Реакции, разрушающие горные породы и ускоряющие поток жидкости в литосфере
Гидратация и карбонизация являются основными реакциями, которые управляют летучими циклами на Земле. Эти реакции характеризуются значительным увеличением объема твердого тела, до нескольких десятков процентов, что может вызвать напряжение и разрушение горных пород — может произойти разрыв пласта, усилиться поток жидкости и возникнуть дальнейшие реакции.
Однако ни в одном экспериментальном исследовании не удавалось добиться явного увеличения потока жидкости во время реакций, и механизмы, управляющие ускорением или замедлением потока, оставались в значительной степени неизвестными. В своей новой работе ученые представили четкие экспериментальные доказательства того, что реакции гидратации могут разрушать горные породы и ускорять поток жидкости при ограничивающем давлении, то есть на моделируемой глубине.
Проводимые наблюдения за естественным гидратированным и газированным перидотитом показали, что проницаемость и поток жидкости повышаются за счет реакционно-индуцированного разрыва пласта. Ранее повышение проницаемости во время реакций увеличения объема твердого тела в лабораторных условиях не было достигнуто, но механизмы ускоренного протекания жидкости все же были установлены с применением контрольно-измерительного оборудования.
Ученые представили доказательства значительного повышения проницаемости за счет реакций увеличения объема при ограничивающем давлении. Гидромеханическое поведение гидратации спеченного минерала периклаза зависит главным образом от начальной связности поровой жидкости. Установлено, что его проницаемость увеличилась на три порядка для образцов с низкой связностью, в то время как для образцов с высокой связностью она уменьшилась на два порядка. Повышение проницаемости было вызвано иерархическим разрушением реагирующих материалов, в то время как снижение было связано с закупоркой однородных пор продуктами реакции.
Эти модели поведения предполагают, что скорость потока жидкости по отношению к скорости реакции является основным фактором, влияющим на гидромеханическую эволюцию во время реакций увеличения объема. Чрезвычайно высокая скорость реакции и низкая связность поровой жидкости, по всей вероятности, приводят к локальным возмущениям напряжений и необходимы для вызванного реакцией разрыва пласта и ускоренного потока жидкости во время гидратации и карбонизации.
Таким образом, ученые предположили, что высокая скорость реакции по сравнению со скоростью потока жидкости необходима для разрыва пласта и самоускорения потока жидкости во время этих реакций в литосфере Земли.
