石漠化地区碳酸盐岩溶蚀-蠕变特性及其微观机理研究

Carbonate rocks are widely distributed in the karst rocky desertification region of Guizhou Province. There are differences during weathering and pedogenesis and the rocky desertification process, the reason is that different lithology and the joint crack development of carbonate rocks, affected by complicated geological processes and secondary artificial load, and groundwater hydro-chemical coupling interaction. Therefore, study on the dissolution- creep characteristics and it's microscopic mechanism of carbonate rocks under mechanico-hydro-chemical coupled condition，it has important significance for analysis of weathering and pedogenesis and the rocky desertification process. The research using the creep experiments of carbonate with single fracture in different water environment, emphatically analysis characteristics of water-rock interaction and creep deformation characteristics of fractured rock mass under hydro-chemical action. Comparative analyze to chemical dissolution and creep characteristics between the limestone and dolomite from the microscopical viewpoint. Simulate the mechanico-hydro-chemical coupling process by the soft ware of COMSOL Multiphysics. Eexplore the relationship between lithology, karst development law, soil-forming process and rocky desertification initiation, and provide a scientific basis for choosing effective methods to control rocky desertification..

贵州岩溶石漠化地区广泛分布的碳酸盐岩，受外力地质作用、次生人为荷载以及地下水的渗流-化学作用下，由于其岩性与节理裂隙的发育程度不同，使得岩石的风化成土及石漠化演化的过程存在差异。因此，针对不同岩性的含裂隙碳酸盐岩，开展应力-渗流-化学耦合作用下碳酸盐岩溶蚀-蠕变特性及其微观机理的研究，对于分析石灰岩和白云岩地区风化成土的过程及石漠化成因具有重要的意义。本研究通过开展不同水环境条件下单裂隙碳酸盐岩蠕变试验，着重分析应力-渗流作用下水岩化学反应的特性及含裂隙岩体在耦合作用下的蠕变变形特征；从微细观的角度对比分析石灰岩和白云岩化学溶蚀与蠕变的特征；利用COMSOL多场耦合软件对单裂隙碳酸盐岩在应力-渗流-化学作用下的耦合过程进行模拟。从而探索岩性与岩溶发育规律、成土过程及石漠化成因之间的关系，为石漠化防治措施的选择提供科学依据。

为分析石漠化地区岩性、岩溶发育规律、成土过程与石漠化的演化规律，选取了贵州无石漠化的施秉和荔波地区、轻度石漠化毕节撒拉溪和中强度石漠化贞丰关岭-花江治理示范区为研究区域，通过野外调研及室内外实验和分析工作，研究了不同等级石漠化区域地质背景及岩溶发育规律，发现气候、地形地貌、地质构造、岩性和水文地质条件综合控制着区域的岩溶发育规律，同时这些因素与石漠化的成因和发展演化过程相互制约；碳酸盐岩的化学和矿物成分、微观结构和物理力学性质对石漠化的成因和发展演化具有明显的控制作用；石漠化等级越强区域，碳酸盐岩的抗压强度越大。. 对应力-化学耦合作用下不同岩性碳酸盐岩的溶蚀特性进行研究，发现在相同时间相同浓度的酸溶液中，碳酸盐岩的溶蚀量比常规溶蚀情况下大；应力加载越大，其溶蚀量越大；在每一级加载过程中，岩样单位表面积的溶蚀量都会增加，并随加载时间的延续溶蚀速率减小；溶蚀量的起始增加时间略滞后于加载起始时间。. 应力-化学耦合作用下,石漠化地区的碳酸盐岩蠕变特性较明显，无论是干燥环境还是酸溶液的应力-化学耦合作用下，白云岩的瞬时应变和蠕变变形均大于石灰岩，说明白云岩更易受外力作用影响而发生蠕变变形和破坏；在酸溶液中，蠕变速率随加载时间持续增加，而石灰岩随加载时间的延续蠕变速率趋于稳定；在低应力状态下，应力-化学耦合作用下碳酸盐岩的蠕变瞬时应变和蠕变变形量均小于干燥环境；溶蚀作用不仅发生在岩石表面也发生在孔隙内部，溶蚀结果表现为总孔体积和孔隙率的提高，孔隙直径的增大及孔隙连通性的改善。. 不同等级石漠化地区岩土体中化学元素和物理力学特性与石漠化的发展程度有着内在的关联，岩体中CaO/ MgO的比值越大，Rb/Sr比值越低，石漠化等级越高；与岩体相反，土体中Rb/Sr比值随着石漠化强度的增大而增加；强度石漠化和无石漠化土壤养分明显优于其他等级石漠化环境，潜在和轻度石漠化土壤反而是最差的。土壤的液塑限和自由膨胀率大小在各个等级石漠化中无规律性，但差异不大；粘聚力大小与人类活动扰动的程度成反比，强度石漠化地区土壤粘聚力偏小；土体压缩系数随着石漠化等级的提高有增大的趋势。. 目前相关成果已发表或录用标注论文13篇（其中SCI检索论文4篇、EI检索论文3篇），培养或协助培养研究生3名，协助组织和参与了国内外地质环境相关的学术会议9次。全面完成任务书规定的各项指标