一种实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置以及实验方法与流程

本发明涉及一种岩石自然风化的实验装置以及实验方法，特别是一种实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置以及实验方法。

背景技术：

1、岩石风化是全球碳循环的重要碳汇过程。刘再华等认为碳酸盐溶解的快速动力学使得碳酸盐风化碳汇占整个岩石风化碳汇的94％，而硅酸盐风化仅占6％左右。流域水文地球化学性质可以反映流域岩石或土壤的化学风化特征，用于估算研究岩石化学风化速率以及相应的co2消耗量。使得许多研究开始关注河流地球化学，前人主要采用两种方法：一是在单一岩性小流域的研究中，重点在于风化控制因素影响研究，比如岩性、气候等；二是对多岩性大流域研究，主要关注于风化对碳循环的贡献等。到目前为止，全球范围内有许多学者对全球尺度及大河流域的化学风化与其碳汇效应进行了研究(表1和表2)。在此前的研究中，其结论复制到具有不同地形、降水量、温度等的全球河流可能是不太合适的。对流域中不同岩性贡献比例的计算仍然有着较大的不确定性，从而直接影响到对流域中碳酸盐风化速率和对大气co2消耗量的计算结果。

2、表1全球尺度上硅酸盐和碳酸盐风化对大气co2消耗量

3、

4、

5、表2流域化学风化和大气co2消耗量

6、 流域名称 <![cdata[co₂消耗量(×10⁵mol/km²a)]]> 数据来源 亚马逊河 5.09 meybeck et al.,1987 密西西比河 1.29 meybeck et al.,1987 长江 3.79 chetelat et al.,2008 黄河 1.57 李晶莹和张经，2003 珠江 6.48 gaillardet et al.,1999 珠江源水南盘江、北盘江 6.14～7.43 xu and liu,2007 西江 4.9 gao et al.,2009

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置以及实验方法。本发明用于实验室模拟碳酸盐岩石自然风化实验的实验过程，在实验室中建立比较符合碳酸盐岩石自然风化的模拟实验系统以及实验方法，通过控制变量法对实验室碳酸盐岩石自然风化与径流量、降水、温度、地形、岩石类型和土地覆盖之间的关系进行模拟实验，进而计算碳酸盐岩风化速率和对大气co2消耗量，为判断碳酸盐岩石风化等级提供实验依据。

2、本发明的技术方案：一种实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置，包括有微波反应器装置，微波反应器装置包括有金属箱体，金属箱体内部设置有左、右两个腔室，左侧腔室内设置有螺旋状河流拟态装置，螺旋状河流拟态装置中间的腔室底部设置有金属柱，金属柱顶部设置有岩石放置架，岩石放置架的上方设置有喷淋装置，喷淋装置和螺旋状河流拟态装置的顶端均与物料输入装置中的水体输送装置连接，左侧腔室内部还连接有物料输入装置中的气体输送装置和物料输出装置，左侧腔室内部还设置有温度感应器和二氧化碳浓度感应器，右侧腔室内部安装有微波加热装置，微波加热装置中的波导管伸入至左侧腔室中，金属箱体表面还设置有显示和控制装置。

3、前述的实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置中，所述物料输入装置包括有水体输送装置和气体输送装置，水体输送装置包括有水泵，水泵的输出端连接有两根进水管，其中一根进水管经螺栓接口与喷淋装置连接，另一根进水管经金属焊口与螺旋状河流拟态装置的顶部连接，两根进水管上均设置有流量表和阀门；气体输送装置包括有二氧化碳气罐，二氧化碳气罐经进气管与左侧腔室顶部的二氧化碳进气口连接，二氧化碳气罐上设置有阀门和气压计。

4、前述的实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置中，所述物料输出装置包括有固定在左侧腔室底部的落水池，金属柱和螺旋状河流拟态装置放置在落水池中，落水池底部侧面设置有出水口，出水口经管道与水罐连接。

5、前述的实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置中，所述喷淋装置包括有进水主管，进水主管一端伸出至金属箱体外部与水体输送装置连接，另一端连通有喷淋支管，喷淋支管与多根喷淋管道连通，喷淋管道上均匀布置有喷淋孔，进水主管的外壁经螺旋三头接口、支架和榫卯结构连接喷淋管道和喷淋支管的外部管体。

6、前述的实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置中，所述岩石放置架上搭载有升降台，升降台包括有伸缩支架，伸缩支架底端卡入至升降台底面的卡槽中，升降台底面设置有固定卡子，固定卡子卡接在岩石放置架表面的固定卡槽中，升降台的斜面上固定挡板，挡板背部的升降台斜面上放置有岩土放样，岩土放样表面覆盖有土地覆盖层。

7、前述的实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置中，所述微波加热装置包括有变压器，变压器经电容器、二极管后与磁控管电连接，磁控管连接有波导管，波导管另一端伸入至左侧腔室中，还包括有设置在右侧腔室内底部的风扇。

8、前述的实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置中，所述显示和控制装置包括有温度显示屏、时间显示屏、功率显示屏、微波频率显示屏、功率调节旋钮、时间调节旋钮、微波频率调节旋钮。

9、前述的实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置中，所述左侧腔室表面设置有箱门，箱门上设置有自动断电开关。

10、一种实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置的实验方法，包括有以下步骤：

11、s1：连接、组装好实验装置，并将岩石放样和土地覆盖层固定在岩石放置架上；

12、s2：①通过微波反应器装置中的功率调节旋钮、时间调节旋钮、微波频率调节旋钮调节微波加热时间、功率和微波频率，进行碳酸盐岩石自然风化与温度的模拟实验；

13、②通过螺旋状河流拟态装置连接的物料输入装置的阀门控制流量模拟河流，进行碳酸盐岩石自然风化与径流量的模拟实验；

14、③通过喷淋装置连接的物料输入装置的阀门控制流量模拟降水，进行碳酸盐岩石自然风化与降水的模拟实验；

15、④通过二氧化碳气罐的阀门控制二氧化碳流量，进行碳酸盐岩石自然风化与二氧化碳流量的模拟实验；

16、⑤岩石放置架与升降台通过伸缩支架伸缩卡入卡槽中调整不同的岩石倾角模拟不同的地形，进行碳酸盐岩石自然风化与地形的模拟实验；

17、⑥土地覆盖层可更换不同的土地覆盖层样品，包括粗骨土、砂土、壤土和黏土4种规格模拟土地覆盖，进行碳酸盐岩石自然风化与岩石类型的模拟实验；

18、⑦岩石放样可更换不同的岩石样品，包括石灰岩、白云岩、粘土岩、泥灰岩，进行碳酸盐岩石自然风化与土地覆盖的模拟实验；

19、实验共7组变量，每个变量各做4组实验，共4096组实验，时间为恒定变量，取72h；

20、步骤3：从出水口向水罐输出河流水和喷淋降水，取水样进行水化学离子检测，每个变量各做4组实验，取4组水样，共4096组水样，水样的检测项目包括钙离子、镁离子和重碳酸根；

21、步骤4：流域岩石风化速率与二氧化碳消耗通量计算公式为：

22、qcwr＝(m(ca2+)c+m(mg2+)c+0.5m(hco3-)cqa/a，

23、其中m(hco3-)c＝2m(ca2+)c+2m(mg2+)c，式中：qcwr为碳酸盐岩风化速率；qa为多年平均径流量；a为流域面积；m(·)c为碳酸盐岩风化端元离子质量浓度；

24、碳酸盐岩风化端元二氧化碳消耗通量计算公式为：

25、φc＝(c(ca2+)c+c(mg2+)c)cqa，式中φc为碳酸盐岩二氧化碳消耗通量；c(·)c为碳酸盐岩风化端元离子浓度。

26、本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种实验室模拟碳酸盐岩石自然风化的实验装置以及实验方法。实验装置主要由微波反应器装置、物料输入装置和物料输出装置组成，微波反应器装置中设置有螺旋状河流拟态装置、喷淋装置、微波加热装置，物料输入装置包括有水体输送装置和二氧化碳气体输送装置，并结合显示和控制装置，可以较好地用于实验室模拟碳酸盐岩石自然风化实验的实验过程，从而在实验室中建立符合碳酸盐岩石自然风化的模拟实验系统以及实验方法，通过控制变量法对实验室碳酸盐岩石自然风化与温度、径流量、降水、地形、岩石类型和土地覆盖之间的关系进行模拟实验，物料输出装置输出实验水样并进行检测，进而计算碳酸盐岩风化速率和对大气co2消耗量，为判断碳酸盐岩石风化等级提供实验依据。