黑色岩層黏土化過程的硫化礦物氧化動力學機理研究

《黑色岩層黏土化過程的硫化礦物氧化動力學機理研究》是依託西南交通大學，由巫錫勇擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：黑色岩層黏土化過程的硫化礦物氧化動力學機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：巫錫勇
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

黑色岩層系指一套深灰黑色至黑色、富含有機質和分散狀硫化礦物（主要是黃鐵礦、白鐵礦）的一大類煤系與非煤系地層總稱。隨著基礎設施建設不斷推進，西南、華南山區交通工程建設也逐漸增多，會越來越多地遇到這種由於黑色岩層硫化礦物氧化帶來的災害。本項目選取典型硫化礦物黑色岩層為研究對象，以黑色岩層黏土化過程為研究主線，在揭示黑色岩層硫化礦物氧化動力學反應過程的基礎上，研究黑色岩層黏土化過程中的酸性水形成機制，分析礦物成分的演化規律，建立硫化礦物氧化的速率公式，探討氧化酸性水作用下的水岩化學作用及其引起的岩體結構的微觀變化與岩體力學性質的改變；分析黑色岩層黏土化過程中硫酸鹽的類型，闡明硫酸鹽形成的水文地球化學機理及其結晶膨脹對岩體的破壞作用；最終揭示黑色岩層黏土化過程的硫化礦物氧化動力學機理。本項目不僅可以提高對黑色岩層的認識，還將為黑色岩層地區的防災減災工作提供科學依據。

結題摘要

本項目首先針對西南地區黑色頁岩的化學風化進行現場調查與實驗，分析了黑色頁岩化學風化過程中的礦物轉變序列，硫酸鹽生成及黏土礦物演化序列，主量元素、微量元素及稀土元素的遷移、重分布和分異的變化規律，認識了黑色頁岩化學風化過程的化學產物行為，認為黑色頁岩化學風化主要可概括為以下幾個化學過程：①硫化礦物及有機質的氧化作用，②易溶礦物的溶解作用，③長石系列的溶解、蝕變作用，④白雲母的轉化、蝕變作用，⑤黏土礦物的溶解及轉變作用。通過設計氧化條件下的黑色頁岩的硫化礦物（黃鐵礦）實驗，得到完整含硫化礦物的岩體的硫化礦物動力學速率及其影響因素，其速率為Rsp = 10-8.42±0.06[O2]0.5 (mol/m2/s)；模擬了黑色頁岩化學風化過程中的氧化條件下的酸性水-頁岩相互化學作用，獲得黑色頁岩水岩化學腐蝕前後礦物變化、相對質量損失、次生孔隙率、縱波波速變化及微觀結構特徵變化，並通過單軸壓縮試驗，獲得黑色頁岩的變形和強度特性規律；最後通過不同溶液淋濾實驗來得到黑色頁岩的不同膨脹率，計算了不同黏土礦物間的間層膨脹力，揭示了黑色頁岩膨脹主要為黏土礦物的間層膨脹作用，並得到不同陽離子作用下對岩體膨脹作用的破壞作用。大量試驗和調查較為全面的研究了黑色頁岩化學風化過程的地球化學行為、硫化礦物的氧化動力學作用、酸性水-頁岩作用的化學-力學耦合作用，為認識黑色岩層風化和在類似岩層中進行工程特性評價提供理論依據。