【摘 要】
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我国西南地区地下水环境复杂,温泉分布较为广泛且局部发育酸性温泉。深埋岩石因受到不同于地表地质环境的温度场—化学场耦合作用,水—岩作用过程变得更为复杂,对深埋岩石的物理力学性质产生显著影响。随着人类科技范围的扩大,地下矿床的开采,深部岩体的开挖,均会遇到一系列由岩体高温酸性环境下水—岩作用引起的岩体强度劣化问题。因此,本项研究对深部花岗岩高温酸性环境水—岩化学作用下岩体工程特性演化机理研究具有一定的
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我国西南地区地下水环境复杂,温泉分布较为广泛且局部发育酸性温泉。深埋岩石因受到不同于地表地质环境的温度场—化学场耦合作用,水—岩作用过程变得更为复杂,对深埋岩石的物理力学性质产生显著影响。随着人类科技范围的扩大,地下矿床的开采,深部岩体的开挖,均会遇到一系列由岩体高温酸性环境下水—岩作用引起的岩体强度劣化问题。因此,本项研究对深部花岗岩高温酸性环境水—岩化学作用下岩体工程特性演化机理研究具有一定的理论意义。本文以西藏贡觉盆地内的花岗岩为研究对象,分析了花岗岩中的矿物成分及结构特征;通过开展温度场—化学场耦合作用下花岗岩高温酸性环境水—岩作用过程模拟实验,得到了花岗岩与酸性热水反应过程中水质变化、矿物微观结构变化特征;采用常规三轴抗压强度实验讨论高温酸蚀作用后花岗岩力学强度劣化机制;最后运用水化学模拟软件PHREEQC对不同条件下花岗岩高温水—岩作用过程中主要硅酸盐矿物的饱和指数和溶解量进行计算分析,得到如下结论:1.对花岗岩岩体进行岩石薄片鉴定和XRD衍射分析,主要矿物成分为钾长石（39.5%）、斜长石（26.4%）、石英（13.4%）、粘土矿物（7.6%）、菱铁矿（1.7%）,以及后期形成的一小部分方解石（5.3%）和白云石（6.1%）。2.通过开展花岗岩高温酸性环境水—岩作用过程模拟实验结果分析表明:花岗岩高温酸蚀作用过程受溶液p H值和反应温度影响较大,主要是硅酸盐矿物如钙长石、钠长石、钾长石的溶蚀,并反应生成高岭石和伊利石。矿物颗粒棱角消失,颗粒边缘磨圆度高呈港湾状,颗粒表面孔隙和微裂隙增多,整体结构变得松散。参与反应的水溶液p H值越低,越有利于三种长石的溶蚀和碳酸盐矿物的分解。通过热力学分析计算长石在同等酸性条件下,温度升高促进钠长石和钾长石的溶蚀,抑制钙长石溶蚀。3.通过对不同反应条件下高温水—岩作用后的花岗岩试样进行围压20MPa的常规三轴抗压强度实验,由结果可知:随着反应水溶液p H值降低和反应温度的升高,加剧了对矿物的溶蚀作用,促进微溶矿物的溶解,使得矿物表面裂隙增多,孔隙度变大,导致花岗岩弹性模量、峰值抗压强度下降。弹性模量最大下降约13.5%,峰值抗压强度最大下降约15.4%,力学强度劣化特征显著。4.运用PHREEQC模拟软件,对花岗岩高温水—岩反应过程中主要硅酸盐矿物的饱和指数以及溶解量进行计算,研究结果表明:花岗岩与蒸馏水60℃高温水—岩作用12小时,各类型长石和粘土矿物的饱和指数均为负值,钙长石的饱和指数大于钠长石和钾长石,溶解度相对较小,水溶液呈碱性;相同温度下,水溶液酸性越强长石的饱和指数越小,越有利于长石矿物的溶蚀。石英的饱和指数越大,不利于石英的溶蚀。p H<5的酸性溶液中,三种长石的稳定性排序为钙长石<钠长石<钾长石;相同p H值下反应温度越高,钙长石的溶解量越小,钠长石和钾长石的溶解量越大。与室内开展的温度场—化学场耦合作用下花岗岩高温酸性环境水—岩作用过程模拟实验结果相吻合。
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