力学所揭示孔隙流动中矿物结晶及沉淀的跨尺度作用机理

孔隙介质中的流动和反应深刻影响着众多自然过程和工程应用。特别是发生在孔隙表面的矿物沉淀和结晶过程，会极大地影响介质的孔隙度和渗透率，进而影响导流能力。然而，现有的研究工作分别聚焦于微观成核或宏观沉淀过程，缺少对这两个过程在多尺度偶联机理和跨尺度互馈机制方面的研究。为了探究这一问题，力学所的研究人员将多相多物理模型与经典成核理论相结合，研究了成核、沉淀、物质传输之间的相互作用，以及它们对多孔介质渗透率的影响。相关成果近期发表在美国地球物理学会AGU 旗 舰 期 刊 Geophysical Research Letters, 2024, 51, e2023GL107185.（Nature Index 期刊，一区 TOP）。

　　研究结果表明，孔隙反应流中固相沉淀的拓扑形态受Damköhler 数调控，导致孔隙渗透率分异化，极大影响导流能力。此外，在固液界面相变反应速率一定的情况下，调整表面成核速率可以改变矿物沉淀的模式，从选择性沉淀转变为均匀性沉淀。通过与传统方法的对比，研究还发现过往确定沉淀速率的方法在特定情况下低估了孔隙渗透率。因此，在存在选择性沉淀和矿物与周围液体之间界面上的异质成核时，考虑微观概率性成核现象是至关重要的。这一研究为更好地理解矿物形成过程提供了新视角，进一步完善了孔隙反应流跨尺度相变理论体系。

　　中国科学院力学研究所杨丰畅副研究员为该论文第一作者，凌博闻研究员为通讯作者，关东石研究员及美国能源部橡树岭国家实验室的部分研究人员为该论文共同作者。该研究得到了中国科学院-美国联邦政府机构合作项目、中国科学院 B 类先导专项和国家自然科学基金委面上项目资助。

　　论文链接：https://doi.org/10.1029/2023GL107185

　　

　　Damköhler 数对反应流中矿物结晶/沉淀现象及其导流能力的影响

　　

表面结晶速率对反应流中矿物结晶/沉淀现象及拓扑结构的影响