洞穴形成的初期阶段：超越一维范式
摘要：石灰岩洞穴的溶解起源已在一个多世纪前被认识到，但是亚饱和溶液的短透入距离似乎使得长通道的发展看起来不可能。然而，在喀斯特环境中发现了延伸的通道，有时长达几公里。然而，CaCO3溶解速率在接近饱和时迅速下降，为反应物的更深层渗透提供了机制。"动力触发"的概念——在一个窄浓度范围内速率常数的突然变化——已成为溶洞形成模型中的广泛接受的范式。然而，它基于对裂缝内的流体和溶质运输进行一维模型的假设，假设溶解前沿在垂直于流动方向的平面上是平坦的。在这里，我们展示了这种假设是不正确的；在完全均匀的裂缝中，平面溶解前沿对微小扰动是不稳定的，并且不可避免地分解成高度局部化的溶解区域。这提供了一种即使没有动力触发也能形成洞穴的替代机制。我们的结果表明，在溶解裂缝中存在着固有的侵蚀模式波长，这取决于反应速率和流速，但与初始粗糙度无关。与一维模型相反，二维仿真结果表明，突破时间与动力顺序仅有微弱关联；流动的局部化倾向使得溶解前沿的亚饱和度保持在非线性动力学的阈值以上。
作者：Piotr Szymczak and Anthony J.C. Ladd
论文ID：1011.4111
分类：Geophysics
分类简称：physics.geo-ph
提交时间：2010-11-19