方解石的溶蝕及其意義

孟杰 寇海峰

摘要 方解石表面的溶蝕作用、開放系統和密閉系統下的方解石溶蝕作用、各種離子效應影響下的方解石溶蝕作用以及擴散和凝結溶蝕作用這些都是自然界存在的各種不同環境中發生的方解石溶蝕作用，產生了不同的結果，影響著巖石的性質，改變著巖石的形態，形成了不同的巖溶地貌，由此成為了一種重要的資源；此外方解石溶蝕作用在調節環境水質量和控制重金屬元素的表面遷移與轉化,以及在通過調節土壤的pH值間接地影響重金屬離子的地球化學行中為也扮演著極其重要的角色；再次如今地表及埋藏條件下方解石溶蝕形成的空隙以及次生孔隙的發育，形成了一定規模，增加了儲集體的儲集和滲透能力，成為很好的儲集層，具有重要的實際油藏意義。

關鍵詞 方解石；溶蝕；巖溶；孔隙；意義

中圖分類號P5 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）43-0111-02

1 方解石簡介

方解石的分子式為CaCO3，常見完好的晶體，集合體常呈粒狀、塊狀、纖維狀、鐘乳狀、土狀及晶簇等，三組解理完全，斷口呈玻璃光澤，完全透明至半透明，條痕白色，硬度2.703~3.0，比重2.6~2.8。非常純凈完全透明的晶體稱冰洲石，具顯著的雙折射現象，是重要的光學材料。

方解石的用途很廣泛。可用于化工、水泥等的工業原料，冶金工業上的熔劑，塑料、造紙、牙膏、食品中的添加劑以及建筑工業方面生產水泥和石灰的原料。

2 方解石的溶蝕作用

方解石在有水和二氧化碳存在的條件下，發生化學反應而生成碳酸氫鈣的過程，叫做方解石的溶蝕作用，這種作用是在CaCO3-CO2-H2O三相不平衡開放系統中進行的，是碳、水、鈣循環相互關聯的過程，在自然界中以各種形式普遍發生著。

方解石的溶蝕過程主要可以由以下反應方程表示：

CO2 擴散入水 （1）

CO2 + H2O → H2CO3 物理水合 （2）

H2CO3 → H+ + HCO3–碳酸離解（3）

CaCO3 → Ca2+ + CO32–

CO32– + H+ → HCO3–鈣離子從晶格中游離（4）

綜合CaCO3 + CO2 + H2O → 2HCO3– + Ca2+（5）

水的溶蝕力的大小取決于水中CO2含量的多少[2] ，具體有三方面影響因素：CO2的來源、水溫、大氣CO2的分壓力。三者共同作用影響水中CO2的含量，從而影響水的溶蝕力。

天然條件下，地表和地下發生的石灰巖溶解就是由方解石溶蝕作用而發生的，化學反應亦為: CaCO3 + CO2 + H2O → 2HCO3– + Ca2+ [3] ，它由H2O-CO2系統對方解石表面的3個不同的溶解反應組成，即:

CaCO3 + H+ → Ca2+ + HCO3–

CaCO3 + H2CO3 → Ca2+ + 2HCO3–

CaCO3 + H2O → Ca2+ + CO32- + H2O

從這些方程可以明顯看出，H2O-CO2系統與CaCO3的反應,受方解石表面的H+、HCO3– 、CO32-、H2CO3 和Ca2+ 濃度的控制。在自然界中含CO2 的水對方解石的溶解是在各種不同的邊界條件下進行的。自然界中巖溶水很少是從純的CaCO3-CO2-H2O系統演化而來的。大多數巖溶地區，同時存在白云巖、鎂方解石、石膏和硬石膏，可以發現大量的Mg2+ 和SO42- ，在許多地區還有Na+ 、K+ 和Cl- 。所有這些離子的存在改變了溶液的離子強度，影響了離子的平衡。

3 方解石溶蝕的意義

3.1形成巖溶地貌

方解石CaCO3 是重要的造巖礦物,在巖溶環境中發揮著重要作用。在巖溶作用過程中各種不同成分和結鉤組分的碳酸鹽巖，因溶蝕速度不同而造成的差異溶蝕是一種很普遍的現象，其表現形式是多種多樣的，是造成巖溶微地貌形態多樣性的原因。據研究，在碳酸鹽巖石中，影響溶蝕速度的主要因素是巖石的物質成分，其中方解石和白云石是碳酸鹽巖中的主要礦物成分，因此方解石和白云石的差異溶蝕作用對地貌形成就具有重要的意義。在相同的條件下，方解石的溶蝕速度大于白云石。

3.2調節地球化學循環

方解石CaCO3是重要的環境礦物，由于其自身的晶體微觀結構、晶體表面特征以及在巖溶環境中的重要地位, 近年來在地球化學循環利用方面尤其是重金屬的利用上，探討方解石對重金屬污染的研究已進入了利用先進、精確的大型儀器來定量化地分析、研究方解石礦物表面活性的水平階段。方解石在調節環境水質量和控制重金屬元素的表生遷移與轉化，以及通過調節土壤的pH值間接地影響重金屬離子的地球化學行為中扮演著極其重要的角色。

3.3形成溶蝕空隙和次生孔隙

成巖作用產生溶蝕空隙和次生孔隙從本質上是由于反應物、生成物所產生的體積效應，斜長石的溶解、白云石對方解石的交代作用都因有新的固體礦物生成，沒有太大的體積空間形成，而方解石的溶蝕形成的Ca2+ 、HCO3-離子被水帶走則可形成新的孔隙空間 。砂巖中的方解石被溶蝕，形成溶蝕粒間孔隙、粒內孔隙甚至是鑄模孔隙，溶蝕孔隙能形成一定規模的具有實際油藏意義的孔隙，因此尋找大范圍的溶蝕碳酸鹽成巖相，對于尋找有利的儲集層具有十分重要的意義，從而來解決目前石油地質和地球化學界中的一些問題。此外古巖溶儲層為中國深層油氣勘探提供了一個新的領域，古巖溶儲層在經歷了漫長的古風化殼巖溶作用之后，隨著地殼的快速沉降和海水的推進進入埋藏階段。

4 結論

本文初步探討了方解石的性質和方解石的溶蝕作用及溶蝕作用所產生的意義。方解石是一種廣泛存在于自然界中的造巖礦物，其自身的多種性質決定了它具有了多種性能，方解石的溶蝕作用以各種形式在自然界中發生，產生了不同的效果和不同的意義。如今方解石溶蝕作用研究已成為當今石油地質、工程地質和地球化學的重要前沿領域，是國內外工程地質學家、地球化學家以及相關學科的重要研究方向，因此研究方解石的性質、方解石的溶蝕作用及因此產生的影響具有著重要的現實意義。本文僅對方解石的溶蝕及其意義進行了淺析，在研究深度和廣度上限于一些基礎的知識，鑒于此，要取得一定的成果還需要進一步的工作和研究。

參考文獻

[1]羅賓·巴瑟斯特,碳酸鹽沉積物及其成巖作用[M].科學出版社，1977.

[2]俞錦標，李春華，趙培道，胡興華，袁東風.貴州普定縣巖溶地區土壤空氣中CO2含量分布及溶蝕作用的研究特征及其對儲層的影響[J].中國巖溶，1985，4(11)：325-331.

[3]閆志為，張志衛，王佳佳.硫酸水對方解石和白云石礦物的溶蝕作用[J].水資源保護，2009，2(25)：79-82.

注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”