地学前缘 ›› 2021, Vol. 28 ›› Issue (5): 79-89.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.9
彭子琪(), 马腾*(
), 刘妍君, 陈娟, 邱文凯, 刘锐
收稿日期:
2020-04-10
修回日期:
2020-08-20
出版日期:
2021-09-25
发布日期:
2021-10-29
通信作者:
马腾
作者简介:
彭子琪(1997—),女,硕士研究生,水文地质学专业,主要从事低渗透介质水岩相互作用的研究工作。E-mail: pengziqi@cug.edu.cn
基金资助:
PENG Ziqi(), MA Teng*(
), LIU Yanjun, CHEN Juan, QIU Wenkai, LIU Rui
Received:
2020-04-10
Revised:
2020-08-20
Online:
2021-09-25
Published:
2021-10-29
Contact:
MA Teng
摘要:
C、N、S、Fe是地下水中控制氧化-还原反应的主要元素,淤泥是黏土的演化初期,淤泥演化为黏土过程中会影响含水层水量水质,可能会造成地下水污染;其中的水岩相互作用可以概化为C-N-S-Fe-H2O体系的相互作用。淤泥演化过程的实质是淤泥在压力的作用下孔隙度不断变小,逐渐固结成岩;淤泥内部不断发生生物地球化学反应,C-N-S-Fe-H2O体系驱动各种物质的形态结构不断发生改变,其中加压速率和加压模式会影响淤泥里的C、N、S、Fe重要组分固液相的转化。本研究运用自主研发设计的增压装置,探究在3种加压速率(0.04 MPa/12 h、0.04 MPa/24 h、0.04 MPa/36 h)和加压模式(0.040.02 MPa/12 h、0.04 MPa/12 h、0.040.06 MPa/12 h)的情况下,固体介质中C、N、S、Fe向孔隙水释放的规律。结果表明:(1)匀速加压速率越慢,加压初期溶解性有机碳(DOC)、
中图分类号:
彭子琪, 马腾, 刘妍君, 陈娟, 邱文凯, 刘锐. 压力对淤泥中C-N-S-Fe-H2O体系的影响[J]. 地学前缘, 2021, 28(5): 79-89.
PENG Ziqi, MA Teng, LIU Yanjun, CHEN Juan, QIU Wenkai, LIU Rui. Effect of pressure on C-N-S-Fe-H2O system in sil[J]. Earth Science Frontiers, 2021, 28(5): 79-89.
图2 0.04 MPa/12 h加压模式下孔隙水中K+、Ca2+、Na2+和Mg2+浓度与Eh变化情况
Fig.2 Change of K+, Ca2+, Na2+, Mg2+ concentration and Eh in pore water under 0.04 MPa/12 h pressurization
指标 | 各指标间相关系数 | |||
---|---|---|---|---|
DOC | | | Fe2+ | |
DOC | 1 | 0.596 | 0.975** | 0.184 |
| 0.596 | 1 | 0.988* | 0.387** |
| 0.975** | 0.988* | 1 | 0.806 |
Fe2+ | 0.184 | 0.387** | 0.806 | 1 |
表1 0.04 MPa/12 h加压条件下DOC、 NO 3 -、S O 4 2 -、Fe2+之间的相关性
Table 1 DOC, NO 3 -, S O 4 2 -, Fe2+ correlations under 0.04 MPa/12 h pressurization
指标 | 各指标间相关系数 | |||
---|---|---|---|---|
DOC | | | Fe2+ | |
DOC | 1 | 0.596 | 0.975** | 0.184 |
| 0.596 | 1 | 0.988* | 0.387** |
| 0.975** | 0.988* | 1 | 0.806 |
Fe2+ | 0.184 | 0.387** | 0.806 | 1 |
指标 | 各指标间相关系数 | |||
---|---|---|---|---|
DOC | | | Fe2+ | |
DOC | 1 | 0.489** | 0.869** | 0.573** |
| 0.489** | 1 | 0.861** | 0.198 |
| 0.869** | 0.861** | 1 | 0.589** |
Fe2+ | 0.573** | 0.198 | 0.589** | 1 |
表2 0.04 MPa/24 h加压条件下DOC、 NO 3 -、S O 4 2 -、Fe2+之间的相关性
Table 2 DOC, NO 3 -, S O 4 2 -, Fe2+correlations under 0.04 MPa/24 h pressurization
指标 | 各指标间相关系数 | |||
---|---|---|---|---|
DOC | | | Fe2+ | |
DOC | 1 | 0.489** | 0.869** | 0.573** |
| 0.489** | 1 | 0.861** | 0.198 |
| 0.869** | 0.861** | 1 | 0.589** |
Fe2+ | 0.573** | 0.198 | 0.589** | 1 |
指标 | 各指标间相关系数 | |||
---|---|---|---|---|
DOC | | | Fe2+ | |
DOC | 1 | 0.269 | 0.635** | 0.049 |
| 0.269 | 1 | 0.041 | 0.376 |
| 0.635** | 0.041 | 1 | 0.085 |
Fe2+ | 0.049 | 0.376 | 0.085 | 1 |
表3 0.04 MPa/36 h加压条件下DOC、 NO 3 -、S O 4 2 -、Fe2+之间的相关性
Table 3 DOC, NO 3 -, S O 4 2 -, Fe2+correlations under 0.04 MPa/36 h pressurization
指标 | 各指标间相关系数 | |||
---|---|---|---|---|
DOC | | | Fe2+ | |
DOC | 1 | 0.269 | 0.635** | 0.049 |
| 0.269 | 1 | 0.041 | 0.376 |
| 0.635** | 0.041 | 1 | 0.085 |
Fe2+ | 0.049 | 0.376 | 0.085 | 1 |
指标 | 各指标间相关系数 | |||
---|---|---|---|---|
DOC | | | Fe2+ | |
DOC | 1 | 0.206 | 0.906** | 0.595* |
| 0.206 | 1 | 0.241 | 0.604* |
| 0.906** | 0.241 | 1 | 0.783** |
Fe2+ | 0.595* | 0.604* | 0.783** | 1 |
表4 0.040.06 MPa/12 h加压条件下DOC、 NO 3 -、S O 4 2 -、Fe2+之间的相关性
Table 4 DOC, NO 3 -, S O 4 2 -, Fe2+correlations under 0.04-0.06 MPa/12 h pressurization
指标 | 各指标间相关系数 | |||
---|---|---|---|---|
DOC | | | Fe2+ | |
DOC | 1 | 0.206 | 0.906** | 0.595* |
| 0.206 | 1 | 0.241 | 0.604* |
| 0.906** | 0.241 | 1 | 0.783** |
Fe2+ | 0.595* | 0.604* | 0.783** | 1 |
指标 | 各指标间相关系数 | |||
---|---|---|---|---|
DOC | | | Fe2+ | |
DOC | 1 | 0.817** | 0.804** | 0.517** |
| 0.817** | 1 | 0.808** | 0.324 |
| 0.804** | 0.808** | 1 | 0.364 |
Fe2+ | 0.517** | 0.324 | 0.364 | 1 |
表5 0.040.02 MPa/12 h加压条件下DOC、 NO 3 -、S O 4 2 -、Fe2+之间的相关性
Table 5 DOC, NO 3 -, S O 4 2 -, Fe2+correlations under 0.04-0.02 MPa/12 h pressurization
指标 | 各指标间相关系数 | |||
---|---|---|---|---|
DOC | | | Fe2+ | |
DOC | 1 | 0.817** | 0.804** | 0.517** |
| 0.817** | 1 | 0.808** | 0.324 |
| 0.804** | 0.808** | 1 | 0.364 |
Fe2+ | 0.517** | 0.324 | 0.364 | 1 |
[1] |
HUNTER K S, WANG Y F, VAN CAPPELLEN P V . Kinetic modeling of microbially-driven redox chemistry of subsurface environments: coupling transport, microbial metabolism and geochemistry[J]. Journal of Hydrology, 1998, 209(1/2/3/4):53-80.
DOI URL |
[2] |
MYERS C R, NEALSON K H. Microbial reduction of manganese oxides: interactions with iron and sulfur[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1988, 52(11):2727-2732.
DOI URL |
[3] | 罗莎莎, 万国江. 云贵高原湖泊沉积物: 水界面铁、锰、硫体系的研究进展[J]. 地质地球化学, 1999, 27(3):47-52. |
[4] | 朱茂旭, 史晓宁, 杨桂朋, 等. 海洋沉积物中有机质早期成岩矿化路径及其相对贡献[J]. 地球科学进展, 2011, 26(4):355-364. |
[5] | 邓通初. 黑臭河涌沉积物中硝酸盐还原硫氧化微生物氮硫共去除特性[D]. 南昌: 江西农业大学, 2015. |
[6] | 李学刚, 宋金明. 海洋沉积物中碳的来源、迁移和转化[G]//海洋科学集刊. 北京: 科学出版社, 2004: 106-117. |
[7] | 何永胜, 胡东平, 朱传卫. 地球科学中铁同位素研究进展[J]. 地学前缘, 2015, 22(5):54-71. |
[8] |
HUERTA-DIAZ M A, MORSE J W. A quantitative method for determination of trace metal concentrations in sedimentary pyrite[J]. Marine Chemistry, 1990, 29(2/3):119-144.
DOI URL |
[9] |
MORSE J W, LUTHER G W III . Chemical influences on trace metal-sulfide interactions in anoxic sediments[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1999, 63(19/20):3373-3378.
DOI URL |
[10] | 赵由之. 高原湖泊沉积物中硫形态分布与微生物地球化学行为[D]. 贵阳: 中国科学院地球化学研究所, 2006. |
[11] | 吴丰昌. 云贵高原湖泊沉积物和水体氮、磷和硫的生物地球化学作用和生态环境效应(摘要)[J]. 地质地球化学, 1996, 24(6):88-89. |
[12] | 邓峰煜. 长江口硝酸盐异化还原过程及其影响因素研究[D]. 上海: 华东师范大学, 2016. |
[13] |
BERG P, RISGAARD-PETERSEN N, RYSGAARD S. Interpretation of measured concentration profiles in sediment pore water[J]. Limnology and Oceanography, 1998, 43(7):1500-1510.
DOI URL |
[14] | 周志芳, 徐海洋. 一种实验确定弱透水层水文地质参数的原理与方法[J]. 水文地质工程地质, 2014, 41(5):1-4. |
[15] |
WANG Y X, MA T, RYZHENKO B N, et al. Model for the formation of arsenic contamination in groundwater.1. Datong Basin, China[J]. Geochemistry International, 2009, 47(7):713-724.
DOI URL |
[16] | WANG Y, JIAO J J, CHERRY J A, et al. Contribution of the aquitard to the regional groundwater hydrochemistry of the underlying confined aquifer in the Pearl River Delta, China[J]. Science of the Total Environment, 2013, 461/462:663-671. |
[17] | LIU Y J, MA T, CHEN J, et al. Contribution of clay-aquitard to aquifer iron concentrations and water quality[J]. Science of the Total Environment, 2020, 741:140061. |
[18] |
POLIZZOTTO M L, KOCAR B D, BENNER S G, et al. Near-surface wetland sediments as a source of arsenic release to ground water in Asia[J]. Nature, 2008, 454(7203):505-508.
DOI URL |
[19] |
MIHAJLOV I, MOZUMDER M R, BOSTICK B C, et al. Arsenic contamination of Bangladesh aquifers exacerbated by clay layers[J]. Nature Communications, 2020, 11(1):2244.
DOI URL |
[20] |
SMITH R, KNIGHT R, FENDORF S. Over pumping leads to California groundwater arsenic threat[J]. Nature Communications, 2018, 9:2089.
DOI URL |
[21] |
MAZUREK M, OYAMA T, WERSIN P, et al. Pore-water squeezing from indurated shales[J]. Chemical Geology, 2015, 400:106-121.
DOI URL |
[22] |
OKIONGBO K S, AKPOFURE E. Hydrogeophysical characterization of shallow unconsolidated alluvial aquifer in yenagoa and environs, southern Nigeria[J]. Arabian Journal for Science and Engineering, 2016, 41(6):2261-2270.
DOI URL |
[23] |
MAZUREK M, ALT-EPPING P, BATH A, et al. Natural tracer profiles across argillaceous formations[J]. Applied Geochemistry, 2011, 26(7):1035-1064.
DOI URL |
[24] |
HENDRY M J, WASSENAAR L I. Transport and geochemical controls on the distribution of solutes and stable isotopes in a thick clay-rich till aquitard, Canada[J]. Isotopes in Environmental and Health Studies, 2004, 40(1):3-19.
DOI URL |
[25] |
SCHAEFER M V, GUO X X, GAN Y Q, et al. Redox controls on arsenic enrichment and release from aquifer sediments in central Yangtze River Basin[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2017, 204:104-119.
DOI URL |
[26] | ERBAN L E, GORELICK S M, ZEBKER H A, et al. Release of arsenic to deep groundwater in the Mekong Delta, Vietnam, linked to pumping-induced land subsidence[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2013, 110(34):13751-13756. |
[27] | THAMDRUP B. Bacterial manganese and iron reduction in aquatic sediments[J]. Advances in Microbial Ecology, 2000, 16:41-84. |
[28] |
HENDRY M J, SCHWARTZ F W. An alternative view on the origin of chemical and isotopic patterns in groundwater from the Milk River Aquifer, Canada[J]. Water Resources Research, 1988, 24(10):1747-1763.
DOI URL |
[29] |
LIU Y J, MA T, DU Y. Compaction of muddy sediment and its significance to groundwater chemistry[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2017, 17:392-395.
DOI URL |
[30] | 陈娟, 马腾, 刘妍君, 等. 不同压力条件下淤泥中铵氮的释放特性[J]. 安全与环境工程, 2020, 27(4):110-120. |
[31] | 周俊丽. 长江口湿地生态系统中有机质的生物地球化学过程研究: 以崇明东滩为例[D]. 上海: 华东师范大学, 2005. |
[1] | 赵侃, 沈健, 蔡芸, 赵苏民. 砂岩热储回灌难点识别与应对措施探讨[J]. 地学前缘, 2024, 31(6): 196-203. |
[2] | 高键, 李慧莉, 何治亮, 蔡勋育, 李双建, 刘光祥, 袁玉松, 林娟华, 李智. 川东南平桥地区寒武系洗象池群多元复合成藏过程及其勘探启示[J]. 地学前缘, 2023, 30(6): 263-276. |
[3] | 孙志文, 贾永刚, 权永峥, 郭秀军, 刘涛, 孟庆生, 孙中强, 李凯, 范智涵, 陈天, 唐浩儒. 复杂深海工程地质原位长期监测系统研发与应用[J]. 地学前缘, 2022, 29(5): 216-228. |
[4] | 陈天, 贾永刚, 刘涛, 刘晓磊, 单红仙, 孙中强. 海底沉积物孔隙压力原位长期观测技术回顾和展望[J]. 地学前缘, 2022, 29(5): 229-245. |
[5] | 井翠, 郝龙, 张婧, 邓夏, 於文辉. 四川盆地五峰组—龙马溪组异常地层压力成因与广义泊松比预测方法:以长宁地区为例[J]. 地学前缘, 2021, 28(1): 402-410. |
[6] | 申俊峰, 李胜荣, 徐渴鑫, 王业晗, 张士全, 许元全, 何泽宇, 迟雷, 吴晋超. 辽西赤峰—朝阳金矿带早白垩世以来的隆升剥蚀及启示意义[J]. 地学前缘, 2020, 27(5): 151-170. |
[7] | 孙春岩,赵浩,贺会策,张志冰,竺玮煌,孙逊,尹文斌,凌帆. 海洋底水原位探测技术与中国南海天然气水合物勘探[J]. 地学前缘, 2017, 24(6): 225-241. |
[8] | 覃小丽,李荣西,杨玲,董树文,何为,杨清宇. 大巴山陆内造山带高压古流体及其运移动力学机制研究[J]. 地学前缘, 2017, 24(2): 123-129. |
[9] | 吕古贤,胡宝群,罗毅甜,刘瑞珣,王方正,刘智方. 大别—苏鲁高压超高压变质带的“构造增压壳内成因”研究[J]. 地学前缘, 2017, 24(2): 40-53. |
[10] | 周永胜,何昌荣. 地质学中的压力与深度关系讨论: 颗粒尺度压力差到岩石圈构造超压研究新进展[J]. 地学前缘, 2017, 24(2): 23-30. |
[11] | 刘瑞珣,吕古贤,任剑成,王宗永. 地下岩石构造力复合重力的压力状态分析[J]. 地学前缘, 2017, 24(2): 16-22. |
[12] | 吕古贤,胡宝群,罗毅甜,刘瑞珣,王方正,李勃辉,王宗永. 地壳深部“重力构造力复合压力状态”研究和大别—苏鲁超高压变质形成深度的测算[J]. 地学前缘, 2017, 24(2): 1-15. |
[13] | 瞿雪姣,杨立伟,薛璇,高有峰,王璞珺. 松辽盆地白垩系大陆科学钻探松科2井:井底温度、地层压力预测[J]. 地学前缘, 2017, 24(1): 257-264. |
[14] | 覃小丽, 李荣西, 董树文, 刘海青. 大巴山陆内造山带构造流体及其形成条件研究[J]. 地学前缘, 2016, 23(4): 183-189. |
[15] | 刘洪林, 王红岩, 方朝合, 郭为, 孙莎莎. 中国南方海相页岩气超压机制及选区指标研究[J]. 地学前缘, 2016, 23(2): 48-54. |
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