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    灰岩和白云岩溶解速率控制机理的比较

    刘再华 DreybrodtW. 李华举

    刘再华, DreybrodtW., 李华举, 2006. 灰岩和白云岩溶解速率控制机理的比较. 地球科学, 31(3): 411-416.
    引用本文: 刘再华, DreybrodtW., 李华举, 2006. 灰岩和白云岩溶解速率控制机理的比较. 地球科学, 31(3): 411-416.
    LIU Zai-hua, Dreybrodt W., LI Hua-ju, 2006. Comparison of Dissolution Rate-Determining Mechanisms between Limestone and Dolomite. Earth Science, 31(3): 411-416.
    Citation: LIU Zai-hua, Dreybrodt W., LI Hua-ju, 2006. Comparison of Dissolution Rate-Determining Mechanisms between Limestone and Dolomite. Earth Science, 31(3): 411-416.

    灰岩和白云岩溶解速率控制机理的比较

    基金项目: 

    国家自然科学基金项目 40372117

    国家重大基础研究前期研究专项 2002CCA05200

    详细信息
      作者简介:

      刘再华(1963—), 男, 研究员, 博士生导师. 1996、1997年分别毕业于德国不来梅大学和中国地质大学, 并分获自然科学博士学位和工学博士学位, 目前主要从事岩溶作用动力学与环境研究方向. E-mail: zaihua_liu@hotmail.com

    • 中图分类号: P642.25

    Comparison of Dissolution Rate-Determining Mechanisms between Limestone and Dolomite

    • 摘要: 碳酸盐岩溶解的速率控制过程包括: (1) 岩石表面上的非均相化学反应; (2) 离子从岩石表面通过扩散向溶液中的传输; (3) CO2向H+和HCO3-的转换.通常是这3个过程中的最慢过程决定着碳酸盐岩的溶解速率.然而, 实验和理论分析发现, 在条件相似的情况下, 白云岩的初始溶解速率不仅只有灰岩的1/3~1/60, 而且灰岩和白云岩的溶解呈现出不同的速率控制机理.如对灰岩而言, 在实验中加入能催化CO2转换反应的生物碳酸酐酶(CA) 后, 其溶解速率增加出现在CO2分压>100 Pa的区域, 最高可达10倍; 而对白云岩, 其溶解速率增加出现在CO2分压 < 10 000 Pa的区域, 且增加仅3倍左右.此外, 虽然2类岩石的溶解也均受水动力条件(旋速或流速) 的控制, 且主要出现在CO2分压 < 1 000 Pa的区域, 但灰岩的溶解对水动力条件的变化比白云岩溶解更敏感.这些发现在解释和揭示自然界白云岩和灰岩岩溶发育及其相关资源环境问题的差异方面具有重要意义.

       

    • 图  1  旋速3 000 r·min-1 (a)和100 r·min-1 (b) 时溶解速率与CO2分压的关系

      对于灰岩, 加入CA对溶解速率的增加主要发生在CO2分压>100 Pa条件下, 而对白云岩, 则出现在CO2分压 < 10 000 Pa条件下

      Fig.  1.  Dissolution rate vs. pCO2 for rotating speeds at 3 000 r·min-1 (a) and 100 r·min-1 (b). Addition of CA increases the dissolution rates mainly at pCO2>100 Pa for limestone, andpCO2 < 10 000 Pa for dolomite

      图  2  旋速3 000 r·min-1 (a)和100 r·min-1 (b) 时白云岩和灰岩溶解速率CA (碳酸酐酶) 增加倍数与CO2分压的关系

      增加倍数等于1 (虚线) 表明CA对溶解速率的增加没有影响

      Fig.  2.  Factor of CA enhancement as a function of pCO2 at rotating speeds of 3 000 r·min-1 (a) and 100 r·min-1 (b). Factor of 1 (dashed line) means no influence of CA at all

      图  3  加或不加CA条件下白云岩和灰岩溶解速率水动力增加倍数(R3 000 r·min-1/R100 r·min-1) 与CO2分压的关系

      增加倍数等于1表明旋速对溶解速率的增加没有影响

      Fig.  3.  Factor of hydrodynamic enhancement (R3 000 r·min-1/R100 r·min-1) as a function of pCO2 under the condition with or without addition of carbonic anhydrase. Factor of 1 (dashed line) means no influence of hydrodynamics at all

      图  4  白云岩(a)和灰岩(b)溶解时[CO2(aq)]/[H2CO3]比率在扩散边界层内的变化

      为加入CA后CO2转换因子, 即CO2转换反应速率增加的倍数

      Fig.  4.  [CO2(aq)]/[H2CO3] in the diffusion boundary layer as a function of distance to the bulk solution when dolomite (a) and limestone (b) dissolution happens. Here, fCO2 is the factor of rate increase of the CO2 conversion due to the addition of CA fCO2

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    出版历程
    • 收稿日期:  2005-09-06
    • 刊出日期:  2006-05-25

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