岩石化学和物理侵蚀量化方法及装置

本发明涉及地质科学与工程，特别是涉及一种岩石化学和物理侵蚀量化方法及装置。

背景技术：

1、岩石的风化侵蚀与地球表面的地形形貌演变、岩溶区域溶洞发育、工程建筑物的耐久性和稳定性、全球碳循环与气候变化、地下污染物的释放和运移密切相关。由于岩石是在复杂地质作用下形成的多矿物质集合体，其中矿物颗粒间的强胶结状态与土体颗粒之间的弱胶结状态存在明显差异。目前，针对土体侵蚀的测量方法主要是通过监测土体体积的变化来计算其物理侵蚀速率，土体颗粒与流体间的化学反应程度较低，往往忽略不计。对于岩石而言，外部环境(如流体作用)对岩石的侵蚀作用分为物理剥蚀和化学溶蚀两大类，其中化学溶蚀主要指岩石中可溶矿物与大气中的水、二氧化碳发生化学反应，诱发岩石矿物溶解，破坏矿物间胶结的过程；物理侵蚀则指岩石矿物颗粒在流体的剪切作用下发生的磨损和运移等过程。在渗流条件下，岩石会同时受到化学溶蚀和物理剥蚀的作用。目前，对于岩石侵蚀速率测量手段往往依赖于对岩石壁面形貌进行扫描和重构的方法，通过对比侵蚀前后岩石壁面的几何形貌差异，从而计算壁面后退速率和岩石总体侵蚀速率。然而，此方法只能测量出岩石的总体侵蚀速率(包括化学溶蚀和物理剥蚀)，难以将两者进行剥离。

2、由于不同岩石的矿物组成与分布的差异显著，如何在实验室内快速量化岩石的化学溶蚀速率、物理剥蚀速率对岩石总侵蚀速率的贡献对于岩溶地区侵蚀程度的准确计算、地球形貌演变的精确预测、地下岩石渗漏通道发育的时间评估具有重要意义。例如，在二氧化碳地质封存过程中，注入封存场地的co2会与场地原有的卤水反应生成碳酸(h2co3)，进而侵蚀裂隙岩石(caco3+h2co3＝ca2++2hco3-)，目前的经典理论往往只能考虑化学溶蚀速率，对于物理剥蚀速率难以准确预测，从而低估总侵蚀速率，导致co2地质封存过程存在潜在风险。

3、基于此，急需一种新型的方案来解决上述问题，以在实验室内快速量化岩石化学和物理侵蚀体积，进而量化岩石侵蚀速率，实现标定不同岩石中物理剥蚀速率与化学溶蚀速率间内在联系的目标。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种岩石化学和物理侵蚀量化方法及装置，以解决上述现有技术存在的问题，以在实验室内快速量化岩石化学和物理侵蚀体积，进而量化岩石侵蚀速率，实现标定不同岩石中物理剥蚀速率与化学溶蚀速率间内在联系的目标。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种岩石化学和物理侵蚀量化方法，包括：

4、步骤一、利用真实岩石建立具有裂隙的岩石模型；

5、步骤二、检测初始裂隙的参数并计算裂隙初始体积；

6、步骤三、朝裂隙一端注入侵蚀液体进行裂隙侵蚀试验，侵蚀液体自裂隙另一端流出并将物理剥蚀下来的不溶矿物以及化学侵蚀下来的可溶矿物矿物带出形成溶出液；

7、步骤四、通过检测所述溶出液内可溶矿物的量来计算化学溶蚀部分的体积；

8、步骤五、记录最终状态下裂隙的相关参数并计算裂隙最终体积；

9、步骤六、根据裂隙最终体积、裂隙初始体积以及化学溶蚀部分的体积计算出物理剥蚀部分的体积参数。

10、优选的，步骤一中，将岩石模型封装于微流控芯片中并使得所述裂隙的两端分别与微流控芯片的进液流道和出液流道连通。

11、优选的，步骤二中，在封装所述岩石模型前测量裂隙长度，记为h0，封装后利用带有相机的显微镜观测裂隙的截面图像，并将裂隙的截面图像数据采集到数据采集电脑中，根据图像计算岩石裂隙的截面积a0，进而得到岩石裂隙的初始体积，记为v0＝a0*h0。

12、优选的，步骤三中，将微流控芯片设置于可视化实验平台上进行裂隙侵蚀试验，用注射泵将掺杂有荧光剂的侵蚀液体注入微流控芯片中对岩石裂隙进行侵蚀，注入过程中侵蚀液体会侵蚀岩石并将矿物带出，当侵蚀作用进行一段时间△t后停止注入，随后用注射泵注入空气将残留在所述微流控芯片内的所有溶出液排出，并在出口处用集液管收集排出的所述溶出液，集液管与微流控芯片的出口之间设置过滤器过滤掉物理剥蚀的不溶矿物颗粒。

13、优选的，实验过程中用数据采集电脑和倒置荧光显微镜实时记录岩石裂隙的几何结构图像。

14、优选的，步骤四中利用离子色谱仪测量集液管中各种离子的摩尔量，根据离子色谱仪测得的各离子摩尔量，结合已知的岩石可溶矿物组成分析出各类可溶矿物的摩尔量ni，i代表第i种矿物，进而计算岩石化学溶蚀部分的体积：vchemical＝∑ni·vmol,i，vmol,i是第i种矿物的摩尔体积。

15、优选的，步骤五中，利用荧光显微镜和数据采集电脑记录最终状态下岩石裂隙的相关参数并计算岩石裂隙的面积af，计算最终裂隙体积vf＝af*h0，进而计算被酸液侵蚀的岩石总体积vtot＝vf-v0*h0。

16、优选的，步骤六中：计算岩石的物理剥蚀体积，并建立物理剥蚀与化学溶蚀体积之间的比例关系：vphysical＝vtot-vchemical，ccorrection＝vphysical/vchemical。

17、优选的，结合侵蚀时间以及侵蚀体积来计算出化学侵蚀速率、物理侵蚀速率以及总侵蚀速率。

18、本发明还提供了一种岩石化学和物理侵蚀量化装置，包括：

19、液体输送设备，用于朝岩石模型的裂隙中输送侵蚀液体；

20、过滤器，用于过滤所述裂隙中排出的侵蚀液体中的不溶矿物颗粒；

21、离子色谱仪，用于测量经过滤后的所述侵蚀液体中的可溶矿物的摩尔量；以及

22、裂隙状态检测装置，用于测量裂隙初始状态和最终状态。

23、优选的，所述液体输送设备为注射泵；所述裂隙状态检测装置为带有相机的显微镜。

24、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

25、本发明提供的方案实现了对岩石化学和物理侵蚀进行量化的目的，进而能够量化岩石的物理剥蚀速率与化学溶蚀速率之间的关系。

26、此外，本发明通过在微流体模型中开展渗流-侵蚀实验，相比于现场的岩石侵蚀实验，该微流体实验方法具有快速、经济的特点。

技术特征：

1.一种岩石化学和物理侵蚀量化方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的岩石化学和物理侵蚀量化方法，其特征在于：步骤一中，将岩石模型封装于微流控芯片中并使得所述裂隙的两端分别与微流控芯片的进液流道和出液流道连通。

3.根据权利要求2所述的岩石化学和物理侵蚀量化方法，其特征在于：步骤二中，在封装所述岩石模型前测量裂隙长度，记为h0，封装后利用带有相机的显微镜观测裂隙的截面图像，并将裂隙的截面图像数据采集到数据采集电脑中，根据图像计算岩石裂隙的截面积a0，进而得到岩石裂隙的初始体积，记为v0＝a0*h0。

4.根据权利要求2所述的岩石化学和物理侵蚀量化方法，其特征在于：步骤三中，将微流控芯片设置于可视化实验平台上进行裂隙侵蚀试验，用注射泵将掺杂有荧光剂的侵蚀液体注入微流控芯片中对岩石裂隙进行侵蚀，注入过程中侵蚀液体会侵蚀岩石并将矿物带出，当侵蚀作用进行一段时间△t后停止注入，随后用注射泵注入空气将残留在所述微流控芯片内的所有溶出液排出，并在出口处用集液管收集排出的所述溶出液，集液管与微流控芯片的出口之间设置过滤器过滤掉物理剥蚀的不溶矿物颗粒。

5.根据权利要求4所述的岩石化学和物理侵蚀量化方法，其特征在于：步骤四中利用离子色谱仪测量集液管中各种离子的摩尔量，根据离子色谱仪测得的各离子摩尔量，结合已知的岩石可溶矿物组成分析出各类可溶矿物的摩尔量ni，i代表第i种矿物，进而计算岩石化学溶蚀部分的体积：vchemical＝∑ni·vmol,i，vmol,i是第i种矿物的摩尔体积。

6.根据权利要求4所述的岩石化学和物理侵蚀量化方法，其特征在于：步骤五中，利用荧光显微镜和数据采集电脑记录最终状态下岩石裂隙的相关参数并计算岩石裂隙的面积af，计算最终裂隙体积vf＝af*h0，进而计算被酸液侵蚀的岩石总体积vtot＝vf-v0*h0。

7.根据权利要求6所述的岩石化学和物理侵蚀量化方法，其特征在于：步骤六中：计算岩石的物理剥蚀体积，并建立物理剥蚀与化学溶蚀体积之间的比例关系：vphysical＝vtot-vchemical，ccorrection＝vphysical/vchemical。

8.根据权利要求7所述的岩石化学和物理侵蚀量化方法，其特征在于：结合侵蚀时间以及侵蚀体积来计算出化学侵蚀速率、物理侵蚀速率以及总侵蚀速率。

9.一种岩石化学和物理侵蚀量化装置，其特征在于：包括：

10.根据权利要求9所述的岩石化学和物理侵蚀量化装置，其特征在于：所述液体输送设备为注射泵；所述裂隙状态检测装置为带有相机的显微镜。

技术总结本发明公开了一种岩石化学和物理侵蚀量化方法及装置，涉及地质科学与工程技术领域，包括：步骤一、利用真实岩石建立具有裂隙的岩石模型；步骤二、检测初始裂隙的参数并计算裂隙初始体积；步骤三、进行侵蚀试验并收集溶出液；步骤四、通过检测溶出液内可溶矿物的量来计算化学溶蚀部分的体积；步骤五、记录最终状态下裂隙的相关参数并计算裂隙最终体积；步骤六、根据裂隙最终体积、裂隙初始体积以及化学溶蚀部分的体积计算出物理剥蚀部分的体积参数。本发明还提供了一种岩石化学和物理侵蚀量化装置，本发明提供的方案实现了对岩石化学和物理侵蚀进行量化的目的，进而能够量化岩石的物理剥蚀速率与化学溶蚀速率之间的关系。技术研发人员：周晨星,胡冉,陈益峰,陈旭升,江秋荣,后昊受保护的技术使用者：武汉大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4