常见的可溶性岩石主要包含3大类:碳酸盐类岩石(石灰岩、白云岩、泥质灰岩等),硫酸盐类岩石(石膏、芒硝等)和卤盐类岩石(石盐和钾盐等)。虽然就溶解度而言,卤盐类岩石的溶解度最高,碳酸盐类岩石溶解度最低,但由于卤素盐类及硫酸盐类岩石在地表分布十分有限,而碳酸盐类岩石分布很广,且岩体规模大,所以在日常生产及工程活动中所处理的可溶性岩石大多以碳酸盐岩为主。
可溶性岩石
在溶解有二氧化碳的弱酸性天然水作用下能被逐步溶解产生孔隙和裂隙的岩石。
- 英文名称
- soluble rock
- 所属学科
- 土木工程
碳酸盐岩。指由沉积作用形成的碳酸盐矿物组成的岩石的总称,主要分为石灰岩和白云岩两类。碳酸盐岩和碳酸盐沉积物从前寒武纪到现在均有产出,分布极广,约占沉积岩总量的1/5~1/4。中国碳酸盐岩分布面积约334万平方千米,约占国土面积的35%。中国西南地区发育有厚层的碳酸盐岩层,分布在云南、贵州、广西、四川、湖北等众多省份。碳酸盐类岩石包含4类主要岩石,其溶解度由大到小依次为:石灰岩>白云岩>硅质灰岩>泥灰岩。在各种碳酸盐类岩石互层的情况下,岩溶发育取决于优势易溶岩石组分的含量。实验表明,碳酸盐类岩石的相对溶解度,与岩石中氧化钙和氧化镁的比值(CaO/MgO)密切相关。
硫酸盐岩。主要有石膏(CaSO4·2H2O)、硬石膏(CaSO4)、芒硝等,石膏和硬石膏属矿产资源,是许多工业的重要原料。石膏和硬石膏几乎在中国各省、自治区、直辖市都有分布。其中,山东、内蒙古、青海、湖南、宁夏、西藏、新疆、安徽、山西和山东等地区是石膏和硬石膏的主要产地。中国固体石膏和硬石膏多为碳酸盐岩和碎屑岩的夹层,通常厚度不大,多在1米以下。由于变质和热液作用,石膏和硬石膏常出现大的原生结晶或长的纤维状晶体。盐湖中硫酸盐岩的沉积,经常由于岩溶作用而发生固相至液相或由于蒸发由液相至固相的变化。
CaCO3在含CO2的水溶液中发生溶解作用,其实质是CaCO3电离产生的离子与CO2和H2O作用后产生的H+结合,形成新的HCO3-,从而降低了CaCO3电离生成物Ca2+和的离子浓度,破坏了CaCO3的电离平衡,最终达到新的动态平衡。水溶液中H+增加可进一步促使CaCO3继续电离溶解,只要水中有超过平衡量的多余的H+,就能导致CaCO3不断溶解。碳酸盐岩溶解过程复杂,涉及固、液、气三相体系,其溶解动力系统概念见图。
因为水是极弱的电解质,常温时可以解离为H+和OH-,但H+的数量很少,所以CaCO3在纯水中的溶解度不高。除了水本身的解离和CO2溶入水中可以产生H+而导致碳酸盐的溶解外,任何其他物质只要能在水中产生H+,都可以导致碳酸盐的溶解。自然界中最常见的硫化物,如黄铁矿(FeS2)、硫化氢(H2S)一般都能增强水对碳酸盐的溶解。硫酸盐岩岩溶与碳酸盐岩岩溶的不同之处在于硫酸盐岩可以直接为水溶解,如石膏(CaSO4·2H2O)溶于水后产生Ca2+,和H2O,而碳酸盐岩却要借助水溶CO2的作用才能溶解。
碳酸盐岩-硫酸盐岩混合建造作为统一的地质体,在形成后经历了复杂的地质过程,包括地质构造作用、地球化学作用、岩溶发育过程等。由于石膏与碳酸盐化学成分、物理性质、水理性质等差异性很大,在上述各种作用中,两种岩体的岩溶化学过程相互影响,形成特殊的碳酸盐岩-硫酸盐岩复合岩溶现象。在地质构造作用下,区域性褶皱断裂一方面加大了石膏层的盐丘状聚集,另一方面形成了节理裂隙网,成为地下水向深部循环运动的通道,加速地下水的深循环和膏溶作用发生与发展。随着地下水不断向深部循环,逐渐影响到硬石膏层,使其水化为石膏。石膏水化产生巨大的体积膨胀力对含膏层本身及上覆岩层造成强烈的挤压作用使之变形和破碎。夹于碳酸盐岩中的石膏总是最先溶解,并导致碳酸盐岩层的一系列破坏作用,大大促进了地下水对其溶蚀的进程。