亚临界水环境下川西糜棱岩水－热腐蚀效应研究学术报告

作者及发表信息
本研究由西安科技大学的周书涛（博士生）、孙强（通讯作者，教授）、耿济世、陈应涛、张慧婷及胡鑫共同完成，发表于《Journal of Engineering Geology》（工程地质学报）2024年第32卷第3期，标题为《亚临界水环境下川西糜棱岩水－热腐蚀效应研究》（Study on Hydro-Thermal Corrosion Effect of Western Sichuan Mylonite under Subcritical Water Environment），DOI编号为10.13544/j.cnki.jeg.2024-0054。研究得到国家自然科学基金项目（42303052）资助。

学术背景
青藏高原东部的川西构造带是高温地热资源富集区，但同时也是地震活动频发带。地热流体的长期运移可能通过水－岩相互作用影响断层岩石的力学稳定性，进而诱发地震。糜棱岩作为断层带常见的韧性剪切变形岩石，其在水热环境下的腐蚀机制尚不明确。本研究旨在探究亚临界水（100～374 ℃，饱和蒸汽压0.1～22.1 MPa）环境下糜棱岩的元素溶解规律与孔隙结构演化，揭示其对断层稳定性的潜在影响，为地热开发与地震灾害防控提供理论依据。

研究流程与方法
1. 样品制备
糜棱岩采自四川冕宁县金河－箐河断裂带北段，粉碎至20～30目颗粒，105 ℃烘干备用。通过偏光显微镜鉴定初始矿物组成，确认其主要为石英、斜长石、微斜长石和绢云母。

1. 高温水－岩作用实验

   • 设备：采用江苏拓创科研仪器有限公司的TCWYF-6型高温高压反应釜，内置石英试管盛放5 g岩石样品与60 mL去离子水，釜体密封采用石墨烯材料以确保高温高压稳定性。
     
   • 温度梯度：设置100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃、300 ℃和350 ℃共6组，恒温72小时后自然冷却。全程启用液冷保护装置。
     

2. 元素溶解分析
   使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定反应后溶液中Si、Na、Ca、K、Al、Mg的浓度，按公式计算溶解速率（R）：
   [ R = \frac{C_i - C_0}{t(A/V)} ] 其中，( C_i )为元素浓度，( A )为样品总表面积（8.04825 m²），( V )为溶液体积（0.06 L）。

3. 孔隙结构表征
   通过低温氮气吸附实验（LTNA）分析处理前后样品的孔隙分布，基于BJH模型计算微孔（<2 nm）、中孔（2～50 nm）和大孔（>50 nm）体积，并利用FHH模型计算分形维数以评估孔隙复杂性。

主要结果
1. 元素溶解特征
- Si主导溶解：Si的溶解速率在100～350 ℃范围内与温度呈正相关，350 ℃时达峰值（9.89×10⁻⁷ mol·m⁻²·h⁻¹），为100 ℃的10.97倍。
- 金属元素差异：Na、Ca在低温段（<200 ℃）溶解速率较高（峰值分别为0.29×10⁻⁷和0.28×10⁻⁷ mol·m⁻²·h⁻¹），而K、Mg、Al的溶解速率始终较低（<0.07×10⁻⁷ mol·m⁻²·h⁻¹）。
- 机制解释：高温下水的介电常数降低削弱了离子键（如Na-O）的溶解能力，但促进了极性键（如Si-O）的断裂，导致石英在近临界温度下成为最活跃矿物。

1. 孔隙结构演化
   
   • 孔隙体积增长：总孔体积从25 ℃的0.00541 cm³·g⁻¹增至350 ℃的0.00659 cm³·g⁻¹，其中微孔和中孔分别增加100%和24%。
     
   • 分形特征：大孔分形维数由100 ℃的2.69升至350 ℃的2.81，表明孔隙连通性变差，结构复杂性增加。
     
   • 吸附曲线变化：高温处理后样品出现Ⅳ型等温线和H3型回滞环，反映狭缝孔发育，比表面积随温度上升而增大。

结论与价值
1. 科学价值
- 揭示了亚临界水环境下糜棱岩的不一致溶解机制，明确了Si的溶解主导性及温度对元素析出的分异影响。
- 阐明了水热腐蚀通过破坏硅酸盐矿物骨架导致孔隙结构劣化的过程，为断层活化机理提供了微观证据。

1. 应用意义
   
   • 为评估地热开发中流体注入对断层稳定性的风险提供理论支撑，提示需关注高温段（>300 ℃）的岩石强度衰减问题。
     
   • 提出的孔隙演化模型可应用于地热储层改造与地震灾害预警。

研究亮点
1. 创新方法：首次结合ICP-MS与LTNA技术系统量化糜棱岩在亚临界水环境下的元素-孔隙协同演化。
2. 关键发现：Si的异常高溶解速率与孔隙分形维数升高的关联性，揭示了水热腐蚀对断层岩的“自强化”劣化机制。
3. 学科交叉：融合地球化学、岩石力学与工程地质学，为高温地热系统的多场耦合研究提供了新范式。

其他价值
研究还对比了花岗岩与糜棱岩的溶解差异（引用Zhou et al., 2023），指出糜棱岩因富含石英和云母更易受高温流体影响，这一发现对区域断层带选型具有指导意义。