地学前缘

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”地下水污染与修复“主题专辑目次

2021, 28(5): 0-0.

摘要 ( 456 )

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宿州矿区浅层地下水污染评价及源解析

赵卫东, 赵芦, 龚建师, 周文怡, 钱家忠

2021, 28(5): 1-14.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.8

摘要 ( 462 )

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宿州矿区由于长期煤炭开采,不仅形成了浅层地下水降落漏斗,而且造成了不同程度的地下水污染,其污染现状及主要形成原因尚不清楚。为此,本文利用研究区水土污染调查获取的21个地下水样品的 $NO 3 -$ 等13项污染指标开展地下水污染源解析工作。在采用改进内梅罗综合污染指数法对研究区浅层地下水环境质量进行评价的基础上,利用因子分析和反距离权重插值方法对研究区浅层地下水进行污染源及空间分布特征解析。研究结果表明:(1)研究区浅层地下水受到了重度污染,以Ⅳ类水为主,污染较严重的指标为 $NO 3 -$ 、Mn、Fe和F^-。(2)研究区浅层地下水主要包括4个污染源:原生地质环境(F1),其高值区分布在桃园煤矿及其周边;矿坑排水和矸石山淋溶作用下形成的矿业废水(F2),其在桃园和钱营孜煤矿及其周边地区污染较为严重,其余矿区也存在一定程度的矿业废水污染;由生活垃圾、人畜排泄物造成的农村污水(F3),其污染地区主要为朱仙庄和芦岭煤矿一带; 由化肥施用引起的农业污染(F4), 其高值区集中在朱仙庄煤矿及其周边区域。地下水水质的主要影响因素是浅层地下水原生地质环境和矿业废水,其中约有51.040%的污染来源于原生地质环境及煤矿矿业污染的混合污染,约有11.841%的污染来自煤矿矿业废水,其余污染主要来源于农村生活和生产污水以及农业面源污染。(3)研究区浅层地下水主要污染区域为桃园和钱营孜煤矿一带,祁南和祁东煤矿污染相对较轻,朱仙庄和芦岭煤矿水质较好。(4)建议对矿区地下水主要污染源及污染途径进行综合防治:加强矿坑排水口的污水达标排放监管力度;煤矿企业采用生产建筑材料等方法提高矸石的综合利用率;进一步加强与矿区污水、垃圾填埋处理等相关的基础设施建设。

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基于“层级阶梯评价方法”的地下水质量与污染评价:以铜川市为例

解飞, 张玉玺, 刘景涛, 周冰, 向小平

2021, 28(5): 15-25.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.5

摘要 ( 504 )

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掌握区域地下水质量及污染状况,对于地下水污染防治、地下水资源保护与管理具有重要作用,尤其是对西部内陆干旱区地下水资源尤为重要。本研究针对陕西铜川市地下水进行了系统采样,通过分析常规指标、无机毒理指标、微量有机指标,利用“层级阶梯评价方法”进行了地下水质量与污染评价。水质评价表明,2011年铜川市浅层水水质相对较差,可作为饮用水源或经适当处理后可做饮用水源的样品占样品总数的60%,不宜作为生活饮用水源的样品占40%。浅层水质量受天然背景和人类活动的共同影响,主要影响指标为总硬度、 $NO 3 -$ 、TDS、Mg²⁺、 $SO 4 2 -$ ;深层水水质相对较好,所有采样点均可作为饮用水源。深层水主要受天然背景影响,主要影响指标为Fe。污染评价表明,浅层水污染等级为1级、2级、3级、4级的样品分别占样品总数的44%、16%、32%、8%,污染主要分布在金锁关以南至川口以北的漆水河河谷地带;而深层水污染等级全部为1级,尚未受到人类污染影响。相比其他评价方法,层级阶梯评价法在区分天然背景和污染对地下水水质影响方面具有明显优势,结合区域背景分析和现场调查认识,能够成为科学掌握地下水水质及污染状况的有效手段。

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中国典型有机污染场地土层岩性和污染物特征分析

朱辉, 叶淑君, 吴吉春, 徐海珍

2021, 28(5): 26-34.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.15

摘要 ( 596 )

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目前我国存在大量待修复场地,其分布具有一定的规律性和区域性,场地地层系统结构复杂、渗透性空间异质性显著,污染物种类复杂。总结场地典型土层结构和典型污染物有助于有针对性地开展修复技术的研发。为此,本文收集并整理了全国136处有机污染场地相关资料,对其地域性、地层及污染物特征总结如下:目前我国已经开展调查与修复的有机污染场地主要集中在京津冀和沪宁杭地区;有机污染场地土层基本都含有黏土等低渗透介质,而且都具有非均质性,其中67%场地土层有强非均质性;沪宁杭地区场地土层渗透性总体低于京津冀和辽中南地区,此外我国京津冀和辽中南地区场地调查深度(20.3 m)总体大于沪宁杭地区(12.8 m);我国有机污染场地地下水中最常见的有机污染物种类为氯代溶剂,依次为氯代烷烃类(场地数量占比84%)、氯代苯类(场地数量占比46%)和氯代烯烃类(场地数量占比33%);最常见的3种氯代溶剂依次为二氯乙烷、一氯苯和三氯甲烷。

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汉江下游河流渗滤系统原生劣质地下水分布特征及影响因素研究

韩志慧, 马腾, 沈帅, 杜尧, 武显仓, 刘文辉

2021, 28(5): 35-48.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.12

摘要 ( 285 )

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江汉平原原生劣质地下水问题日趋严重,地下水中砷、亚铁、锰、铵态氮含量严重超标,对居民生产生活和饮用水安全造成了不利影响,但相关研究仍较为薄弱。以汉江下游典型河流渗滤系统为研究对象,对研究区内距离汉江5 km及主要支流2 km范围内的地下水样品的水化学成分及原生劣质组分进行测试分析,旨在查明江汉下游河流渗滤系统原生劣质地下水的分布特征,并探讨其主要影响因素。结果显示:平面上,地下水原生劣质组分呈高度空间异质性,相邻的采样点浓度可能相差很大,极大值点多出现在河流拐弯处;垂向上,地下水中As、Fe²⁺、Mn、NH₄-N高值多出现在20 m左右的深度;强烈的还原环境、中性pH值和富含有机质是该层地下水富集原生劣质组分的主要原因;河流渗滤通过改变地下水的氧化还原条件、酸碱条件和有机质含量影响河流渗滤系统原生劣质地下水的分布。

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拉萨地区地下水水化学特征及形成机制研究

林聪业, 孙占学, 高柏, 华恩祥, 张海阳, 杨芬, 高杨, 蒋文波, 姜心月

2021, 28(5): 49-58.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.2

摘要 ( 393 )

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西藏是我国重要的生态安全屏障,拉萨地区地下水化学特征及形成机制研究,对揭示青藏高原现代表生过程变化机理具有重要作用,对服务国家生态安全建设具有重要意义。本文通过拉萨地区地下水调查、水样采集与分析,综合运用Gibbs模型模拟、水化学分析方法分析了地下水化学特征及水岩作用机理。结果表明:地下水电导率介于38.801 193.00 μS/cm,平均值为123.99 μS/cm,总溶解性固体(total dissolved solids,TDS)含量介于44.051 050.55 mg/L,平均值为150.75 mg/L,pH值大于7,属弱碱性水,地下水化学类型为HCO₃-Ca型和Cl-Na型,其中Cl-Na型水为地下温泉水。地下水形成过程主要是碳酸盐岩和硅酸盐岩的溶解、阳离子交换等作用下的结果,且受到一定程度的人为因素影响;地下水中的Na⁺、K⁺和Cl^-主要来自盐岩矿物的风化溶解,过量的Na⁺、K⁺来源于钠长石和钾长石等硅酸盐矿物的溶解, $HCO 3 -$ 、Ca²⁺、Mg²⁺和 $SO 4 2 -$ 主要来自方解石、白云石、石膏以及其他含钙镁矿物的溶解。

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黏性土弱透水层压实作用:原理、技术及其水文地质意义

刘妍君, 马腾, 杜尧, 刘锐

2021, 28(5): 59-67.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.10

摘要 ( 347 )

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弱透水层与含水层相互作用是国际水文地质学界关注的热点问题,特别是黏性土弱透水层与孔隙含水层的相互作用。近年来,在自然沉积、过量开采地下水、现代化农业机械与建筑业重型机械应用等自然与人为活动影响下,黏土弱透水层会发生有效应力增加、孔隙结构变形和孔隙度减少、渗透性降低、溶解氧和贮水能力减少以及侧向和垂向排水等的压实作用,导致地下水污染、地面沉降等环境问题的发生。本文重点介绍了黏性土弱透水层压实作用的原理,分析了地下水系统中4种不同状态下沉积物压实与孔隙流体压力的关系,基于压实物理模拟和数值模拟两个方面对压实作用的研究方法与技术进行了系统总结,随后探讨了压实作用下黏性土弱透水层对地下水水量与水质的影响,并对此研究的发展趋势及其在地球科学、环境科学等研究领域的潜在应用提出了展望。

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不同因素对砂岩含水层介质吸附铀的影响

惠淑君, 杨冰, 郭华明, 连国玺, 孙娟

2021, 28(5): 68-78.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.19

摘要 ( 251 )

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铀矿开采过程中及井场退役后,含铀浸出液的扩散会对地下水造成一定影响,该影响范围和程度决定了铀的天然衰减特征。本文以北方某地浸铀矿区砂岩含水介质为研究对象,研究了溶液化学特征和黄铁矿含量对砂岩吸附和转化铀的影响。结果表明,砂岩颗粒对U(VI)的吸附基本在12 h可达平衡。线性等温吸附模型可以很好地描述吸附特征;砂岩颗粒对U(VI)的吸附率总体随着粒径增大而减小,当岩石粒径增大到0.200.25 mm时,吸附率趋于稳定。溶液pH值是影响吸附的主要因素,通过控制溶液中U(VI)的络合形态和岩石颗粒表面带电荷情况,在库仑力的作用下促进或者抑制吸附,在pH=6时,达到最佳吸附状态。共存离子对U(VI)吸附的抑制程度是: $HCO 3 -$ >Ca²⁺>Mg²⁺> $SO 4 2 -$ 。 $HCO 3 -$ 主要通过与 $UO 2 2 +$ 络合形成带负电荷的络合阴离子抑制U(VI)吸附。近中性pH值试验条件下,黄铁矿含量的增加对U的去除起到显著的促进作用,这种促进作用体现在吸附和还原作用,被吸附的Fe²⁺在吸附剂表面通过电子转移还原吸附态的U(VI),还原产物是UO₂₊_x,吸附和还原是个相互促进的过程;在弱碱性pH值试验条件下,黄铁矿对U(VI)去除的影响不明显,水解沉淀作用和较低的吸附率抑制了还原反应的发生。

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压力对淤泥中C-N-S-Fe-H₂O体系的影响

彭子琪, 马腾, 刘妍君, 陈娟, 邱文凯, 刘锐

2021, 28(5): 79-89.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.9

摘要 ( 374 )

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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)、 $SO 4 2 -$ 释放速率越快, $NO 3 -$ 和Fe²⁺浓度变化增大;DOC、 $SO 4 2 -$ 、 $NO 3 -$ 、Fe²⁺释放总量越多。(2)不同的加压模式,加速加压(0.040.06 MPa/12 h)下 $NO 3 -$ 、Fe²⁺的浓度波动较大;DOC、 $NO 3 -$ 、 $SO 4 2 -$ 和Fe²⁺的总释放量为加速加压(0.040.06 MPa/12 h)大于匀速加压(0.04 MPa/12 h)。(3)加压过程中,DOC和 $SO 4 2 -$ 呈显著正相关,改变加压速率会改变DOC, $NO 3 -$ 、 $SO 4 2 -$ 和Fe²⁺的相关性。本研究表明改变加压速率和加压模式会对DOC、 $NO 3 -$ 、 $SO 4 2 -$ 和Fe²⁺的释放速率、释放总量和C、N、S、Fe的转化造成影响,其本质为氧化-还原反应和水岩相互作用的强弱发生了变化;本研究为地质演化过程中压力导致的主要元素变化提供了新的认识,认识到了隔水层会影响含水层的水质和水量,为原生劣质地下水的成因和地下水污染防治提供了新思路。

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基于多相流数值模拟的某石油污染场地地下水中VOCs自然衰减过程识别及能力评估

沈晓芳, 万玉玉, 王利刚, 苏小四, 董维红

2021, 28(5): 90-103.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.14

摘要 ( 312 )

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监测自然衰减(monitoring natural attenuation,MNA)技术是目前普遍认可的去除地下水中挥发性有机污染物(volatile organic compounds,VOCs)的技术。但受其修复周期长、监测费用昂贵等因素的影响,实地开展MNA技术修复污染场地具有一定的局限性。基于此,本研究运用多相流数值模拟手段识别了某石油污染场地内典型VOCs污染物(苯、甲苯、萘)在地下水中的自然衰减过程并评估了其自然衰减能力。结果表明:采用TMVOC所建立的多相流数值模拟模型能较好地预测和识别VOCs在地下水中的衰减规律;在研究区中,苯、甲苯和萘由于理化性质差异,在地下水中的污染羽分布特征不同,其自然衰减过程受挥发、吸附和生物降解作用的影响程度也不同;挥发和生物降解作用对VOCs自然衰减的影响程度均为苯>甲苯>萘,而吸附作用对VOCs自然衰减的影响程度为萘>甲苯>苯;在污染源被阻断的前提下,苯、甲苯和萘分别在泄漏发生7.0、6.5和6.0年后通过自然衰减达到理想去除效果。本文研究成果可以为水文地质条件类似的VOCs污染场地MNA修复方案的制定和修复效果评估提供理论支撑。

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浅层地下水中磺胺嘧啶与胡敏酸相互作用及相态间分布特征

段磊, 杨胜科, 王文科

2021, 28(5): 104-113.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.20

摘要 ( 250 )

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研究抗生素在浅层地下水中不同相态间的分布特征,对于了解抗生素的行为特征及评估其危害具有重要的意义。本文利用三维荧光淬灭法研究了胡敏酸(humic acid, HA)对磺胺嘧啶(sulfadiazine, SD)在地下水中不同相态间分布规律的影响及相互作用,探讨了HA浓度、pH值、温度对SD在不同相态间分布的影响,对淬灭过程进行拟合并计算了分配系数、淬灭参数以及热力学参数。结果表明:地下水中SD浓度(0.5 mg/L)较低时或者HA浓度增加(0~20 mg/L)时,HA可显著促进悬浮相中SD比例的增加;SD对HA的淬灭机理为形成复合物的单一静态淬灭,结合位点数均约为1,荧光淬灭常数K_sv为5.271×10³ L/mol,淬灭速率常数K_q为5.271×10¹¹ L/(mol·s),属于自发的放热过程;体系处于低温(15 ℃)、弱碱性(8~10)pH值环境时,SD对HA的淬灭作用最强,HA对SD进入悬浮相的促进作用最明显。

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三氯乙烯污染土壤的复电阻率特征和频谱参数研究

张振宇, 许伟伟, 邓亚平, 任静华, 施小清, 吴吉春

2021, 28(5): 114-124.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.4

摘要 ( 256 )

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复电阻率法(complex resistivity, CR)由于其对孔隙水化学性质、固-液界面和流体含量的敏感性已成为具有良好前景的污染物识别工具。本研究选取三氯乙烯(trichloroethylene, TCE)作为典型有机污染物,利用频谱激电仪对TCE污染土壤进行了复电阻率测量,讨论孔隙水盐度、水饱和度和土壤类型对污染土壤的复电阻率特征和频谱参数影响。试验结果表明:污染土样的复电阻率均随水饱和度的降低和孔隙水盐度的减小而增大;土壤黏土含量影响孔隙水连续性,当孔隙水出现不连续状态时,实部和虚部出现大幅度变化。总充电率M随着孔隙水盐度的增加而增加,随水饱和度的降低先减后增。黏土颗粒重排导致的比表面积减小使得总充电率M减小,双电层极化加强使总充电率M升高;平均弛豫时间常数随孔隙水盐度的升高而降低,二者呈对数相关,随水饱和度变化的主要原因为可极化孔隙尺寸的变化。本研究探讨了地球物理参数与水文地质参数间的关系,为SIP方法在实际有机污染场地调查与评估提供了理论依据。

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土壤含水层处理系统对再生水入渗过程中“三氮”去除的柱试验模拟

高珩, 谭行, 任宇, 朱乐诚, 毕二平

2021, 28(5): 125-135.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.7

摘要 ( 424 )

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土壤含水层处理系统(soil aquifer treatment,SAT)是一种重要的人工回灌地下水方式。以再生水为回灌水源时,水中含有的“三氮”可能会对回灌区地下水造成污染风险。研究各种因素对在SAT中去除再生水中“三氮”的影响具有重要意义。本研究中,通过高200 cm、内径50 cm土柱试验,研究了SAT系统中粒径、干湿比(落干期与淹水期的比值)、在系统表层增加生物炭及渗透流速对实际再生水“三氮”去除效果的影响。结果表明,在干湿比1∶1条件下,实际河道细砂和中细砂柱底部出水中NH₄-N平均去除率分别为73%和66%,去除机理主要为吸附和硝化作用,NO₂-N基本被去除。系统中硝化作用导致NO₃-N浓度升高,出水中NO₃-N浓度平均增长了3.0%4.1%。在深度115 cm以上, 中细砂柱内比细砂柱内的硝化作用更强,这导致了更高的NH₄-N去除率和更低的NO₃-N去除率。延长落干期后(干湿比3∶1),系统具有了更强的复氧能力,促进了硝化作用,使得NH₄-N的平均去除率提高了20%,而NO₃-N的降低了3%4%,增加了NO₃-N污染风险。在中细砂层添加5%重量生物炭后,吸附性能增强,使其对NH₄-N平均去除率增加了20%32%,但对NO₃-N影响不明显。渗透流速与NH₄-N的去除和NO₃-N的增加均呈负相关。综合分析可得出,影响SAT系统去除“三氮”的最主要因素是干湿比和渗透流速,在回补水源中NH₄-N浓度较高时,可考虑在SAT系统表层添加生物炭以增强其去除效果。

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土壤包气带强化反应层脱氮的控制因素与性能研究

孙昭玥, 郑西来, 郑天元, 栾永霞, 辛佳

2021, 28(5): 136-145.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.6

摘要 ( 414 )

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包气带作为防止地下水硝酸盐污染的天然屏障,其反硝化效果通常受到碳源的限制。针对地下水硝酸盐污染防治技术现状,本文采用Ca(OH)₂处理的玉米芯作为反硝化的碳源材料,构建包气带强化反应层,用响应曲面法研究硝酸盐浓度、含水量和温度的交互作用对脱氮性能影响,并用硝态氮去除率、亚硝态氮累积、pH值变化以及溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)淋失通量综合评价脱氮性能,最后采用高通量测序揭示脱氮层中微生物变化。研究结果表明:温度、含水量以及温度和含水量交互作用对硝态氮去除率影响显著,其中温度是反硝化过程中最关键的因素;系统运行74天后,硝态氮去除率达到50%,亚硝态氮累积量(以N计)大多低于3 mg/L,pH值维持在7.0左右,DOC淋失通量(以C计)介于0.10.2 mg/(cm²·d);高通量测序发现,脱氮层中微生物的丰富度降低,而与反硝化和碳分解有关的微生物相对丰度提高,在碳源的刺激下微生物向有利于脱氮的方向演变。

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微生物对地下水中萘的降解特性及动力学研究

张晟瑀, 张朦幻, 王利刚, 万玉玉

2021, 28(5): 146-158.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.18

摘要 ( 543 )

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针对我国东北某石油烃污染场地地下水中的萘污染,筛选出了Acinetobacter和Pseudomonas菌属的高效萘降解菌群。该菌群对萘的耐受性较高,且具有良好的乳化性,能够自动调节细胞表面疏水性和自聚集性。不同pH值、萘初始浓度、温度和菌接种量对萘降解效率的影响研究表明:最适菌群生长的pH范围为7.08.0;萘降解效率和速率在1.005.00 mg/L范围内与其初始浓度成正比;在1030 ℃温度范围内均表现出较高的萘降解效率。在此基础上,利用Guass、GuassAmp、LogNomal、Poisson和Pulse数学模型对萘的降解过程进行拟合,其降解速率更符合GuassAmp模型。通过将降解动力学模型中的常数与影响因素相关联,推导出了拟合度较高的多因素影响下的萘降解动力学方程。

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邻硝基对甲基苯酚和邻氨基对甲基苯酚对1,2,4-TCB厌氧生物降解影响研究

刘芷彤, 周妮, 乔文静, 叶淑君

2021, 28(5): 159-166.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.16

摘要 ( 314 )

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南京某化工厂生产邻硝基对甲基苯酚和邻氨基对甲基苯酚,场地调查和室内微宇宙实验研究发现该场地发生了1,2, 4-三氯苯(1,2,4-TCB)污染,且场地内天然发生着1,2,4-TCB的厌氧还原脱氯反应。为探究该场地地下水中邻硝基对甲基苯酚和邻氨基对甲基苯酚对1,2,4-TCB厌氧脱氯过程的影响,开展了3组微宇宙实验:(1)底物仅为1,2,4-TCB, (2)底物为1,2,4-TCB和邻氨基对甲基苯酚,(3)底物为1,2,4-TCB和邻硝基对甲基苯酚。对比了3种不同底物条件下1,2,4-TCB的降解过程、降解速率及微生物群落结构。实验结果表明:(1) 邻硝基对甲基苯酚在厌氧条件下还原生成邻氨基对甲基苯酚, 同时抑制1,2,4-三氯苯厌氧生物降解;最终1,2,4-TCB降解产物只有1,4-DCB。(2)邻氨基对甲基苯酚不会阻碍1,2,4-TCB的降解,但会降低降解速率。(3) Azospira和Pseudomonas与邻硝基对甲基苯酚还原反应有关,尤其是Pseudomonas极有可能是场地邻硝基对甲基苯酚还原的功能菌。

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火山渣吸附地下水中大肠杆菌噬菌体特性研究

张玉玲, 尹斯琦, 司超群, 王茜, 初文磊

2021, 28(5): 167-174.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.13

摘要 ( 238 )

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为了分析火山渣吸附去除地下水中大肠杆菌噬菌体作用特性,通过室内实验,考察火山渣吸附地下水中vB_EcoM-ep3大肠杆菌噬菌体效果,同时用等量沸石与石英砂做对照,进一步分析地下水中水化学因素(Fe²⁺、Fe³⁺、Mn²⁺、 $SO 4 2 -$ 、 $NH 4 +$ 、 $NO 3 -$ 、 $NO 2 -$ 、Ca²⁺、Mg²⁺、 $CO 3 2 -$ 、 $HCO 3 -$ 和pH值)对其吸附效果影响;通过微观检测技术,分析大肠杆菌噬菌体生物学特性和火山渣吸附前后微观结构变化。研究结果表明:火山渣吸附效率优于沸石和石英砂,最大饱和吸附量达到2.245×10⁵ pfu/g;水化学因素对火山渣吸附效果影响存在差异性,其中Fe²⁺、Fe³⁺起到促进作用, $SO 4 2 -$ 、三氮和碱度起到抑制作用,低浓度Mn²⁺( $C M n 2 +$ <10 mg/L)和Ca²⁺( $C C a 2 +$ <100 mg/L)起到轻微促进作用,超过该浓度则表现为抑制作用;pH值对火山渣吸附效果影响较大,pH值越大,吸附效果越差。vB_EcoM-ep3大肠杆菌噬菌体头部为等边六角形,全身直径约为(53±2) nm,尾部长约为(107±3) nm,由尾管和尾丝组成,可伸缩。具有蜂窝状结构的火山渣吸附大肠杆菌噬菌体后表面孔隙大部分被填充。

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方解石负载羟基磷灰石复合材料去除水中铀离子的PRB活性介质研究

张卫民, 王振, 钱程, 郭亚丹, 刘海燕

2021, 28(5): 175-185.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.21

摘要 ( 307 )

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PDF(4572KB) ( 93 )

铀污染地下水分布于世界多国,其危害备受关注。本文基于溶胶-凝胶法制备方解石负载羟基磷灰石复合材料(CLHC),通过静态与动态对比试验,探讨了PRB活性介质对水中铀离子的吸附机理和去除效果。试验结果表明,制备的CLHC表面被羟基磷灰石覆盖,对铀离子具有较强的吸附能力。当U的初浓度为5.0 mg/L、试验周期为2 h、溶液pH值为4、CLHC用量为0.5 g/L时,CLHC可以吸附水中所有的铀离子。CLHC对铀离子的吸附过程可以用Langmuir等温吸附模型、粒子内扩散吸附动力学模型和准二级吸附动力学模型较好地进行描述。石英砂负载羟基磷灰石与CLHC相比,后者具有更强的吸附能力,而且具有更长的使用寿命。CLHC在吸附铀的过程中没有价态变化,其对铀离子的吸附主要为离子交换的化学吸附。本研究的成果可为可渗透反应墙被应用于铀污染地下水修复提供试验依据。

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某Cr(Ⅵ)污染场地修复的PRB反应材料及结构设计研究

李志红, 王广才, 蔡五田, 刘菲, 黄丹丹

2021, 28(5): 186-196.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.3

摘要 ( 351 )

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PDF(2764KB) ( 98 )

渗透反应格栅(permeable reactive barrier,PRB)在国外被广泛应用于场地尺度的地下水污染修复,因其无须外源动力、不占地面空间、运行成本低等优势在国内受到广泛关注。不同场地水文地质条件、污染物类型、污染羽分布具有差异性,前期场地调查、反应材料的筛选、反应墙尺寸结构的设计对于PRB的有效运行至关重要。本文以PRB修复河南某Cr(Ⅵ)污染场地为例,详细阐述场地调查、材料筛选、材料反应参数确定、PRB结构优化等方面的研究过程及成果,可为后续PRB修复技术的应用提供参考。研究结果表明:PRB修复技术适用于该场地,铸铁与活性炭混合材料为最佳修复材料;反应门长40 m(反应材料厚2 m,上下游分别为2 m厚砾石层),东西两侧隔水墙长为60 m的U型漏斗-门系统型PRB,可有效捕获并修复污染羽,工程成本远低于连续反应墙式PRB,为该场地修复最优PRB结构类型。

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电化学循环井驱动模拟含水层化学氧化降解三氯乙烯

刘洋, 谢雯静, 郑云松, 张耀强, 蔡其正, 袁松虎

2021, 28(5): 197-207.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.1

摘要 ( 388 )

HTML ( 11 )

PDF(3605KB) ( 86 )

传统原位化学氧化地下水修复技术存在氧化剂迁移距离短和利用率低等问题。本研究在双井循环模式促进传质的基础上,通过注水井中的地下水电解原位提供O₂和H₂,配合乙二胺四乙酸(ethylenediamine tetraacetic acid,EDTA)络合溶解出含水层Fe(Ⅱ),活化O₂产生羟基自由基(•OH),实现地下水三氯乙烯(TCE)的氧化降解。在填充了砂土和黏土互层的二维砂槽中,设置电流为0.2 A、流速为72 cm/d、初始TCE浓度为3 mg/L,经过9 d的连续通电处理后,TCE浓度降低到1 mg/L,降解率达到67%。通电前投加0.5 mmol/L EDTA,经过1 d水流循环后含水层中溶解态Fe(Ⅱ)浓度从02 mg/L增加到414 mg/L,黏土区域较高。通电过程中,循环井促进O₂、Fe(Ⅱ)-EDTA和TCE的有效接触与反应,使TCE氧化降解。通电初期,黏土区域Fe(Ⅱ)氧化速率、TCE降解速率较周围慢,后期差异逐渐减小。未通电时加入醋酸钠可促进Fe(Ⅲ)还原,使含水层中铁循环利用。该修复过程通过循环井提升了氧化剂迁移距离,使用源于含水层的Fe(Ⅱ)-EDTA和稳定性较好的O₂提高了氧化剂利用率,有望应用于有机污染地下水修复。

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地下水曝气-砂滤处理产生的废弃石英砂中铁砷含量与形态分布

张耀强, 胡冰冰, 谢世伟, 袁松虎

2021, 28(5): 208-214.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.17

摘要 ( 221 )

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PDF(1966KB) ( 68 )

高铁高砷地下水严重威胁饮水质量,曝气-砂滤法因处理效果好且成本低在农村地区得到广泛应用。砂滤过程石英砂表面富集铁和砷后需定期更换,然而废弃石英砂堆置具有砷释放风险。本文以江汉平原某水厂砂滤池废弃石英砂为研究对象,采用激光剥蚀-等离子体质谱(LA-ICP-MS)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)和分步化学提取等手段,研究了砂样中的Fe和As含量及形态分布。结果表明,砂粒表面形成了一层厚度为20100 μm的高铁砷薄层,薄层内部Fe和As含量显著高于两侧,Fe和As分布高度相关(R²=0.985)。砂样表面铁矿物以无定型/弱结晶型为主,同时检出赤铁矿和臭葱石等矿物。砂样中Fe和As总含量分别为20.1 mg/g和53.4 μg/g。砂样表面铁主要以易溶解态、碳酸盐结合态和易还原态为主,As主要吸附在铁矿物上。研究区降雨充沛,当废弃石英砂遭遇雨水冲刷或淹没时,可能导致铁砷薄层中As解吸或随Fe矿物还原溶解而释放。

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地浸采铀矿山地下水环境修复研究进展

孙占学, 马文洁, 刘亚洁, 刘金辉, 周义朋

2021, 28(5): 215-225.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.11

摘要 ( 721 )

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PDF(2412KB) ( 278 )

地浸采铀技术已成为世界采铀的主流工艺,采区退役后地下水环境修复亦为人们所关注的热点。文章简要介绍了碱法、中性和酸法三种典型地浸采铀技术的特点,系统分析了地浸采铀对地下水环境的影响,并以酸法地浸铀矿山地下水环境修复技术为例,重点介绍了物理化学修复技术和生物修复技术及其原理与应用,归纳总结了其优缺点,并对未来的研究方向进行了展望。指出下一步应加强在酸性与氧化环境中能使铀固定并长期稳定的新技术,高活性、强适应性修复菌群的选育、驯化技术,地下水异位-原位协同生物修复技术,以及放射性核素及重金属在铀矿地浸地下水环境中的吸附-解吸、氧化-还原、溶解-沉淀等行为与机理及其主控因素等方面的研究。

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“印度-欧亚大陆碰撞及其远程效应”专栏寄语(附“纲领性工作图件”)

2021, 28(5): 226-229.

摘要 ( 267 )

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中国西部壳幔结构与动力学过程及其对资源环境的制约:“羚羊计划”研究进展

赵俊猛, 张培震, 张先康, Xiaohui YUAN, Rainer KIND, Robertvander HILST, 甘卫军, 孙继敏, 邓涛, 刘红兵, 裴顺平, 徐强, 张衡, 嘉世旭, 颜茂都, 郭晓玉, 卢占武, 杨小平, 邓攻, 琚长辉

2021, 28(5): 230-259.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.9.38

摘要 ( 618 )

HTML ( 41 )

PDF(13033KB) ( 597 )

为系统、深入地研究中国西部盆(盆地)、山(山脉)、原(高原)的壳幔结构与深部动力学过程,2003年我们提出并领导实施了“羚羊计划”(ANTILOPE-Array Network of Tibetan International Lithospheric Observation and Probe Experiments),在青藏高原先后完成了羚羊-I(ANTILOPE-I)到羚羊-IV(ANTILOPE-IV)4条二维宽频带台阵剖面,而在青藏高原东西构造结则实施了羚羊-V和羚羊-VI两个三维宽频带台阵探测。另外,我们将前期在准噶尔盆地、天山造山带、塔里木盆地、阿尔金造山带和柴达木盆地开展的九条综合地球物理观测剖面也纳入羚羊计划的总体框架中来。
通过“羚羊计划”的实施,我们在中国西部(包括西北部的环青藏高原盆山体系以及西南部的青藏高原)取得了大量的、高质量的、综合的第一手观测数据,获得了中国西部盆、山、原精细的壳幔结构,系统地揭示了中国西部盆山原的深部地球动力学过程。主要结论总结如下:确定了准噶尔盆地基底的结构与属性,优化了盆地的基底构造格架;建立了天山造山带“层间插入削减”新的陆内造山模式,揭示了印欧碰撞在天山岩石圈缩短44%的去向以及由洋-陆俯冲到陆-陆碰撞俯冲的转换机制;揭示了塔里木盆地、阿尔金造山带和柴达木盆地的盆山接触关系;获得了塔里木盆地顺时针旋转的深部几何学、运动学和动力学证据;确定了青藏高原之下印度板块与欧亚板块的碰撞边界;发现目前的青藏高原由南部的印度板块、北部的欧亚板块和夹持于二者之间的巨型破碎区——西藏“板块”构成,首次确定了各自的岩石圈底边界;修正了高原变形的两个端员模型;建立了深部构造对地表地形的制约关系;系统地揭示了印度板块沿喜马拉雅造山带俯冲的水平距离与俯冲角度的变化规律与控制因素。
“羚羊计划”以其巨大的观测网络与综合地球物理探测技术,采用地球物理学、地质学、地球化学等不同学科相结合的分析方法,揭示了印度板块俯冲、西藏巨型破碎区发育、塔里木板块顺时针旋转、西部水汽通道提前关闭、中国西北部干旱、沙漠化提前这一深部结构、动力学过程及其对地表地形、油气资源和环境变化的制约关系,推动了青藏高原地球系统科学理论的发展。

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俄罗斯-蒙古地学断面地壳模型的地质-地球物理资料综合研究

Evgeny Kh. TURUTANOV, Evgeny V. SKLYAROV, Valentina V. MORDVINOVA, Anatoly M. MAZUKABZOV, Viktor S. KANAYKIN

2021, 28(5): 260-282.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.3.10

摘要 ( 1327 )

HTML ( 35 )

PDF(7300KB) ( 342 )

地学断面是指地壳的垂直剖面,主要通过对地质和地球物理资料的综合分析来揭示构造带的性质及其空间关系。横断面的研究所采用的数据基本包括100 km宽区域地质图、上地壳的地质剖面图、重磁图(沿横断面的重磁剖面图)以及地壳的地震波速度、密度和其他地球物理属性的剖面图。这些数据被用于构建综合的数据剖面图(结果图),以展示各种地球动力学条件下(裂谷、海洋、碰撞带、造山盆地、大陆地台和岩浆弧,包括安第斯岛弧、活动大陆边缘、海沟、弧前和弧后盆地)的特定的岩石组构。本项目的研究目标是根据研究区现存的地质和地球物理数据的综合解释,统一图例,建立研究区深部剖面,以确定地体的空间关系及其在板块构造方面的地球动力学性质。
前人已分别对东西伯利亚南部和蒙古境内的多个地体进行了构造划分,并对它们的地球动力学性质和时空关系进行了分析。研究结果显示该系列地体为早古生代、中晚古生代和晚古生代—早中生代的岛弧和微大陆。此外,研究还识别出了中—晚古生代和晚古生代—早中生代安第斯型活动大陆边缘、晚古生代—早中生代被动大陆边缘和早白垩世裂谷。与岛弧和安第斯型活动大陆边缘相关的岩体被推覆至相邻大陆和微陆块上,部分推覆宽度可达150 km。目前已开展泥盆纪到晚侏罗世时期蒙古-鄂霍次克海地区的古地球动力学重建。
“非地槽”型花岗岩类岩浆作用在板块构造方面找到了直接且合理的解释,其中泥盆纪—石炭纪和二叠纪—三叠纪岩浆作用区域对应于安第斯型活动大陆边缘,中—晚侏罗世岩浆作用则与西伯利亚/蒙古-中国大陆板块碰撞有关。碰撞岩浆作用中亚碱性(地幔)元素的存在及其所在的构造区域在很大程度可以说明蒙古-鄂霍次克海闭合后,巨厚大陆岩石圈下曾经发生过持续的大洋裂谷活动(地幔热点)。在早白垩世时期,大陆裂谷活动影响到了同一时期正在发生的大陆汇聚作用。
西伯利亚南部边界大部分具有安第斯型活动大陆边缘性质,这也是蒙古—鄂霍次克缝合线沿线蛇绿岩数量较少的原因。因为当汇聚大陆一个具有安第斯类型的活动边缘,而另一个具有被动边缘时,前者的大陆地壳会最终逆冲到后者之上,并因此破坏掉先前出露的蛇绿杂岩体。部分被破坏的蛇绿岩块是俯冲带保留下来的海山残余,其可能成为增生-俯冲楔体的混沌复合体的一部分。然而,由于快速俯冲作用,这种楔形体在晚二叠世—早侏罗世的积累并不是西伯利亚活动边缘的典型特征。
沿地学断面综合的地质和地球物理资料分析表明,亚洲大陆是在显生宙时期由部分前寒武纪微陆块构造拼贴而成的。前寒武纪地块间存在不同宽度的已变形且剥蚀强烈的显生宙火山弧,它们也被归类为特定地体。

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巽他弧北部掸邦高原地壳变形、长期块体运动和发震过程:来自大地测量研究结果的约束

Raja SEN, Dibyashakti PANDA, Bhaskar KUNDU

2021, 28(5): 283-300.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.9.10

摘要 ( 318 )

HTML ( 21 )

PDF(2529KB) ( 169 )

本文通过约束大地测量研究来探索掸邦高原及其周围地区现今的地壳变形和长期块体运动,以期提供该地区地球动力学和相关地震危险状况的最新状态。掸邦高原在横向上由西侧的萨干(Sagaing)断裂和东侧的红河断裂这两条主要断裂包围。其中,青藏高原地壳的韧性流挤压被认为是该夹层变形单元变形的主要因素。大地测量清楚地表明,萨干断裂和红河断裂段分别具有约18 mm/a和约45 mm/a右旋运动走滑速率。此外,掸邦高原内部断层体系大地滑移累积表现为1213 mm/a的整体左旋运动速率。我们认为相对于刚性巽他古陆,研究区域的形变分布和长期块体运动主要受区域书架型断层作用控制,其原因是掸邦高原两侧的主断裂(萨干断裂和红河断裂)存在差异性断裂活动。

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阿尔泰—萨彦山的新构造运动和区域控震断裂的再活化

Mikhail M. BUSLOV, Lyudmila P. IMAEVA

2021, 28(5): 301-319.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.9.9

摘要 ( 312 )

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PDF(2408KB) ( 204 )

阿尔泰—萨彦山系和新构造结构的形成被认为是印度-欧亚板块碰撞带来的远程陆内变形的结果。在本次构造模型中,我们对地质、地震活动数据和地形资料进行了联合分析,认为中亚山带北部地形和地震活动的最大变化仅限于晚古生代区域断层的交叉地带。断层的交叉和接合处应被视为增加基底破碎程度、影响局部应力场变化和预先定位M≥5级的地震震源的最重要的构造因素之一。由此,结合Charysh Terekta和Kurai区域断层交叉带出现的氦和钙华,本次研究获得了发震前兆的一些判断规律。

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深地震反射剖面揭露青藏高原陆-陆碰撞与地壳生长的深部过程

GAO Rui, ZHOU Hui, GUO Xiaoyu, LU Zhanwu, LI Wenhui, WANG Haiyan, LI Hongqiang, XIONG Xiaosong, HUANG Xingfu, XU Xiao

2021, 28(5): 320-336.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.8.10

摘要 ( 922 )

HTML ( 298 )

PDF(14121KB) ( 935 )

印度板块与亚洲板块的碰撞使喜马拉雅-青藏高原隆升,地壳增厚和生长扩展。探测青藏高原深部结构,揭露两个大陆如何碰撞,碰撞如何使大陆变形的过程,是全球关切的科学奥秘。深地震反射剖面探测是打开这个科学奥秘的最有效途径之一。20多年来,运用这项高技术探测到青藏高原巨厚地壳的精细结构,攻克了难以得到下地壳和Moho清晰结构的技术瓶颈,揭露了陆陆碰撞过程。本文在探测研究成果基础上,从青藏高原南北-东西对比,再到高原腹地,系统地综述了青藏高原之下印度板块与亚洲板块碰撞-俯冲的深部行为。印度地壳在高原南缘俯冲在喜马拉雅造山带之下,亚洲板块的阿拉善地块岩石圈在北缘向祁连山下俯冲,祁连山地壳向外扩展,塔里木地块与高原西缘的西昆仑发生面对面的碰撞,在高原东缘发现龙日坝断裂而不是龙门山断裂是扬子板块的西缘边界,高原腹地Moho 薄而平坦,岩石圈伸展垮塌。多条深反射剖面揭露了在雅鲁藏布江缝合带下印度板块与亚洲板块碰撞的行为,印度地壳不仅沿雅鲁藏布江缝合带存在由西向东的俯冲角度变化,而且其向北行进到拉萨地体内部的位置也不同。在缝合带中部,显示印度地壳上地壳与下地壳拆离,上地壳向北仰冲,下地壳向北俯冲,并在俯冲过程发生物质的回返与构造叠置,使印度地壳减薄,喜马拉雅地壳加厚。俯冲印度地壳前缘与亚洲地壳碰撞后沉入地幔,处于亚洲板块前缘的冈底斯岩基与特提斯喜马拉雅近于直立碰撞,冈底斯下地壳呈部分熔融状态,近乎透明的弱反射和局部出现的亮点反射,以及近于平的Moho都反映出亚洲板块南缘的伸展构造环境。

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青藏高原东北缘何时卷入现今青藏高原构造系统?——来自西秦岭北缘漳县盆地新生代沉积记录的约束

郭进京, 赵海涛, 刘重庆, 吴彦旺

2021, 28(5): 337-361.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2020.12.13

摘要 ( 303 )

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PDF(15679KB) ( 243 )

新生代以来印度-欧亚板块持续碰撞汇聚形成号称世界第三极的青藏高原。青藏高原的扩展生长和构造变形系统形成的动力学过程是地球科学研究的重大科学问题。青藏高原东北缘新生代以来构造演化过程及其与印度-欧亚板块碰撞汇聚的动力学耦合关系研究对于揭示青藏高原扩展生长过程具有重要地质意义。尽管前人已经开展了大量研究探索,提出各种构造-隆升模型,但青藏高原东北缘何时卷入印度-欧亚碰撞汇聚的青藏高原构造系统尚未达成共识。作为青藏高原东北缘组成部分的西秦岭北缘构造带漳县地区不仅新生代地层记录齐全,而且断裂构造发育,构造变形现象丰富,是研究青藏高原东北缘新生代构造演化及印度-欧亚碰撞汇聚远程构造响应的良好区域。通过对西秦岭北缘构造带漳县地区新生代沉积盆地地层构造格架、沉积地层序列和沉积旋回等详细野外观测研究,结合区域断裂带几何学-运动学及变形历史分析,取得如下认识:(1)西秦岭北缘漳县地区新生代沉积地层主要由为不整合分隔的两套构造性质完全不同的构造地层单元组成,即渐新世—中新世伸展断陷盆地沉积和上新世再生前陆磨拉石盆地沉积;(2)渐新世—中新世时期的地壳伸展拉张构造环境与印度-欧亚碰撞汇聚的挤压环境相悖,指示了西秦岭北缘在渐新世—中新世尚未卷入现今的印度-欧亚碰撞汇聚构造系统;(3)上新世磨拉石盆地的发育标志着西秦岭北缘构造带从伸展到挤压的构造体制转换,可能指示了印度-欧亚碰撞汇聚的挤压构造作用这时才波及西秦岭北缘;(4)上新世粗砾岩、西秦岭造山带地层和中生代沉积地层共同经历了抬升剥蚀作用,形成了西秦岭北缘广泛发育的夷平面。第四纪以来夷平面的抬升和解体、现代河流侵蚀系统和多级河流阶地的出现,指示了青藏高原东北缘整体的不均匀大规模抬升而进入现今青藏高原构造系统。

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中国石炭纪构造-地层区划与地层格架

张雄华, 黄兴, 张孟, 高璐, 张克信

2021, 28(5): 362-379.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2020.12.5

摘要 ( 613 )

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中国石炭纪构造活跃,在华北地块、扬子地块、塔里木地块等稳定块体间存在着大量造山带,尤其存在着北天山洋、南天山洋、布青山—勉略洋、金沙江洋、甘孜—理塘洋等多个洋盆中的洋板块地层,大地构造分区极为复杂。传统的地层区划主要考虑稳定的地块区,按目前的地理格局来进行地层区划划分。本文通过大地构造单元与构造演化阶段相结合,借鉴目前国内经典的大地构造划分方案,对中国石炭纪构造-地层进行区划,共划分出阿尔泰—兴蒙地层大区、北准噶尔—西拉木伦地层大区、天山—北山地层大区、塔里木—阿拉善地层大区、华北地层大区、秦祁昆地层大区、扬子地层大区、华夏地层大区、北羌塘—三江地层大区、班公湖—怒江地层大区、印度地层大区等11个地层大区及若干地层区。其中阿尔泰—兴蒙地层大区位置相当于阿尔泰—兴蒙多岛弧盆系,发育洋板块地层及大量岛弧火山岩,分为阿尔泰地层区和兴安地层区;北准噶尔—西拉木伦地层大区位置相当于额尔齐斯—西拉木伦大洋盆,包括大量岛弧带地层及洋板块地层,分为北准噶尔地层区及西拉木伦地层区;天山—北山地层大区位置相当于天山—北山造山系,发育大量火山岩,分为南准噶尔地层区、北天山地层区、南天山地层区、伊犁地层区及额济纳—北山地层区;塔里木—阿拉善地层大区位置相当于塔里木陆块、塔东南—敦煌隆起及阿拉善地块,为稳定的滨浅海沉积,局部为海陆交互相沉积,分为塔里木地层区和阿拉善地层区;华北地层大区位置相当于华北陆块及贺兰山陆缘裂陷盆地,主要为稳定的海陆交互相地层,分为贺兰山地层区、华北地层区及华北地块北缘地层区,其中华北地层区缺乏密西西比亚纪地层;秦祁昆地层大区位置相当于秦祁昆造山系,分为祁连地层区、东昆仑—柴达木地层区、西昆仑地层区、秦岭地层区、南秦岭—苏鲁地层区;扬子地层大区位置相当于扬子陆块,分为盐源—丽江地层区、中上扬子地层区、下扬子地层区、湘浙赣地层区及滇黔桂地层区,主要为稳定的碳酸盐沉积,仅湘浙赣地层区见现有较多的海陆交互相沉积;华夏地层大区位置相当于武夷—云开造山系,分为粤闽地层区、粤南地层区、钦防地层区、琼北地层区、琼中南地层区及华夏地层区,除钦防地层区为一套深海—半深海硅泥质沉积外,其他地层区主要为滨浅海沉积及少量海陆交互相沉积;北羌塘—三江地层大区位置相当于北羌塘—三江多岛弧盆系,包括多个稳定的小型地块及其间的蛇绿混杂岩带,洋板块地层发育,分为可可西里—巴颜喀拉—勉略地层区、金沙江—哀牢山地层区、中甸—昌都—思茅地层区、鲜水河—甘孜—理塘地层区、北羌塘地层区及甜水海地层区;班公湖—怒江地层大区位置相当于班公湖—双湖—怒江—孟连大洋盆,主要为洋板块地层;印度地层大区位置相当于印度大陆北部被动大陆边缘,以发育冈瓦纳大陆特有的古生物化石组合及冰成岩为特征,分为冈底斯地层区、北喜马拉雅地层区及保山地层区。简单介绍了各地层大区、地层区及部分地层分区内的岩石组合、古生物组合及地层序列。结合实例提出了中国石炭纪地层格架建立的原则,对各地层区系石炭系进行了系统的地层对比,建立了其地层对比关系。

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西大别桥店花岗斑岩脉的形成时代、岩石成因及其大地构造意义

黄海永, 徐扬, 尹须伟, 杨坤光, 刘雨

2021, 28(5): 380-412.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2020.12.9

摘要 ( 237 )

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白垩纪碰撞后花岗岩是研究大别造山带碰撞后伸展垮塌的重要载体,西大别南缘的桥店花岗斑岩脉为约束大别山碰撞后构造机制转化提供了新的约束信息。SIMS和LA-ICP-MS锆石定年结果表明,桥店花岗斑岩脉侵位年龄约为129 Ma,并具有富集的锆石Hf同位素组成(ε_Hf(t)=-24.5-14.7)和古元古代二阶段模式年龄(2.41.9 Ga)。矿物组成上,花岗斑岩脉以富含粗粒的长石斑晶为主要特征。它们具有变化的SiO₂含量(63.07%73.22%)和A/CNK值(0.871.73),同时具有高的K₂O(4.51%5.47%)、低的MgO (0.42%1.82%)含量,属于高钾钙碱性花岗岩类。岩石的轻稀土元素相对重稀土元素富集,具有Eu的负异常(Eu/Eu^*=0.770.92);同时富集Rb、Ba和Pb,而亏损Nb、Ta和Ti。相较于典型埃达克质岩石,桥店花岗斑岩的Sr含量(78×10^-6724 ×10 ^-6)变化较大,Y(11.8×10^-614.8×10^-6)和Yb(1.09×10^-61.37×10^-6)含量相对较高,对应的Sr/Y(6.755.5)和(La/Yb)_N(29.634.2)比值较低。以上地球化学特征,结合古元古代的残留锆石和二阶段铪模式年龄,共同反映出桥店花岗斑岩是区内古元古代下地壳物质在中-低压力条件下部分熔融的产物。与区域上碰撞后岩浆岩的对比研究表明,桥店花岗斑岩的侵位指示了西大别地壳在约129 Ma已经开始减薄,西大别白垩纪加厚下地壳的拆沉及构造机制转换的时间可能在约130 Ma前后。

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渤海海域埕岛低凸起东部南区新生代断裂系统及油气分布的控制作用

谢宗奎, 王志伟, 明玉坤, 王明, 张在振, 杨彬, 马自超, 孙士杰, 黄元俊

2021, 28(5): 413-420.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.1.62

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埕岛低凸起东部南区新生代受控于伸展与走滑作用,断裂构造复杂,传统认为中深层北东向与近东西向断层属于同期同沉积断层。针对这一观点及引起的问题,利用钻井和地震资料,运用构造地质理论解析断裂系统。研究区主要发育正断层、走滑正断层两种类型,断开层位有基底—东营组、平原组—东营组、平原组—基底三种情况,现今断裂以东营组与馆陶组之间的区域不整合面为时限划分为两期断裂系统。早期断裂主要切开基底—东下段,属于同沉积断层;晚期断裂主要切开平原组—东营组,可断达基底,其发育受早期断裂制约。北东向与近东西向断层分别属于早晚两期断裂系统,对油气分布各起关键性控制作用:先期基底升降引起的伸展作用形成北东向断层,控制洼槽地貌与深水重力流沉积环境,发育了连片的层状砂质碎屑流;后期郯庐断裂右行走滑派生了近东西向雁列断层,断层面既充当储层上倾方向的遮挡条件,又在东西向挤压时封闭性变差而变成油气垂向运移通道,断层及断层作用控制了圈闭分布与油气聚集的有序性,自东向西,圈闭及油水界面依次升高且充满度变小,呈全充满、欠充满、半充满等状态。断裂系统研究将地质体置于一定的构造应力场中,分析断层组合的空间排列和交切关系以及断层的力学机制和位移特征等,探究时空演化对油气分布的控制作用。断裂系统研究方法在构造作用叠合区具有适宜性,对该区及类似地区的勘探开发具有现实意义。

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潜江凹陷潜江组盐间细粒岩沉积特征及其对页岩含油性的控制

陈晨, 姜在兴, 孔祥鑫, 吴世强, 陈凤玲, 杨叶芃

2021, 28(5): 421-435.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2020.12.8

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江汉盆地是我国典型的内陆盐湖盆地,位于其中部的潜江凹陷发育盐间细粒沉积,近期油气勘探取得突破。为研究其沉积特征及其对页岩含油性的控制,本文基于岩心和多种测试方法将盐间细粒沉积划分出8种岩相,分别是含灰泥质云岩、云质混合细粒岩、泥质混合细粒岩、灰质混合细粒岩、灰质泥岩/泥岩、云质泥岩、硫酸盐质混合细粒岩和云质/泥质钙芒硝岩。岩相组合有A和B两种:A类岩相组合为含灰泥质云岩、云质混合细粒岩和泥质混合细粒岩,夹少量灰质混合细粒岩、云质泥岩、硫酸盐质混合细粒岩和云质/泥质钙芒硝岩;B类岩相组合为云质泥岩、硫酸盐质混合细粒岩、云质/泥质钙芒硝岩,夹少量灰质泥岩/泥岩和泥质混合细粒岩。A类岩相组合富集碳酸盐质矿物且有机质含量高,岩心上表现为灰黑色泥质岩(泥质混合细粒岩和灰质混合细粒岩)与黄褐色云质岩(含灰泥质云岩和云质混合细粒岩)频繁更替,其中夹有白色硫酸盐质岩,呈透镜体状或层状产出,说明当时环境的盐度较低,镜下纹层大部分呈较为连续的微波状或水平状。其沉积特征反映了A类岩相组合的形成环境为还原性较好、盐度较低的深水区。B类岩相组合硫酸盐矿物含量和有机质含量较低,岩心上表现为白色高硫酸盐质岩夹有黑色泥质层或黄褐色云质层,镜下观察为呈菱形片状钙芒硝,常见穿插双晶,可见明显的粒序变化,云质含量高的薄片镜下为无纹层特征。其沉积特征反映了B类岩相组合形成环境为还原性较弱、盐度较高的较浅水域。本研究将V/(V+Ni)、(S₁+S₂)/TOC、Sr/Ba和Ga/C₃₁H指数等地化参数与岩相特征相结合,进一步佐证了上述观点,并且补充说明了A类岩相组合形成于气候湿润的环境,而B类岩相组合形成环境较为干旱,且将盐间沉积划分为B、A、B三个阶段,对其进行了沉积模式的研究。结果表明:第一、三阶段气候干旱且水深较浅,湖水析出大量盐类,主要发育B类岩相组合,且硫酸盐矿物的增加使硫酸盐还原菌氧化有机质,不利于有机质富集;第二阶段降雨增加,大量淡水注入致使水体淡化且深度变深,这时水体分层性较好,还原性较强,发育A类岩相组合,有机质的保存条件好。由此可见,矿物组分上为灰泥质或云质含量高且岩心具有水平层理、镜下纹层特征明显的岩相,以及湿润气候下的还原性较强、盐度适宜且水体分层性好的深水环境等沉积特征,有助于形成含油性较好的页岩。因此,低TOC含量的B类岩相组合不是油气富集的主要岩相,富集的硫酸盐矿物会稀释有机质浓度,岩相所处的高盐度环境也会减缓微生物活动;而高TOC含量的A类岩相组合为油气富集的主要岩相,频繁的降雨稀释水体盐度,为可以产生有机质的浮游微生物创造了良好的环境,且所含云质纹层矿物间孔隙发育,有利于烃类的存储,所以成为该区内的优质烃源岩,是油气勘探开发的有利岩相。

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塔里木北缘震旦纪—寒武纪转折期碳同位素漂移事件及成因机制

樊奇, 樊太亮, 李清平, 张岩, 谷雨, 商雅欣

2021, 28(5): 436-447.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2020.7.5

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震旦纪—寒武纪转折期是地球演化的关键节点,这一时期的碳-氧同位素记录在塔里木保留完整却关注较少。选取苏盖特布拉克露头震旦系与寒武系交界地层实测采样,并开展了古生物、镜下鉴定、碳同位素漂移事件的综合分析,探讨了N1(BACE)、P1(ZHUCE)等碳同位素漂移事件的成因机制。样品的δ¹³C_carb和δ¹⁸O_carb相关系数(R²=0.05)、δ¹⁸O_carb和Mn/Sr相关系数(R²=0.09)及岩石学特征表明,后期成岩改造并未导致碳-氧同位素的显著分馏,原始碳同位素特征得以基本保留。由下至上,在该剖面识别出P-1事件(δ¹³C_carb峰值1.9‰2.4‰)、N1事件(-6.8‰-10.3‰)、P1事件(1.4‰4.1‰)、N2a-c事件(-0.4‰-2.8‰)、P2a-c事件(0.2‰0.6‰)和N3事件(-3.4‰)。综合碳同位素演化特征与古生物、年代学数据,确认了玉尔吐斯组底部硅质页岩与奇格布拉克组顶部藻云岩的分界面为塔里木震旦系与寒武系的分界线,并实现了该露头与老林、肖滩、三峡、西伯利亚、阿曼和摩洛哥剖面的地层对比。分析认为,塔里木北缘震旦纪—寒武纪转折期的碳漂移事件,更多受控于古海洋氧气含量变化引起的固碳率f_org的波动。玉尔吐斯组早期海侵背景下的大规模缺氧事件导致的初级生产力和固碳率降低,是N1负漂移事件(BACE)的主因;随后海退中氧气含量的增加引起生产力重建和固碳率增加,形成了P1正漂移事件(ZHUCE)。这一成果性认识有助于塔里木盆地寒武纪古环境研究与深层超深层油气远景资源评价。

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云蒙湖表层沉积物重金属分布特征及风险评价

曹伟, 张雷, 秦延文, 迟明慧, 赵艳民, 杨晨晨, 时瑶

2021, 28(5): 448-455.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.1.57

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为了解云蒙湖表层沉积物中重金属的污染状况,选取云蒙湖沉积物中6种重金属(Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As)作为研究对象,测定并分析其在云蒙湖表层沉积物中的分布、来源及生态风险,以期为云蒙湖沉积物中重金属污染治理及饮用水安全保障提供依据。采用富集系数法、相关性分析及聚类分析对重金属来源进行分析,并选用富集系数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法对重金属污染程度及潜在生态危害进行了评价。结果表明:云蒙湖表层沉积物中6种重金属Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、As平均含量分别为20.9、73.1、23.1、62.0、0.4和4.5 mg/kg;与临沂市土壤背景比较,Cd、Zn和Cr的含量超过临沂市土壤背景值,Cd污染最严重。重金属来源分析结果显示:Cd受人类活动影响较大,可能与区域农业和林业施肥有关;Cu、Zn、Pb、Cr和 As这几种重金属以自然来源为主。综合富集系数法、地累积指数法和潜在生态危害指数法3种评价方法的结果得出,云蒙湖表层沉积物中Cd 为最主要的污染元素,且具有较强的生态危害。

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