黑色页岩化学风化特征及其黄铁矿氧化动力学研究

发布时间：2016-09-15 10:04

  本文关键词：黑色页岩化学风化特征及其黄铁矿氧化动力学研究，由笔耕文化传播整理发布。

《西南交通大学》 2013年

黑色页岩化学风化特征及其黄铁矿氧化动力学研究

廖昕  

【摘要】：在漫长的地质历史发展长河中,岩石风化作用始终存在于各种地质体的转化过程。自上个世纪以来,世界各国地质学者对于因岩石风化作用产生的地质灾害、工程破坏和环境污染等都作过大量研究报道。其中关于黑色页岩岩石风化作用的灾害调查结果表明：黑色页岩的风化过程主要体现在其硫化矿物(以黄铁矿为主)的氧化作用方面,生成的酸性水和具有膨胀性的矾类矿物,可以对黑色页岩本身和周围岩体造成溶蚀、挤胀等破坏效应,即黑色页岩风化以化学风化为主要形式对岩体结构和地质工程、环境安全产生作用。在黑色页岩化学风化作用的不同阶段,由于受到外界条件和风化速率的影响,其风化产物组合特征和生成序列,体现了黑色页岩的化学风化特征。随着我国建设事业的蓬勃发展,人类工程活动日益频繁,黑色页岩在自然条件下化学风化所导致的地质工程问题越来越突出,而对于黑色页岩化学风化特征及其硫化矿物氧化动力学速率尚缺乏深入的理论、实验研究。 黑色页岩在我国分布广泛,其中以下寒武系黑色页岩为代表的地层主要分布于我国南方湘黔地区和扬子地台,其它分布区,如新疆、浙江和川渝地区的研究主要针对黑色页岩的地球化学元素特征。因此,对于黑色页岩的化学风化行为特征以及动力学速率展开研究,对地质工程灾害和环境安全的评价及其预测具有重大意义。 本论文的研究选题是以广西三江地区下寒武系清溪组黑色页岩作为对象,围绕黑色页岩的化学风化行为及其风化产物的岩石学、地球化学、微观形态学等特征,从化学热力学、动力学角度对黑色页岩化学风化过程中涉及的水岩反应热力学稳定性和黄铁矿氧化动力学速率等问题进行了系统的研究,得到以下几点研究成果和主要认识： (1)根据研究区野外地质调查和收集资料,结合地质样品的室内矿物组分、化学成分和形态特征等测试结果,对研究区黑色页岩的沉积环境、风化程度进行分析,分析结果表明研究区黑色页岩风化沉积环境属于还原性较强的陆缘海相沉积环境,根据化学蚀变指数(CIA)等化学风化参数及A-CN-K化学风化趋势图解,显示研究区黑色页岩经历了中等程度的化学风化,原岩的剥蚀状态相对稳定,仍较好的保存了原岩化学成分特征。 (2)基于黑色页岩风化产物的物理化学性质、分布特征以及形成条件,采用室内半浸泡模拟试验,分析了黑色页岩在水和氧气的共同作用下,所表现出来的化学风化地球化学行为,着重探讨了外界条件对于黑色页岩风化产物种类的影响,以及硫酸盐共生产物的时空序列特征。 (3)运用化学热力学理论和反应模型,采用吉布斯自由能增量和平衡常数法,对酸性条件下黑色页岩化学风化过程所涉及的水岩化学反应进行方向和限度进行分析,通过pe-pH图解形象的阐述了黄铁矿氧化产物以及黑色页岩风化产物的热力学稳定区域及生成条件,并通过非平衡热力学理论解释了黑色页岩化学风化的不可逆性以及风化现象形成机制。 (4)针对黄铁矿在黑色页岩中的氧化行为,设计了一套研究黄铁矿氧化动力学水岩作用流通实验装置。通过分析黄铁矿与溶解氧反应对孔隙水溶液离子浓度、岩体渗透性能以及反应前后岩体表面微观形态变化,得出孔隙水溶液饱和特征和水岩作用过程中主要的化学反应类型,重点探讨了岩体内黄铁矿在溶解氧作用下的动力学氧化速率和酸性环境中硅元素释放速率,推导出实验条件下黄铁矿氧化速率公式。 (5)采用地球化学数值软件PHREEQC模拟了实验水样和研究区采集水样的矿物溶解析出过程,以及黄铁矿在溶解氧和铁离子作为氧化剂条件下,在不同水环境中的氧化动力学行为,重点阐述了白铁矾、叶绿矾等各种风化产物,在黄铁矿不断氧化或水分蒸发作用下酸性溶液浓度不断升高后的溶解析出特征,以及黄铁矿分别在溶解氧和铁离子作用下溶液中离子变化规律。

【关键词】：
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P512.1;P578.292
【目录】：

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