山东沂南东部土壤-玉米系统重金属元素与其他元素间相互作用及其生物有效性研究

在沂南县东部地区重金属元素高的背景状态下,为研究土壤-玉米系统中重金属元素和与人体健康关系密切的微量元素间的相互作用及其生物有效性,在研究区采集了50件玉米籽实及其根系土土壤样品。通过样品中重金属元素和微量元素含量分析,统计其含量及富集特征,探讨了玉米籽实及其根系土土壤中各元素间的相互关系。通过玉米根、茎、叶、籽实中重金属元素含量及根系土土壤中重金属元素形态分析,总结了玉米根、茎、叶、籽实以及根系土土壤中重金属元素的分布规律并对玉米籽实进行了安全性评价。结果显示:①各元素含量在玉米根系土土壤和玉米籽实中差异明显,玉米籽实中元素富集系数间多呈显著-极显著正相关;②玉米籽实中As、Ni、Se含量与土壤中元素含量多呈拮抗作用,玉米籽实中元素含量间多呈协同作用;③Cu、Zn、Cd、Hg主要富集于叶中,Cr、Pb、Ni、As主要富集于根中,除1件玉米籽实样品外,其他样品均符合绿色、无公害等相关标准,研究区玉米籽实安全性较好。研究成果可为农业高质量发展、土壤污染综合治理提供支撑。

矿井积水与破碎煤岩体水-岩相互作用研究

矿井积水与采空区破碎煤岩体的长期相互作用将会导致水质发生变化,并有可能成为污染地下含水层的直接因素。为探究二者相互作用过程中的水质变化规律,试验分析了不同温度,不同风化程度条件下的离子变化规律与内在机理。结果表明:随着温度以及煤岩体风化程度的增加,Na+与K+的释放总量与速度均会表现为正相关的演化规律;Ca^(2+)浓度变化受到溶蚀与沉淀的综合作用结果,表现为先上升后下降的趋势;水体总碱度变化过程可分为初期溶蚀阶段,中期吸附阶段,后期稳定阶段;水体总硬度变化过程可分为初期溶蚀阶段,中期吸附阶段,后期溶蚀阶段;破碎煤岩体净化水体的过程中存在溶蚀、沉淀与吸附的竞争过程,并且具有明显的时效性,对水质具有重要影响。

峨眉山大火成岩省的岩石圈结构:对地幔柱-岩石圈相互作用的启示

峨眉山大火成岩省位于扬子克拉通西缘,是中-晚二叠世峨眉山古地幔柱头熔融的产物。因此,该区岩石圈结构特征对于揭示地幔柱-岩石圈相互作用方式与机制具有重要的指示意义。本文基于COMPASS-ELIP宽频带地震台阵资料,开展S波接收函数成像研究,并与同剖面远震S波有限频层析成像、区域面波层析成像结果进行对比分析,识别了沿剖面岩石圈内部主要间断面,从而获得了峨眉山大火成岩省岩石圈结构的横向变化特征。结果显示,相对中带和外带,内带具有地壳增厚(增厚15~20km)、岩石圈减薄(减薄~50km)现象,且岩石圈地幔具有高速、分层特征,但下层底界面转换波震相并不明显;中带岩石圈厚度大(~170km),局部地段岩石圈-软流圈边界(LAB)缺失,对应位置存在地幔低速异常;外带岩石圈厚度略小(~150km),中带和外带均发育岩石圈中部不连续面(MLD)。结合地球化学、岩石学、物理/数值模拟等研究成果,本文推测上述特征记录了古地幔柱作用引起的不同程度岩石圈变形:地幔柱在内带以纵向作用为主,通过热-动力冲击方式造成岩石圈大幅度快速减薄,地幔柱头高程度减压熔融,产生的大规模岩浆穿透岩石圈地幔,在地壳发生底侵和内侵,部分喷出地表形成溢流玄武岩;地幔柱在中带以横向作用为主,通过底部剪切引起岩石圈地幔横向伸展,甚至造成局部撕裂,在撕裂部位进一步引发热-化学侵蚀并导致岩石圈破坏;地幔柱在外带以垂向拖曳为主,造成岩石圈的局部拆沉而减薄。此外,内带下方地幔的高速、分层特征,可能指示经历地幔柱作用减薄后的岩石圈,减薄产生的岩石圈空区因捕获地幔柱头熔融残留物而得到一定程度愈合,而受地幔柱改造后的残存岩石圈,因经历大量熔体抽取更加亏损而得到强化。综上,本文揭示的峨眉山大火成岩省岩石圈结构,为进一步理解地幔柱-岩石圈相互作用的方式与机制提供了新的地球物理观测证据。

液相色谱-串联质谱法测定土壤、沉积物和水中3种新型除草剂残留

除草剂在杂草和有害植物防控上发挥着重要的作用,但其有效利用率低,大量除草剂进入环境中,对生态环境和人类健康构成了潜在威胁,因此建立环境样品中除草剂的残留分析方法尤为重要。该文采用电喷雾正离子源模式,建立了液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)测定土壤、沉积物和水中异噁唑草酮、吡唑草胺和苯嘧磺草胺残留量的方法。土壤和沉积物样品经乙腈振荡提取、盐析后经C18固相萃取小柱净化,水样过滤后经C_(18)固相萃取小柱净化;再用LC-MS/MS测定样品中异噁唑草酮、吡唑草胺和苯嘧磺草胺的残留量。实验优化了仪器检测和前处理条件,考察了方法的线性关系、基质效应、检出限和定量限,并选取4种土壤、2种沉积物和水样进行了方法验证。在0.0005~0.02 mg/L范围内,异噁唑草酮、吡唑草胺、苯嘧磺草胺的线性关系均良好,r≥0.9961。3种除草剂在土壤、沉积物和水中的基质效应为-10.1%~16.5%。异噁唑草酮、吡唑草胺和苯嘧磺草胺的检出限分别为0.05、0.02、0.01μg/kg,定量限分别为0.2、0.05、0.05μg/kg。异噁唑草酮、吡唑草胺和苯嘧磺草胺在土壤、沉积物和水样中3个水平(0.005、0.1、2.0 mg/kg)下的加标回收率分别为77.2%~101.9%、77.9%~105.1%、80.8%~107.1%;相对标准偏差(RSD)分别为1.4%~12.8%、1.2%~7.7%、1.5%~11.5%。结果表明:本方法操作简单,方法稳定,定量准确,实用性强,可用于土壤、沉积物和水中异噁唑草酮、吡唑草胺和苯嘧磺草胺残留量的检测。

铅铋堆蒸汽发生器传热管破裂事故下铅铋-水相互作用程序开发及验证

铅铋堆在设计时必须考虑蒸汽发生器传热管破裂事故,国内外已开展了相关实验、数值模拟研究。对于该事故,传统两流体程序已不满足,为此本文就铅铋堆蒸汽发生器传热管破裂事故下铅铋-水相互作用行为,开展了池内铅铋-水相互作用理论、本构模型、数值算法研究,研制了专用程序,并采用已公开发布的相关实验数据进行程序验证。结果表明,所开发的模型、程序可较好地模拟铅铋-水相互作用行为。本文程序可为我国铅铋堆蒸汽发生器传热管破裂事故分析与安全评价提供理论与技术支撑。

陕西渭北晚更新世黄土-古土壤结合水膜厚度的试验研究

为深入剖析黄土与古土壤工程性质的影响因素,以陕西渭北晚更新世黄土与古土壤为研究对象,基于核磁共振、比表面积测试并结合理论分析对结合水膜厚度进行研究。试验结果显示:黄土与古土壤的结合水膜厚度存在明显差异,黄土的结合水膜厚度明显大于古土壤,原因在于古土壤孔隙体积及孔径小于黄土,而古土壤中高价阳离子含量大于黄土,同时古土壤颗粒表面分布铁锰质薄膜,其亲水性较弱。分析结合水膜与黄土湿陷性、回弹变形等工程特性间的关系,发现黄土-古土壤的湿陷性随结合水膜厚度的增大而增强,随结合水膜厚度的减小而减弱,结合水膜厚度与卸荷变形系数呈正相关关系。综合分析说明,高价阳离子含量、颗粒表面特性,及孔隙性的不同造成了黄土与古土壤结合水膜厚度的差异,从而导致黄土与古土壤的湿陷性等工程性质有显著区别。

我国典型土壤Cr(Ⅵ)固-液分配系数K_(d)值及其在推导保护地下水的土壤环境基准中的应用研究

Cr(Ⅵ)是铬盐、电镀、皮革等行业的特征污染物,极易因土-水迁移造成地下水污染。对于迁移性较强的污染物〔如Cr(Ⅵ)〕,有必要制定保护地下水的土壤环境基准。Cr(Ⅵ)在不同土壤上的吸附和解吸特征参数不同,为获取我国典型土壤Cr(Ⅵ)吸附及解吸过程的固-液分配系数(K_(d)),本研究采用我国黑龙江海伦黑土、河南封丘潮土、海南儋州砖红壤等12种典型土壤,开展了吸附动力学及吸附-解吸平衡实验。动力学研究结果表明,12种土壤均在48 h内达到吸附平衡,与拟一级动力学模型和Elovich动力学模型相比,拟二级动力学模型对Cr(Ⅵ)的土壤吸附动力学过程有更好的拟合效果。吸附平衡实验表明,相较Langmuir等温吸附模型,Freundlich等温吸附模型能够更好地拟合Cr(Ⅵ)在我国典型土壤上的吸附特征。Cr(Ⅵ)土壤吸附过程的固-液分配系数(K_(d)x)非固定值,随着平衡液Cr(Ⅵ)浓度的增大,K_(d)x逐渐减小。解吸平衡实验表明,Cr(Ⅵ)土壤解吸过程的固-液分配系数(K_(d)j)高于吸附过程的对应值。基于三相平衡估算土壤平衡液Cr(Ⅵ)浓度时应采用K_(d)j,且其取值因平衡液Cr(Ⅵ)浓度而异。基于污染土壤与地下水直接接触且不存在地下水稀释的保守假设条件,本研究初步提出了保护地下水的不同土壤的Cr(Ⅵ)环境基准值,研究结果丰富了我国典型土壤Cr(Ⅵ)基础参数数据库,为我国分区制定保护地下水的土壤Cr(Ⅵ)环境基准积累了科学数据。

CO_(2)-水-岩相互作用对CO_(2)地质封存体物性影响研究进展及展望

CO_(2)-水-岩相互作用是CO_(2)地质封存的核心问题,CO_(2)的注入打破了岩石-地层水化学平衡,引发的地层水化学性质改变、原生矿物溶蚀和次生矿物沉淀,会导致储层和盖层岩石孔隙度、润湿性、力学性质等物性变化并进而影响CO_(2)的注入能力、封存效率以及封存安全性与稳定性。从CO_(2)-水-岩相互作用机制出发,系统阐述了CO_(2)-水-岩相互作用对地层岩石孔隙度、渗透率、润湿性、力学性质的影响研究进展。研究表明,CO_(2)-水-岩相互作用导致岩石孔隙度和渗透率的变化与其初始孔渗特征和矿物组成密切相关,岩石孔渗特征的改变直接影响储层的注入能力与封存潜力和盖层的封闭能力。润湿性的变化与初始亲水亲油特征有关,CO_(2)-水-岩相互作用通常会减弱亲水岩石而增强亲油岩石的水润湿性,进而影响多相流体在岩石孔隙中的微观分布与渗流特征。由于胶结物溶蚀以及溶蚀孔的形成,CO_(2)-水-岩相互作用会引起岩石损伤,抗压强度、抗拉强度、弹性模量等力学参数减小,一定程度上影响封存安全性。碳中和背景下,微纳米尺度孔隙、深地微生物介导、非纯CO_(2)或工业尾气注入、封存全周期等情景下的CO_(2)-水-岩相互作用及岩石物性响应仍有待深入研究。

水-岩相互作用下华南红层软岩力学特性

为研究红层软岩的水-岩相互作用,开展了不同含水率红层软岩的三轴压缩试验,分析了含水率对力学特性、破坏形式、微观结构和损伤机制的影响,构建了含水红层软岩的统计损伤本构模型。研究结果表明:随含水率的升高,红层软岩的峰值应变呈线性递增,峰值强度和弹性模量分别呈线性和指数函数递减;含水率对红层软岩的破坏模式产生明显影响,含水率较低时的破坏形式为剪切破坏,随着含水率的增加,破坏形式向剪切-张拉复合型破坏转变。在水-岩相互作用下,华南红层软岩的孔隙颗粒物相互吸附,形成片状结构;在饱水状态下,片状和鳞状结构进一步增多,整体结构变得更加松散破碎。考虑水-岩作用,引入损伤修正系数对本构模型进行改进,改进后的统计损伤本构模型计算结果与试验结果一致,能较好地描述水岩作用对红层软岩力学性质的影响。

砂岩储层中CO_2-地层水-岩石的相互作用

利用高温高压反应釜模拟不同温度条件下CO2-地层水-砂岩间的相互作用,并观察反应前后样品形貌、分析质量和比表面积的变化,讨论反应液pH和各离子浓度的变化原因,进一步阐明CO2-地层水-砂岩相互作用过程中矿物的溶解和沉淀机制。研究结果表明,超临界CO2注入后,随着温度的升高,砂岩中可溶矿物(长石类)的溶蚀作用加剧;样品表面和孔隙中均有新物质生成,主要矿物为石英、高岭石、绿泥石和一些未知的含"C"硅铝酸盐。

CO_2-水-方解石相互作用后岩石表观形貌及渗透率变化特征

将CO_2注入地下油藏用于驱替原油是减少温室气体的排放及提高原油采收率的一种有效方法。CO_2注入地层后会与地层流体和岩石发生反应,其中岩石组成中的碳酸盐矿物极易与CO_2和水发生反应导致储层岩石物性发生改变。论文以方解石为代表样品,采用X射线衍射仪(XRD),电诱导双等离子体原子排放光谱测定仪(ICP-AES),扫描电镜(SEM)及在5 MPa压力下填砂模型的试验方法进行评价,分别考察了方解石的矿物学性质、CO_2-水-方解石反应前后方解石的表面物性、反应前后溶液的离子浓度变化及方解石填砂模型与CO_2、水反应后渗透率的变化。实验结果表明,与CO_2和水反应后,方解石出现溶蚀现象;反应压力增加,方解石溶蚀现象增加,反应后溶液中Ca^(2+)、HCO_3^-浓度增加;反应温度增加,方解石溶蚀现象增加,反应后溶液中Ca^(2+)、HCO_3^-浓度先增加,后降低;与CO_2和水反应后的方解石/石英砂填砂模型水测渗透率增加。

湘赣边中新生代走滑断裂带的流体-岩石相互作用──以长寿街-双牌断裂和遂川-热水断裂为例

湘赣边地区自晚三叠世开始进入了全新的陆内走滑造山作用阶段，并经历了从会聚走滑向离散走滑的构造性质转换，野外地质调查、显微构造研究、流体包裹体和构造岩岩石化学分析资料均表明，走滑断裂带内有大量的流体活动，且不同变形时期及同一变形期不同变形环境的流体作用及其形成的主要构造特征均有很大差异，对变形岩石的成分变异和体积变化计算结果显示，走得变形过程中的流体（质量）／岩石（体积）比率可达105g／m3量级，这种大规模的流体活动对区域热液铀成矿具有重要的作用.

CO_2-岩石-地层水相互作用实验

为研究温室气体CO2埋存及提高采收率注入过程对储层物性的影响,在室内开展了CO2-岩石-地层水相互作用的静态和动态实验。主要研究了饱和CO2地层水注入对储层岩石矿物的溶蚀作用、新矿物沉淀现象、地层水矿化度的变化情况以及储层渗透率的变化原因。结果表明:1)静态实验反应液中HCO-3与岩石反应,出现CO32-液体呈弱酸性,黄铁矿导致Fe(OH)3沉淀生成;2)动态实验驱替过程中同时存在CO2的溶蚀作用和沉淀作用,沉淀作用较强,溶蚀作用较弱使得物性变差。该研究成果揭示了CO2-地层水-岩石的相互作用机理和储层渗透率变化的原因,为温室气体CO2规模化捕集与封存以及资源化利用提供了地球化学依据。

中国东部壳-幔、岩石圈-软流圈之间的相互作用带:特征及转换时限

中国东部中—新生代,下部岩石圈存在壳与幔、岩石圈与软流圈两个相互作用带,它们是重要的岩浆源区,在层圈相互作用中,热和物质的交换及其动力学过程是引起中、新生代岩石圈内部层圈间的厚度调整、岩石圈不均匀减薄以及区域构造-岩浆-成矿作用的重要机理。大陆内部的壳-幔作用有3种类型:地幔来源的底侵熔体与下地壳的作用;下地壳拆沉进入弱化(weakening)了的岩石圈地幔二者发生的作用以及陆-陆碰撞深俯冲带的壳-幔相互作用。它们形成的火山岩组合有一定的差别,但源区都含有地壳组分。岩石圈-软流圈的作用带也是重要的岩浆源区,源区是以软流圈地幔为主,基本不含地壳组分。东部岩石圈的减薄时间大体与出现大规模软流圈来源的玄武岩喷发的时间一致,也与上述两类层圈作用转换的时间一致,大约在100Ma以后。

采动岩体裂隙自修复的水-CO2-岩相互作用试验研究

采动破坏岩体易与采空区水、气发生一系列物理化学作用,促使裂隙发生导水能力降低的自修复现象;研究揭示导水裂隙的自修复机理对于科学评价地下水生态恢复能力、合理制定裂隙限流的保水采煤对策等具有重要的指导意义。基于砂质泥岩裂隙岩样在酸性和碱性水溶液条件下的水-CO2-岩相互作用实验,揭示了裂隙在黏土矿物遇水膨胀以及次生矿物或沉淀物充填作用下的自修复机理和规律。结果表明:无论酸性或碱性水溶液条件,裂隙均具备自修复能力,但酸性水溶液条件下的自修复效果更好。裂隙自修复过程中存在渗透率“先快后慢”的分区特征;首先出现以裂隙面黏土矿物遇水膨胀作用为主引起的渗透率快速下降现象,其下降速度在碱性水条件下更快;其次随着时间的累积,裂隙面岩石矿物溶解、溶蚀形成的离子与水溶液中的阴阳离子、游离CO2发生离子交换化学反应,引起高岭石等衍生矿物或Fe(OH)3等沉淀物的生成,这些新的物质在裂隙面逐渐吸附堆积,不断降低裂隙的导水能力。由于实验砂质泥岩中铝硅酸盐矿物含量偏低,无法充分消耗加大通入量的CO2,导致多余的CO2会以碳酸的形式对裂隙面矿物形成溶蚀作用,从而引起裂隙开度及其水渗流能力的提高,表现出对裂隙岩石自修复进程的阻滞作用。

滑坡灾害孕育—激发过程中的水-岩相互作用

降雨造成的地下水与斜坡岩土体之间的复杂作用———水 -岩相互作用不仅是滑坡灾害的主要激发因素,它在滑坡孕育过程中也发挥着重要作用。以往的相关研究主要集中在与滑坡激发有关的空隙水压力、基于空隙水压力效应的滑坡临界降雨量、地下水富集斜坡的稳定性评价、水 -力耦合及地下水对岩石的软化效应等方面。孕育过程在滑坡研究中居于重要的基础性地位。以流-固耦合等理论为基础对岩体进行时效变形预测,对于斜坡演化研究是重要的,但是,由于大多数滑坡的孕育都是在近地表的侵蚀性地球化学环境中进行的,与深埋地下空间的开挖问题存在明显区别。作为水 -岩相互作用主要类型之一的水-岩化学作用是造成这种差别的主要因素。深入开展滑坡灾害孕育过程中的水-岩化学作用研究不仅对斜坡维护、加固及滑坡预报是重要的,而且可以促进水-力双重耦合、水-热-力及水-热-力-化学多重耦合等复杂理论的发展。

山西柳林泉域水-岩相互作用地球化学模拟

简述了反向地球化学模拟软件ＮＥＴＰＡＴＨ２．０的结构及功能，并用其成功地模拟了山西省柳林泉域岩溶地下水系统中的水－岩相互作用，定量评价了岩溶地下水在地表水渗漏的影响下经历的地球化学作用及不同流径地下水的混合比例．

松辽盆地十屋断陷流体-岩石相互作用

根据松辽盆地十屋断陷199个水化学分析测试数据,探讨该区地层水化学特征所反映的成岩作用过程,以揭示水化学特征的分布以及演化过程,示踪流体-岩石相互作用过程.水化学的空间分布特征受流体动力场控制:大气降水沿盆地的边缘及断层复杂的中央隆起带下渗,导致该地区盐度降低(小于4.5g/L),向盆地中心盐度逐渐增加到7～10g/L;垂向明显分为3个带:自由交替带(0～1250m深度)为NaHCO3型流体,交替阻滞带(1250～1650m深度)为Na2SO4型流体,交替停滞带(深于1650m)为CaCl2型流体.水化学的时间演化过程受流体-岩石相互作用的控制:地层水中Cl-与HCO3-和Na++K+与Ca2+的关系表明,地层水早期为富含HCO3-的低盐度流体,含钠矿物与碳酸盐矿物的溶解导致了流体中各种离子及盐度的增高,随后的钠长石化作用导致流体中富集Ca2+而Na+亏损,形成CaCl2型流体.十屋断陷水化学特征所反映的流体-岩石相互作用过程得到了其它地质观察的佐证.

CO_2-水-岩相互作用对盖层渗透率影响的数值模拟

针对我国江汉盆地深部含水层的基础地质和水文地质条件,运用国际先进的反应溶质运移数值模拟软件TOUGHRE-ACT建立垂向一维模型,探索研究了CO2进入盖层后,CO2-水-岩相互作用对盖层渗透率的影响。模拟结果表明,CO2进入盖层后,会使pH值降低,导致矿物组分和渗透率的变化。模拟5 000a后,盖层底部和顶部渗透率分别增加了10%和6.7%,主要是由石膏在该处的溶解以及菱镁矿未能沉淀造成的;盖层中部渗透率降低了约6.7%,主要是因为铁白云石和菱镁矿在后期发生了沉淀;绿泥石的溶解为铁白云石和菱镁矿的沉淀提供了必要的Mg2+和Fe2+离子来源,对盖层渗透率的变化起到了至关重要的作用。

增强地热系统热储层-盐水-CO_2相互作用

增强型地热系统(EGS)是采用人工形成地热储层的方法,从低渗透性岩体中经济地采出深层热能的人工地热系统。以CO2为载热流体的增强地热能系统(CO2-EGS)是实现CO2减排和深部地热资源开发的有效手段,系统运行时的水-岩-气相互作用对热储层孔渗特征有着重要影响,最终会影响储层的产热能力。笔者利用高温高压反应釜模拟CO2-EGS高温下的热储层-盐水-CO2的相互作用,通过对实验中反应液离子成分变化和岩样扫描电镜进行分析,结果表明:实验后的钾长石和方解石出现溶解现象,且方解石溶蚀剧烈;岩样表面出现极少量次生方解石和钠长石,并有新矿物析出,其主要组成元素为C、O、Si、Fe,为菱铁矿的中间产物。通过TOUGHREACT建立反应性溶质运移模型,模拟上述实验的化学反应过程,模拟结果和实验数据拟合较好。该研究可为CO2-EGS的水-岩-气作用机制提供地球化学数据。