应力作用下岩石的化学动力学溶解机制探索

彭磊

摘  要：此次研究将综合化学专业知识中的动力学、热化学、岩石力学以及过渡态理论等内容对其作出全面的分析与探索，以此来全面反映矿物溶解动力学的反应速率以及岩石固相物质活度量或者之间的关联与影响。在岩石承受应力的同时，会对周围所存在的流体压力造成一定的化学势差，该化学势差会在应力作用的推动过程中体现出溶解反应的驱动力。在应力的施加过程中，可有效提高固相物质的活度，从而加速矿物溶解的动力学速率。

关键词：应力作用;化学势;岩石;动力学;溶解速率

地球内部最主要的动力学是通过化学反应与力学反应体现出来的。而在这一过程中，水岩系统会基于化学作用和力学作用的耦合作用发生相应的结构变化。同时会促使地下水出现迁移的现象，这对于地下工程的稳定性以及地下工程的开展有着重要的影响，且可以结合该内容有效反应出地下水水环境的演化经过与相关规律。所以，两者之间的耦合作用是研究岩石力学的一个重要切入点。同时也是分析核废料处理、地热开发、地下能源贮存以及二氧化碳地下封存的一个有效途径。本文将重点分析水环境、岩石力学、化学作用以及耦合作用的相关内容，并且会根据已有的研究成果做出全新的探索与思考。

一、迁移的过程

（一）岩石固相颗粒的溶解

基于应力作用下的水和岩石的溶解反应，主要体现为两种模式。第一是岩石固相颗粒的溶解，第二是液相物质的迁移。以此作为研究基础，可综合应力作用下的固相介质对其进行分析。通过该方法可有效探索溶解的全过程。

例如：在此，可以设计σ_ij为固体以内的应力作用，此时，表面上的σ变为应力。然后，在设计p为外部流体的压力值，并且设计u是具体的流速。然后，可渗透的荷载框架利用阴影部分来代替，从而便可实现应力作用在固体当中的作用发挥。在此，将之区分为三个板块进行分析。第一，外部的水溶液经过扩散的方式可以把用于溶解反应的分子输送到岩石的固相表面上。比如有：H⁺和H₂0。第二，巖石固相颗粒的表面会基于应力作用而出现不同程度的溶解效果，最后，可以转化为溶液态的物质。其中，主要有AI³⁺和SiO₂等。第三，经过转化之后的溶液态离子通过对流的方式会流向外部水溶液当中。通过以上分析可得：活度的强弱与固体介质的承受力度有着直接的关联，且承受力越大，动力学速率的溶解反应就越快。

（二）影响岩石固相颗粒溶解的因素

在应力作用的干预过程中，岩石固相颗粒的溶解速率会受到上文中提到的三个板块的影响。其中，第一板块所体现出来的是“基于扩散运动的反应物浓度梯度驱动”第二板块所体现出来的是：“岩石当中的固相矿物溶解的反应会受到应力作用的梯度驱动影响”，第三板块所体现出来的是“基于扩散运动的生成物浓度梯度驱动”。从这三个方面可以发现：从机制上来分析，其主要区分为反应控制和扩散控制两种模式。一旦扩散速率小于反应速率，便可以有效证明演示溶解过程中会受到扩散运动的控制。另外，还可以将之看做是处于平衡状态下的水岩反应表现方式，在此便不需要思考动力学的速率。但是，在扩散速率远远大于溶解反应速率的时候，其证明的内容也会出现改变：以此可体现出岩石溶解的过程中，会受到溶解速率的控制与影响，具体的反应会表现为非平衡态反应方式。在此，便需要重点结合动力学的速率对其进行分析与研究。

二、岩石溶解动力学分析

（一）溶解反应的驱动力

在此，对溶解反应的驱动力进行分析与探索。

固相物质化学势基础上的应力作用可表示为：u^a=u^a-Ts^a+Pv^a。在这一式子中，固相表示为a;化学势表示为u^a，同时也是固相物质偏摩尔内能;而固相物质偏摩尔熵表示为s^a;另外T和P表示为热力学温度以及固相压力，最后，偏摩尔体积表示为v^a。根据该方法，可写出：u^a=f^a+Pv^a。其中，材料的应变能被自由能所表示，在线弹性范围当中，f=（1/2）v₀σ_ijε_ij。结合固体化学势变、岩石表面压力、流体压力等相关内容，最终得出式子为：

△u_i=u_i^β-u_i^α=（f_i^β-f_i^α）+p（v_i^β-v_i^α）+（p-σ_n）v_i^α

通过该式子可分析得出：岩石在发生相变的过程中，在应力作用的驱动下，固相物质化学势的变化会受到流体压力的影响、弹性应变能的影响以及有效应力的影响。

（二）溶解反应的动力学速率研究

仅对溶解过程所受到的影响方面展开分析所得结论是不健全的。所以，还需要让动力学的反应在远离平衡态的状态下进行速率反应的研究。在这一模式下，可有效体现生成物浓度的变化参数与变化特征，并且还可以通过生成物的浓度变化方法对化学势之间的关联性作出定向的分析与思考，从而确定反应速率对其造成的影响。

例如：分析化学势和物质浓度之间的关系，且在放弃考虑应力作用的基础上对固相活度系数进与浓度进行分析，从而测算物质发生溶解之后转变液相的过程。通过该方法可得出固相物质的活度，并且可以在过渡态理论的框架下对矿物溶解动力学的速率进行完整的表述。以此便可以得出矿物溶解动力学速率与应力作用之间的关系。另外，还可以有效分析在非应力作用下，处于平衡状态过程中的具体表现。

三、归纳与总结

第一，岩石与流体之间存在的化学势差是溶解反应的驱动力;第二，应力增加可提高固相物质活度和促进矿物溶解速率;第三，岩石溶解机制是基于固态和液态界面上的差别，以及利用岛渠模型来表达的;第四，水岩之间有应力、化学、渗流的耦合问题：应力推动化学反应的发生，也改变着渗流通道的演化。由此可见，应力作用下的水岩相互作用是一个具有实效回馈机制与循环规律的过程。

参考文献

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[2]  黄彦华. 深部盐水环境下砂岩变形破坏特性及CO_2渗透演化规律研究[D].中国矿业大学，2018.