一种碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法与流程

本发明涉及岩石风化研究技术领域，尤其涉及一种碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法。

背景技术：

碳酸盐岩的溶蚀过程及其评价对喀斯特地貌的形成、油气勘察、二氧化碳地质封存、石质文物的保护等具有重要的研究意义。目前，碳酸盐岩溶蚀机制的最有效的研究手段是室内溶蚀模拟实验。在以往诸多学者的研究中，通常用溶蚀量和溶蚀速率来定量评价碳酸盐岩的溶蚀过程。现有的碳酸盐岩的溶蚀量和溶蚀速率测定方法主要有两类。

第一类方法是从反应物浓度变化的角度求取溶蚀量。即：每隔一段反应时间提取反应溶液，并用滴定法或电导率法测定溶液的浓度和/或离子含量，由此计算碳酸盐岩溶蚀量和溶蚀速率。该方法受人为影响，并且有时溶液的浓度和/或离子含量难以测定。具体来说，一方面，一般使用滴定法测量溶液浓度和/或离子含量，则测定结果的准确性受人为影响；另一方面，如果使用中性水淋滤或溶蚀碳酸盐岩，则溶液的浓度和离子含量变化很小，则结果难以测定。

第二类方法则通过测定溶蚀反应前、后碳酸盐岩物质的量或质量的变化。测定碳酸盐岩物质的量或质量前须将碳酸盐岩置于高温环境下(一般105-110℃)烘干，而后冷却至室温(20-25℃)。这就会使溶蚀量和溶蚀速率的测试结果叠加了温度变化的影响，导致测试结果不准确。尤其是，若碳酸盐岩溶蚀实验设置为循环溶蚀，碳酸盐岩的多次高温、低温的循环往往会加剧碳酸盐岩的溶蚀。

以上两种方法均是从宏观上测定碳酸盐岩的溶蚀量和溶蚀速率，滴定法或电导率法的实验操作方法与测试环境会影响测定结果的精度。样品物质的量或质量的变化仅可反映碳酸盐岩整体溶蚀过程，无法从微观上观察碳酸盐岩的溶蚀过程。而使用显微观察手段从微观上评价碳酸盐岩溶蚀过程则更形象，更具有可描绘性。

目前现有的显微观察岩石表面的方法必须经过破坏性制样，比如铸体薄片、扫描电镜、电子探针等，但是这些方法都破坏了样品的完整性。并且，在使用目前现有的显微观察方法观测碳酸盐岩表面时，测试结果图像只是二维图像，不如三维图像形象具体。对于显微观察结果也只是以定性描述为主，无法定量化。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳酸盐岩溶蚀过程可视化评价方法，该方法能从碳酸盐岩表面的微观变化定性和定量评价碳酸盐岩溶蚀过程，还能够在三维空间内可视化碳酸盐岩表面形貌在溶蚀过程。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法，其中，包括：

步骤s100、将碳酸盐岩的样品表面磨平，设置n个测试区域(n≥2)，记为1,2,......n；

步骤s200、对测试区域进行三维微观形貌成像，得到n个测试区域的微观形貌图，分别记为v1～vn，得到n个测试区域的起伏度，分别记为h1～hn；

步骤s300、将样品放入试验箱内，用溶液对样品进行淋雨喷洒试验，试验时长为t，试验结束后，取出样品；

步骤s400、对样品表面观测区域进行三维成像，溶蚀试验后该样品n个测试区域的微观形貌图分别记为v1′～vn′，n个测试区域的起伏度分别记为h1′～hn′；

步骤s500、通过对比步骤s400测得的微观形貌和步骤s200测得的相同测试区域的微观形貌，定性描绘碳酸盐岩的溶蚀过程；以及

步骤s600、以步骤s400得到的起伏度和步骤s200得到的相同测试区域的起伏度的差值为起伏度变化量△h，根据△h定量计算碳酸盐岩的溶蚀速率△v。

所述的碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法，其中，所述步骤s100中，将样品的表面磨平至起伏度小于0.15mm。

所述的碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法，其中，所述步骤s200中，利用超景深显微仪或三维扫描仪对观测区域进行三维成像。

所述的碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法，其中，所述步骤s200中，所述起伏度为测试区域内微观形貌的最高点与最低点的高度差值。

所述的碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法，其中，所述步骤s300中，所述试验箱选择老化试验箱或者淋雨试验箱。

所述的碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法，其中，所述步骤s300中，所述溶液为酸性溶液、中性溶液、或碱性溶液。

所述的碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法，其中，所述步骤s600中，样品测试区域的起伏度变化量△h的计算公式为：其中，

△h1为测试区域1的起伏度变化量，其计算公式为△h1＝|h1′-h1|；

△h2为测试区域2的起伏度变化量，其计算公式为△h2＝|h2′-h2|；

依次类推，

△hn为测试区域n的起伏度变化量，其计算公式为△hn＝|hn′-hn|。

所述的碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法，其中，所述步骤s600中，所述碳酸盐岩的溶蚀速率△v的计算公式为：

所述的碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法，其中，重复步骤s300～s600，得到样品在多次溶蚀试验循环后的微观形貌变化和起伏度变化，根据起伏度变化采用以上所述的公式计算样品在多次循环后的溶蚀速率。

本发明的有益效果是：相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

①能够实现碳酸盐岩样品的微观形貌在三维空间内的可视化展示，可以形象地分析碳酸盐岩的溶蚀过程和溶蚀形态。

②由表面起伏度的变化计算碳酸盐岩的溶蚀速率，实现对溶蚀过程的定量化评价。

③本实验由超景深或三维激光扫描仪测量测试区域的微观形貌，并得到表面起伏度，起伏度的测试精度较高，可达0.1μm。

④使用本方法观测岩石表面的微观形貌是一种无损的检测方法，保护了样品的完整性，可对同一个样品的表面在不同溶蚀阶段进行观测。

⑤现有的碳酸盐岩溶蚀评价方法一般使用物质的量和质量的变化来评价，这种方法需要烘干样品，而烘干过程的温度变化会加速样品的溶蚀。而本方法的试验步骤简单，适合测量各种含水状态下样品的微观形貌和起伏度，避免烘干过程温度变化对测试溶蚀的影响。

附图说明

图1为本发明较佳实施例提供的一种碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法的流程图。

图2为本发明一个实施例中广西桂林某灰岩样品测试选取面与标记示意图。

图3为本发明一个实施例中碳酸盐岩淋雨溶蚀试验仪器和试验过程。

图4为本发明一个实施例中广西桂林灰岩某样品某测试区域在纯净水中淋雨溶蚀480h后表面某测试区域的微观形貌(单位：μm)。

图5为本发明一个实施例中广西桂林灰岩某样品某测试区域在纯净水中淋雨溶蚀600h后表面某测试区域的微观形貌(单位：μm)。

图6为本发明一个实施例中广西桂林灰岩样品某测试区域在不同溶蚀阶段的表面微观形貌图(单位：μm)。

图7(a)为本发明一个实施例中广西桂林灰岩5个样品a面x测试区域起伏度变化图。

图7(b)为本发明一个实施例中广西桂林灰岩5个样品a面s测试区域起伏度变化图。

图8(a)为本发明一个实施例中广西桂林灰岩5个样品b面x测试区域起伏度变化图。

图8(b)为本发明一个实施例中广西桂林灰岩5个样品b面s测试区域起伏度变化图。

图9(a)为本发明一个实施例中广西桂林灰岩5个样品c面x测试区域起伏度变化图。

图9(b)为本发明一个实施例中广西桂林灰岩5个样品c面s测试区域起伏度变化图。

图10为本发明一个实施例中广西桂林灰岩5个样品溶蚀速率变化图。

具体实施方式

本发明提供一种碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明较佳实施例提供的一种碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法，参见图1所示，其中，包括：

步骤s100、将碳酸盐岩样品表面磨平，设置n个测试区域(n≥2)，记为1,2,......n；

步骤s200、对测试区域进行三维微观形貌成像，得到n个测试区域的微观形貌图，分别记为v1～vn，得到n个测试区域的起伏度，分别记为h1～hn；

步骤s300、将样品放入试验箱内，用溶液对样品进行淋雨喷洒试验，试验时长为t，试验结束后，取出样品；

步骤s400、对样品表面观测区域进行三维成像，溶蚀试验后该样品n个测试区域的微观形貌图分别记为v1′～vn′，n个测试区域的起伏度分别记为h1′～hn′；

步骤s500、通过对比步骤s400测得的微观形貌和步骤s200测得的相同测试区域的微观形貌，定性描绘碳酸盐岩的溶蚀过程；以及

步骤s600、以步骤s400得到的起伏度和步骤s200得到的相同测试区域的起伏度的差值为起伏度变化量△h，根据△h定量计算碳酸盐岩的溶蚀速率△v。

本实施例中，所述步骤s100即为碳酸盐岩样品表面磨平，设置测试区域；所述步骤s200即为对测试区域进行三维成像，获取测试区域表面的微观形貌；所述步骤s300即为对样品进行淋雨溶蚀实验；所述步骤s400即为再次对测试区域进行三维成像；所述步骤s500即为对样品表面微观形貌进行对比分析；所述步骤s600即为计算其淋雨溶蚀后起伏度的变化及溶蚀速率。本发明碳酸盐岩溶蚀过程可视化定量和定性评价方法，不仅能通过微观形貌的变化来可视化、定性评价碳酸盐岩的溶蚀过程，还可以通过起伏度的变化来定量评价碳酸盐岩的溶蚀过程。

进一步的，本实施例中，所述步骤s100中，将样品的表面磨平至起伏度小于0.15mm。所述步骤s200中，利用超景深显微仪或三维扫描仪对观测区域进行三维成像，所述起伏度为测试区域内微观形貌的最高点与最低点的高度差值。所述步骤s300中，所述试验箱选择老化试验箱或者淋雨试验箱，所述溶液可以为酸性溶液、中性溶液、或碱性溶液，本发明特别适用于各种ph值溶液(尤其是中性溶液)对碳酸盐岩的溶蚀。

进一步的，本实施例中，所述步骤s600中，样品测试区域的起伏度变化量△h的计算公式为：其中，

△h1为测试区域1的起伏度变化量，其计算公式为△h1＝|h1′-h1|；

△h2为测试区域2的起伏度变化量，其计算公式为△h2＝|h2′-h2|；

......

△hn为测试区域n的起伏度变化量，其计算公式为△hn＝|hn′-hn|。

进一步的，本实施例中，所述步骤s600中，所述碳酸盐岩的溶蚀速率△v的计算公式为：

进一步的，本实施例中，优选重复步骤s300～s600，得到样品在多次溶蚀试验循环后的微观形貌变化和起伏度变化，根据起伏度变化采用以上所述的公式计算样品在多次淋雨溶蚀循环后的溶蚀速率。

下面以具体实施例对本发明做进一步详细说明：

一种灰岩溶蚀过程可视化评价方法，包括如下步骤：

试验样品来源于广西桂林桂海碑林灰岩。桂海碑林摩崖石刻位于广西壮族自治区桂林市小东江畔七星公园，为国家第五批公布的全国重点文物保护单位。地层岩性为泥盆系灰岩。经显微镜下薄片鉴定，该灰岩为鲕粒结构。灰岩方解石含量超过95％。鲕粒主要为正常鲕，大小以0.5-1.2mm为主。试验样品尺寸为5×5×5cm的立方体，样品数量为5，编号h-01～h-05。

步骤s101：试验前采用120目金刚砂磨片打磨样品表面至表面起伏度小于0.13mm。每一个样品设置3个测试表面记为a、b、c，每个表面设置x、s两个测试区域，测试区域的面积为1641.5μm×1237.8μm。由于每个样品设置3个测试面、每个面设置2个测试区域，则5个样品共30个测试区域(图2)。

步骤s201：使用vhx-2000超景深显微仪辅以z100:x200镜头分别观测30个测试区域的微观形貌，记为v1-ax-0～v5-cs-0。根据微观形貌图，可得到30个测试区域内起伏度，记为h1-ax-0～h5-cs-0。其中，vj-ax-i和hj-ax-i分别表示编号为j的试块a表面的测试区域x在第i次溶蚀试验后的微观形貌图和起伏度，i＝0时表示第0次循环，即溶蚀试验前的初始值。

步骤s301：准备淋雨试验箱(图3)和纯净水，试验箱试验温度设置为31℃、相对湿度设置为65％、流量为0.5m³/h、喷嘴水压为115kpa。将样品放入试验箱内进行淋雨溶蚀试验，120h后取出样品。

步骤s401：将淋雨溶蚀试验后的样品利用vhx-2000超景深显微仪辅以z100:x200镜头分别观测步骤200的30个测试区域，得到三维微观形貌v1-ax-1～v5-cs-1，记淋雨溶蚀试验后各个测试区域内起伏度值h1-ax-1～h5-cs-1。

步骤s501：对灰岩样品淋雨溶蚀前的微观形貌v1-ax-0～v5-cs-0和淋雨溶蚀后微观形貌v1-ax-1～v5-cs-1进行定性描述。

步骤s601：将样品同一测试区域淋雨溶蚀前的起伏度h1-ax-0～h5-cs-0和溶蚀试验后的起伏度h1-ax-1～h5-cs-1的差值定为起伏度变化量，根据各个区域的起伏度变化量△h1-bx-1～△h5-cs-1定量计算灰岩样品的溶蚀速率△v1-1～△v5-1。

其中，样品h-01第1次溶蚀试验后a面x区域起伏度变化量△h1-ax-1＝|h1-ax-1-h1-ax-0|；

样品h-01第1次溶蚀试验后a面s区域起伏度变化量△h1-as-1＝|h1-as-1-h1-as-0|；

样品h-01第1次溶蚀试验后b面x区域起伏度变化量△h1-bx-1＝|h1-bx-1-h1-bx-0|；

样品h-01第1次溶蚀试验后b面s区域起伏度变化量△h1-bs-1＝|h1-bs-1-h1-bs-0|；

样品h-01第1次溶蚀试验后c面x区域起伏度变化量△h1-cx-1＝|h1-cx-1-h1-cx-0|；

样品h-01第1次溶蚀试验后c面s区域起伏度变化量△h1-cs-1＝|h1-cs-1-h1-cs-0|；

...

样品h-05第1次溶蚀试验后a面x区域起伏度变化量△h5-ax-1＝|h5-ax-1-h5-ax-0|；

样品h-05第1次溶蚀试验后a面s区域起伏度变化量△h5-as-1＝|h5-as-1-h5-as-0|；

样品h-05第1次溶蚀试验后b面x区域起伏度变化量△h5-bx-1＝|h5-bx-1-h5-bx-0|；

样品h-05第1次溶蚀试验后b面s区域起伏度变化量△h5-bs-1＝|h5-bs-1-h5-bs-0|；

样品h-05第1次溶蚀试验后c面x区域起伏度变化量△h5-cx-1＝|h5-cx-1-h5-cx-0|；

样品h-05第1次溶蚀试验后c面s区域起伏度变化量△h5-cs-1＝|h5-cs-1-h5-cs-0|；

样品h-01第1次溶蚀试验后的溶蚀速率:

样品h-02第1次溶蚀试验后的溶蚀速率:

…

样品h-05第1次溶蚀试验后的溶蚀速率:

步骤s701：上述步骤301～步骤601为一个淋雨溶蚀试验循环，记为第1次循环。再重复步骤301～步骤601九次，分别记为第2次循环到第10次循环。这样，可以得到5个样品10次溶蚀试验循环后的微观形貌变化。图4为样品h-01第4次淋雨溶蚀循环后a面s区域微观形貌图。图5为样品h-01第5次淋雨溶蚀循环后a面s区域微观形貌图。图6为样品h-02的a面x测试区域在不同的溶蚀试验循环后的微观形貌。图7(a)、图7(b)、图8(a)、图8(b)、以及图9(a)、图9(b)分别展示了5个样品30个测试区域的起伏度变化。

根据图6，样品h-02的a面x测试区域微观形貌变化过程可描述为：第1～4次淋雨溶蚀循环时，表面形貌未发生明显变化，淋雨对表面形貌影响较小。第5次淋雨溶蚀循环后的样品表面突然发生变化：样品表面的峰区突然降低，样品表面被“磨平”，形成谷区。第6～10次循环时，样品表面变化较小，但谷区在逐渐加深和扩大。

根据起伏度变化量△h1-ax-1～△h5-ax-10求得h-01～h-05这5个样品在每次淋雨溶蚀循环后的溶蚀速率△v1-1～△v5-10(图10)。

其中，样品h-01第2次溶蚀试验后a面x区起伏度变化量△h1-ax-2＝|h1-ax-2-h1-ax-1|；

样品h-01第2次溶蚀试验后a面s区域起伏度变化量△h1-as-2＝|h1-as-2-h1-as-1|；

样品h-01第2次溶蚀试验后b面x区域起伏度变化量△h1-bx-2＝|h1-bx-2-h1-bx-1|；

...

样品h-05第10次溶蚀试验后c面x区域起伏度变化量△h5-cx-10＝|h5-cx-10-h5-cx-9|；

样品h-05第10次溶蚀试验后c面s区域起伏度变化量△h5-cs-10＝|h5-cs-10-h5-cs-9|；

样品h-01第2次溶蚀试验后的溶蚀速率:

...

样品h-05的第10次循环后的溶蚀速率：

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。