方解石的溶蚀及其意义

孟杰 寇海峰

摘要 方解石表面的溶蚀作用、开放系统和密闭系统下的方解石溶蚀作用、各种离子效应影响下的方解石溶蚀作用以及扩散和凝结溶蚀作用这些都是自然界存在的各种不同环境中发生的方解石溶蚀作用，产生了不同的结果，影响着岩石的性质，改变着岩石的形态，形成了不同的岩溶地貌，由此成为了一种重要的资源；此外方解石溶蚀作用在调节环境水质量和控制重金属元素的表面迁移与转化,以及在通过调节土壤的pH值间接地影响重金属离子的地球化学行中为也扮演着极其重要的角色；再次如今地表及埋藏条件下方解石溶蚀形成的空隙以及次生孔隙的发育，形成了一定规模，增加了储集体的储集和渗透能力，成为很好的储集层，具有重要的实际油藏意义。

关键词 方解石；溶蚀；岩溶；孔隙；意义

中图分类号P5 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）43-0111-02

1 方解石简介

方解石的分子式为CaCO3，常见完好的晶体，集合体常呈粒状、块状、纤维状、钟乳状、土状及晶簇等，三组解理完全，断口呈玻璃光泽，完全透明至半透明，条痕白色，硬度2.703~3.0，比重2.6~2.8。非常纯净完全透明的晶体称冰洲石，具显著的双折射现象，是重要的光学材料。

方解石的用途很广泛。可用于化工、水泥等的工业原料，冶金工业上的熔剂，塑料、造纸、牙膏、食品中的添加剂以及建筑工业方面生产水泥和石灰的原料。

2 方解石的溶蚀作用

方解石在有水和二氧化碳存在的条件下，发生化学反应而生成碳酸氢钙的过程，叫做方解石的溶蚀作用，这种作用是在CaCO3-CO2-H2O三相不平衡开放系统中进行的，是碳、水、钙循环相互关联的过程，在自然界中以各种形式普遍发生着。

方解石的溶蚀过程主要可以由以下反应方程表示：

CO2 扩散入水 （1）

CO2 + H2O → H2CO3 物理水合 （2）

H2CO3 → H+ + HCO3–碳酸离解（3）

CaCO3 → Ca2+ + CO32–

CO32– + H+ → HCO3–钙离子从晶格中游离（4）

综合CaCO3 + CO2 + H2O → 2HCO3– + Ca2+（5）

水的溶蚀力的大小取决于水中CO2含量的多少[2] ，具体有三方面影响因素：CO2的来源、水温、大气CO2的分压力。三者共同作用影响水中CO2的含量，从而影响水的溶蚀力。

天然条件下，地表和地下发生的石灰岩溶解就是由方解石溶蚀作用而发生的，化学反应亦为: CaCO3 + CO2 + H2O → 2HCO3– + Ca2+ [3] ，它由H2O-CO2系统对方解石表面的3个不同的溶解反应组成，即:

CaCO3 + H+ → Ca2+ + HCO3–

CaCO3 + H2CO3 → Ca2+ + 2HCO3–

CaCO3 + H2O → Ca2+ + CO32- + H2O

从这些方程可以明显看出，H2O-CO2系统与CaCO3的反应,受方解石表面的H+、HCO3– 、CO32-、H2CO3 和Ca2+ 浓度的控制。在自然界中含CO2 的水对方解石的溶解是在各种不同的边界条件下进行的。自然界中岩溶水很少是从纯的CaCO3-CO2-H2O系统演化而来的。大多数岩溶地区，同时存在白云岩、镁方解石、石膏和硬石膏，可以发现大量的Mg2+ 和SO42- ，在许多地区还有Na+ 、K+ 和Cl- 。所有这些离子的存在改变了溶液的离子强度，影响了离子的平衡。

3 方解石溶蚀的意义

3.1形成岩溶地貌

方解石CaCO3 是重要的造岩矿物,在岩溶环境中发挥着重要作用。在岩溶作用过程中各种不同成分和结钩组分的碳酸盐岩，因溶蚀速度不同而造成的差异溶蚀是一种很普遍的现象，其表现形式是多种多样的，是造成岩溶微地貌形态多样性的原因。据研究，在碳酸盐岩石中，影响溶蚀速度的主要因素是岩石的物质成分，其中方解石和白云石是碳酸盐岩中的主要矿物成分，因此方解石和白云石的差异溶蚀作用对地貌形成就具有重要的意义。在相同的条件下，方解石的溶蚀速度大于白云石。

3.2调节地球化学循环

方解石CaCO3是重要的环境矿物，由于其自身的晶体微观结构、晶体表面特征以及在岩溶环境中的重要地位, 近年来在地球化学循环利用方面尤其是重金属的利用上，探讨方解石对重金属污染的研究已进入了利用先进、精确的大型仪器来定量化地分析、研究方解石矿物表面活性的水平阶段。方解石在调节环境水质量和控制重金属元素的表生迁移与转化，以及通过调节土壤的pH值间接地影响重金属离子的地球化学行为中扮演着极其重要的角色。

3.3形成溶蚀空隙和次生孔隙

成岩作用产生溶蚀空隙和次生孔隙从本质上是由于反应物、生成物所产生的体积效应，斜长石的溶解、白云石对方解石的交代作用都因有新的固体矿物生成，没有太大的体积空间形成，而方解石的溶蚀形成的Ca2+ 、HCO3-离子被水带走则可形成新的孔隙空间 。砂岩中的方解石被溶蚀，形成溶蚀粒间孔隙、粒内孔隙甚至是铸模孔隙，溶蚀孔隙能形成一定规模的具有实际油藏意义的孔隙，因此寻找大范围的溶蚀碳酸盐成岩相，对于寻找有利的储集层具有十分重要的意义，从而来解决目前石油地质和地球化学界中的一些问题。此外古岩溶储层为中国深层油气勘探提供了一个新的领域，古岩溶储层在经历了漫长的古风化壳岩溶作用之后，随着地壳的快速沉降和海水的推进进入埋藏阶段。

4 结论

本文初步探讨了方解石的性质和方解石的溶蚀作用及溶蚀作用所产生的意义。方解石是一种广泛存在于自然界中的造岩矿物，其自身的多种性质决定了它具有了多种性能，方解石的溶蚀作用以各种形式在自然界中发生，产生了不同的效果和不同的意义。如今方解石溶蚀作用研究已成为当今石油地质、工程地质和地球化学的重要前沿领域，是国内外工程地质学家、地球化学家以及相关学科的重要研究方向，因此研究方解石的性质、方解石的溶蚀作用及因此产生的影响具有着重要的现实意义。本文仅对方解石的溶蚀及其意义进行了浅析，在研究深度和广度上限于一些基础的知识，鉴于此，要取得一定的成果还需要进一步的工作和研究。

参考文献

[1]罗宾·巴瑟斯特,碳酸盐沉积物及其成岩作用[M].科学出版社，1977.

[2]俞锦标，李春华，赵培道，胡兴华，袁东风.贵州普定县岩溶地区土壤空气中CO2含量分布及溶蚀作用的研究特征及其对储层的影响[J].中国岩溶，1985，4(11)：325-331.

[3]闫志为，张志卫，王佳佳.硫酸水对方解石和白云石矿物的溶蚀作用[J].水资源保护，2009，2(25)：79-82.

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”