文献解读|青海大学王青志教授团队《Bulletin of Engineering Geology and the Environment》：青海红砂岩在溶液侵蚀下的宏观力学与微观特性变化

摘要：

本研究探讨了青海省红砂岩在不同化学溶液（酸性、中性、碱性盐溶液及蒸馏水）侵蚀下的宏观力学特性与微观结构变化。研究通过实验分析了红砂岩在不同溶液中的质量变化、波速变化、核磁共振（NMR）孔隙结构、单轴压缩力学性能及X射线衍射（XRD）矿物组成变化。研究发现，不同溶液对红砂岩的侵蚀作用显著，表现为质量增加、弹性模量下降、孔隙结构变化及矿物溶解与沉淀。酸性溶液显著降低弹性模量（最高达29.20%），碱性溶液促进矿物溶解，中性盐溶液加速水岩反应。研究揭示了水岩反应中离子交换、溶解、沉淀及盐结晶的复杂机制，为理解水岩相互作用及工程中岩石稳定性提供了理论依据

背景：

该研究的背景源于水岩相互作用（water-rock interaction）在地质工程、环境科学及工程灾害防治中的重要性。水岩相互作用是岩石在自然或人为环境中（如酸性、碱性或盐类溶液）发生物理和化学变化的过程，其影响岩石的力学性能、微观结构及稳定性。例如，在酸性环境中，岩石可能溶解或发生离子交换；在碱性环境中，可能促进矿物溶解或沉淀；盐类溶液可能加速水岩反应，导致岩石结构破坏或稳定性降低。这些过程在工程（如隧道、大坝、边坡）和环境（如酸雨、盐碱地）中具有重要影响。

然而，现有研究存在以下不足：

1）研究范围有限：多数研究聚焦单一化学环境（如酸性或碱性溶液），缺乏对复杂化学环境（如酸性、碱性及盐类共存）下岩石响应的系统研究。

2）方法局限：现有研究多依赖宏观力学测试（如单轴压缩）或单一微观分析（如XRD），缺乏多尺度、多方法的综合分析。

3）机制不明确：水岩反应中离子交换、溶解、沉淀及盐结晶的复杂机制尚未被系统揭示。

本研究的创新点在于：

1）多方法综合分析：结合核磁共振（NMR）、X射线衍射（XRD）、单轴压缩测试等方法，揭示水岩反应的微观机制。

2）复杂环境模拟：通过酸性、中性、碱性及盐类溶液的侵蚀实验，系统研究不同化学环境对红砂岩的宏观力学与微观结构变化。

3）理论与工程结合：为工程中岩石稳定性评估、灾害防治及环境治理提供理论依据。

该研究填补了水岩反应机制研究的空白，为理解岩石在复杂化学环境中的行为提供了科学支持。

实验过程及结论

1.实验方法

1.1样品信息

来源地：青海红砂岩

样品采集：采集红砂岩样品，经风干、粉碎至粒径1-2 mm，制备成标准尺寸的圆柱体（直径50 mm，高50 mm），用于力学测试。

样品编号：每组实验取3个平行样品，编号为S1-S3

1.2样品制备

岩石样品是从同一均匀岩块切割和加工而成，采用直径为Φ50mm×100mm的圆柱形标准试件。通过X射线衍射分析其基本矿物成分，详细信息见表1。

表1 矿物成分

1.3 实验仪器与目的

  1）PH计：用于测量溶液pH值，精度为0.05，用于监测水岩反应中的化学环境变化。

2）X射线衍射仪：用于分析岩石的晶体结构和矿物组成。

3）核磁共振设备：用于分析岩石的微观结构和损伤特征。（易游官方网站。型号：MesoMR12-060H-I）

4）单轴压缩测试设备：用于评估岩石的宏观力学性能。

图1 测试仪器

2.核磁T₂弛豫时间分析

图2显示了红砂岩在四种不同溶液中浸泡40天后的NMR横向弛豫时间T₂分布曲线，而表2则展示了与T₂分布曲线对应的NMR谱面积的变化。

图2 红砂岩在不同溶液浸泡时间下T₂谱分布变化

图2展示了不同溶液浸泡时间下红砂岩的T₂谱分布变化，反映了孔隙结构的动态变化。根据相关研究，T₂弛豫时间与孔隙半径密切相关，通过T₂谱分析可推断孔隙大小和分布。具体而言：

1）孔隙结构变化：不同溶液（如酸性、中性、碱性盐溶液）和浸泡时间（如10、20、30、40天）会导致孔隙数量、大小和连通性变化。例如，酸性溶液可能促进溶解和沉淀，导致孔隙结构复杂化；而碱性溶液可能促进矿物溶解和孔隙扩展。

2）T₂谱分析：T₂谱分布的变化反映了孔隙大小分布的变化。例如，T₂谱面积的相对变化率（如微孔、中孔、大孔比例的变化）可量化孔隙结构的演变。例如，酸性溶液可能增加微孔比例，而碱性溶液可能促进中孔和大孔的形成。

3）力学特性关联：孔隙结构的变化直接影响岩石的力学特性，如弹性模量和强度。例如，酸性溶液处理的红砂岩弹性模量显著降低（29.20%），而碱性溶液处理的弹性模量降低24.63%。

图2通过T₂谱分析揭示了不同溶液和时间对红砂岩孔隙结构的动态影响，进而揭示了其力学特性的变化机制。

表2 不同化学溶液下T₂谱的信号变化

表2展示了不同溶液和浸泡时间（如0天、10天、20天、30天和40天）下T₂谱面积的变化率，以及这些变化如何反映孔隙结构的动态变化，有以下分析：

1）谱与孔隙结构的关系：T₂谱的面积和变化率与孔隙半径密切相关。根据核磁共振（NMR）原理，弛豫时间与孔隙半径成正比，较长的T₂时间对应较大的孔隙，较短的T₂时间对应较小的孔隙。酸性盐溶液可能促进孔隙的溶解和扩展，而碱性盐溶液可能促进新矿物沉淀和孔隙填充

2）酸性盐溶液：酸性环境可能加速矿物溶解和孔隙扩展，导致T₂谱面积减少；碱性盐溶液：碱性环境可能促进新矿物沉淀和孔隙填充，导致T₂谱面积减少；中性盐溶液：盐的存在可能加速水-岩反应，导致孔隙结构变化。

    3）时间效应：随着浸泡时间的延长，水-岩相互作用增强，孔隙结构进一步发展和连通性增加。例如，蒸馏水中微孔和小孔比例在浸泡初期和末期变化较小，而中孔和大孔比例略有增加

3.核磁孔径分布分析

图3展示了红砂岩在不同溶液浸泡下孔隙分布随时间变化的实验结果。表4展示不同化学溶液中不同孔径的百分比。

图3 红砂岩在不同溶液浸泡时间下孔径分布的变化

根据图3红砂岩在不同溶液浸泡时间下孔径分布的变化，不同溶液有以下影响：

    1）酸性盐溶液：微孔比例显著增加（从41.70%增至45.68%），中孔比例减少（从57.95%降至54.31%）。这主要由于酸性环境促进钙硫酸盐沉淀（如CaSO₄）的形成，填充部分孔隙，同时酸性离子加速矿物溶解，扩大孔隙空间。

2）中性盐溶液：微孔比例略有下降（39.74%），但中孔和大孔比例增加（中孔增至60.26%，大孔增至0.73%）。盐离子加速溶解和沉淀，但孔隙连通性增强。

3）碱性盐溶液：微孔比例减少（28.91%），中孔和大孔比例显著增加（中孔增至71.09%，大孔增至4.12%）。碱性环境促进矿物溶解和盐结晶，形成新孔隙。

表3 不同化学溶液中不同孔径的百分比

表3展示了不同化学溶液（如蒸馏水、酸性盐溶液、中性盐溶液和碱性盐溶液）浸泡后，红砂岩中不同孔径（微孔、小孔、中孔、大孔）的百分比变化。具体分析如下：

1）孔隙分布变化：在酸性盐溶液中，微孔和小孔的百分比显著增加（如从0天的41.70%增加至40天的45.68%），而中孔和大孔减少。这表明酸性环境促进了矿物溶解和孔隙扩展。

2）孔隙结构演变：不同溶液的浸泡时间（0天、10天、20天、30天、40天）显示，孔隙结构随时间动态变化，可能与矿物溶解、沉淀和结晶过程相关（如钙硫酸盐沉淀）。

化学溶液通过溶解、沉淀和结晶过程显著改变红砂岩的孔隙结构和力学性能，揭示了水-岩反应的复杂机制。这些变化对工程应用（如岩土工程、环境治理）具有重要参考价值。

推荐设备

中尺寸核磁共振成像分析仪

参考文献

[1] Zhang X, Wang Q, Fang J, et al. Macroscopic mechanical and microscopic characteristics variations of red sandstone from Qinghai Province with solution erosion[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2024, 83(8):1-18.DOI:10.1007/s10064-024-03838-z.