湿性的影响、油气充注聚集对岩石成岩作用的影响等方面的研究进展，并介绍了这些研究成果在储层次生孔隙预测、油气运移和油气成藏研究中的应用前景。

应该继续重视与开展水-岩相互作用的研究——为《水文地质工程地质》创刊40年而作

应该继续重视与开展水－岩相互作用的研究——为《水文地质工程地质》创刊４０年而作沈照理（中国地质大学，北京１０００８３）在本刊１９９１年第１８卷第２期双月论坛上我们曾建议“应该重视水－岩相互作用的研究”。得到同行学者们的广泛支持与响应。虽然时隔不久，但...

天津市塘沽低温热储回灌的水-岩相互作用地球化学模拟

地球化学模拟是了解早期阶段回灌影响的有效方法．对塘沽热田的地热回灌试验进行了地球化学模拟，以地热供暖尾水作为初始反应流体，通过模拟其与储层岩石的水－岩相互作用，确定回灌对储层性质的影响．模拟是根据回灌水在不同温度下分别与岩石反应及在不断升温过程中连续与岩石相互作用而进行的．结果表明，回灌的影响在开始阶段是相当重要的，在仅考虑溶解和沉淀矿物间体积平衡的情况下，回灌对储层的孔隙度产生正的效应．水－岩相互作用形成的次生矿物组合为玉髓、方解石、白云母、高岭石和斜绿泥石，回灌水的化学组分趋于储层中热水的成分．

基于水-岩相互作用下坝基水质与渗流特征

库水在向坝基运移的过程中,所产生的水与坝基岩石之间,水与帷幕及混凝土之间物理化学作用,导致形成不同的坝基水质特征。通过对坝基水质资料分析,结果表明,坝基水化学场是坝基渗流场的重要组成部分,水的pH值、化学成分和化学类型的形成均受制于坝基地下水的径流条件,可依据水质的特征将坝基划分出不同的水文地质单元,即强径流带、缓径流带和孤立水体带。

水-岩相互作用对砂岩劣化效应的离散元模拟

以三峡库区消落带典型砂岩为研究对象,通过室内单轴压缩试验来获得水-岩作用对岩样的力学性质的劣化规律,并利用PFC2D离散元软件模拟单轴试验应力-应变曲线与室内水-岩作用试验曲线相符合的方式,来研究水-岩作用下三峡库区典型砂岩的微观力学参数的变化规律,揭示水-岩作用下岩石宏观力学性质的劣化机理.结果表明:在长期水-岩作用下,PFC2D数值模拟的细观参数变化规律与室内试验岩石的宏观力学参数的劣化规律基本一致;模拟得出的应力-应变曲线与室内试验结果匹配良好;数值试样的破坏模式变化规律性与室内试验的也完全一致.说明PFC2D数值模拟能够很好地模拟水-岩作用对砂岩的劣化效应,并反应岩石真实的劣化规律,同时也验证了水-岩作用对砂岩的劣化效应的显著性.

青海共和盆地地热流体地球化学特征及热储水-岩相互作用过程

地热流体地球化学组成及其运移规律和成因机制研究对地热资源勘查和开发利用具有重要意义。当前,青海省地热资源开发利用程度低,更缺乏针对地热流体地球化学特征进行深入研究的系统性工作。青海共和盆地是青藏高原北缘的一个断陷盆地,盆地内地热资源丰富。本文以共和盆地及周围部分山区的地热系统为研究对象,基于系统地球化学采样和测试开展了地热流体地球化学组成及热储水-岩相互作用过程分析,认为:从共和下更新统热储、新近系热储到鄂拉山构造岩浆带再到瓦里贡山构造岩浆带,地热水中SiO2含量依次升高,反映热储温度依次升高;上述地热地区热储中原生铝硅酸盐矿物的溶解和蚀变矿物的形成是控制地热水中阳离子含量的最重要的水文地球化学过程,而补给水下渗和地热水径流及升流过程中盐类矿物的溶滤则是水中阴离子(特别是SO^(2-)4和Cl^-)的主要来源。

CO_(2)-水-岩相互作用对CO_(2)地质封存体物性影响研究进展及展望

CO_(2)-水-岩相互作用是CO_(2)地质封存的核心问题,CO_(2)的注入打破了岩石-地层水化学平衡,引发的地层水化学性质改变、原生矿物溶蚀和次生矿物沉淀,会导致储层和盖层岩石孔隙度、润湿性、力学性质等物性变化并进而影响CO_(2)的注入能力、封存效率以及封存安全性与稳定性。从CO_(2)-水-岩相互作用机制出发,系统阐述了CO_(2)-水-岩相互作用对地层岩石孔隙度、渗透率、润湿性、力学性质的影响研究进展。研究表明,CO_(2)-水-岩相互作用导致岩石孔隙度和渗透率的变化与其初始孔渗特征和矿物组成密切相关,岩石孔渗特征的改变直接影响储层的注入能力与封存潜力和盖层的封闭能力。润湿性的变化与初始亲水亲油特征有关,CO_(2)-水-岩相互作用通常会减弱亲水岩石而增强亲油岩石的水润湿性,进而影响多相流体在岩石孔隙中的微观分布与渗流特征。由于胶结物溶蚀以及溶蚀孔的形成,CO_(2)-水-岩相互作用会引起岩石损伤,抗压强度、抗拉强度、弹性模量等力学参数减小,一定程度上影响封存安全性。碳中和背景下,微纳米尺度孔隙、深地微生物介导、非纯CO_(2)或工业尾气注入、封存全周期等情景下的CO_(2)-水-岩相互作用及岩石物性响应仍有待深入研究。

水-岩相互作用下华南红层软岩力学特性

为研究红层软岩的水-岩相互作用,开展了不同含水率红层软岩的三轴压缩试验,分析了含水率对力学特性、破坏形式、微观结构和损伤机制的影响,构建了含水红层软岩的统计损伤本构模型。研究结果表明:随含水率的升高,红层软岩的峰值应变呈线性递增,峰值强度和弹性模量分别呈线性和指数函数递减;含水率对红层软岩的破坏模式产生明显影响,含水率较低时的破坏形式为剪切破坏,随着含水率的增加,破坏形式向剪切-张拉复合型破坏转变。在水-岩相互作用下,华南红层软岩的孔隙颗粒物相互吸附,形成片状结构;在饱水状态下,片状和鳞状结构进一步增多,整体结构变得更加松散破碎。考虑水-岩作用,引入损伤修正系数对本构模型进行改进,改进后的统计损伤本构模型计算结果与试验结果一致,能较好地描述水岩作用对红层软岩力学性质的影响。

油气层开采、二氧化碳封存和其他地质封存引起的气-水-岩相互作用

1全球变暖，可持续发展和地质封存 一千年伊始，行星地球颗面临着一个悬而未决的问题即：在不远的将来，人类活动和自然环境作用之间的强烈冲突会造成什么样的后果？人们对来自对环境造成的人为威胁的预警意识越来越增强，特别是在预见未来发达国家实施的成熟的废弃物标准方案时。起源于工业革命的现代经济体制是以煤、石油等提供的大量的相对廉价的能源为基础的。