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2024年 第30卷 第05期    刊出日期：2024-10-20

上一期   

铈铝氧化物对磷酸根离子的吸附行为和机制研究

聂宏达, 任 超, 李 伟

2024, 30(05):  505-513.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023046

摘要 ( 45 )   PDF (2775KB) ( 15 )  

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中国和世界上许多国家（地区）都面临着水体磷超标引起的富营养化问题，因此研究磷的环境地球化学行为以及探索除磷技术和原理至关重要。文章以人工合成的铈铝氧化物作为吸附剂材料，研究了铈铝氧化物对磷酸根离子的宏观吸附行为和微观分子机制，考查反应时间、初始磷浓度和pH等外部条件对磷酸根在铈铝氧化物表面吸附行为和机制的影响。研究结果表明，铈铝氧化物对磷酸根的吸附在24 h内达到平衡；磷酸根的吸附等温线满足Langmuir模型，理论最大吸附量为75.5 mg·g-1；吸附量不随pH变化，在pH=3~10范围内均能保持较高的吸附性能。该研究进一步采用zeta点位测量、显微分析（SEM、TEM）和谱学方法（XRD、XPS）等手段，揭示了磷酸根在铈铝氧化物表面的吸附以形成内圈吸附和表面沉淀两种机制为主。该研究结果将为稀土基矿物改性材料的除磷应用提供理论指导。


南疆铁门关土壤白云石与氟元素的耦合关系

沈 泽, 何峻岭, 段星星, 朱晓雨, 王若水, 季峻峰, 刘连文

2024, 30(05):  514-525.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023048

摘要 ( 47 )   PDF (12504KB) ( 17 )  

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南疆环塔里木盆地的绿洲土壤发育了大量的碳酸盐矿物，同时该地区土壤和地下水的氟（F）元素含量较高，存在较大的F污染风险。探讨两者的耦合关系，对开展干旱区土壤无机碳汇的综合利用、提高区域F污染的防治水平有重要意义。文章选择新疆铁门关市15个典型表层土壤，通过XRD、扫描电镜等分析手段对土壤样品进行测试，同时分析常量、微量元素和碳酸盐Sr同位素组成，并结合室内选择性溶解实验方法，对该地区土壤矿物学与地球化学特征进行了系统研究，获得了F与碳酸盐矿物耦合变化机制的地质证据。研究发现，铁门关地区土壤中矿物组成较为复杂，其主要元素含量接近于上部大陆地壳，化学风化指数CIA值在50~60之间，风化程度较弱。土壤中含较高的方解石和白云石等碳酸盐矿物（平均含量为20.1%），碳酸盐平均Sr, Mn含量分别为1434×10-6和1736×10-6，87Sr/86Sr比值为0.710左右。土壤中F与碳酸盐矿物有关的元素高度正相关，并且与白云石呈现很好的耦合变化。推测土壤中的F异常主要来自源区的氟镁石，在地质、气候等综合因素下共同迁移变化。


低磷富硅淡水系统磷酸盐氧同位素测试的前处理方法改进

吴可迪, 魏海珍, 阮晓红

2024, 30(05):  526-540.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023047

摘要 ( 44 )   PDF (5614KB) ( 23 )  

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磷是大多数淡水生境营养状态的限制元素，其来源识别是水体磷污染控制及其富营养化防治的关键。磷酸盐氧同位素比值（δ¹⁸OP）示踪法可有效甄别磷来源，然而淡水生境的磷含量低且水质成分复杂，如硅酸盐岩分布区水体常具有低磷富硅特征，由于无定形硅易析出并吸附PO₄^3-，通过现有的前处理步骤难以获得有效的δ¹⁸OP测试数据。文章针对淡水低磷富硅、沉积物及土壤贫磷砂质特征，基于广泛使用的Mclaughlin前处理方法做出了如下改进：对低磷富硅水体，（1）降低PO₄^3-富集步骤投加试剂比例；（2）CePO4沉淀前分级调节pH；（3）多步细孔过滤降低硅含量；（4）树脂柱动态交换去除阳离子。对贫磷砂质沉积物及土壤，则增大样品用量和提取液浓度，结合淡水样品的纯化方法，获取足量纯净Ag₃PO₄用于δ¹⁸OP测定。改进优化后的δ¹⁸OP前处理方法，沉淀及离子交换的关键步骤回收率均高于80%，重复测量精度为±0.6‰（n=6），通过对比加标回收与KH₂PO₄试剂直接生成Ag₃PO₄的δ¹⁸O_P，验证了改进流程分析的准确性。该前处理方法成功应用于丹江口水库汇流区的水体、沉积物及土壤的δ¹⁸O_P测定，为其磷的溯源提供了技术支撑。


桂东鹰扬关群变质沉积岩锆石年代学、地球化学特征及其地质意义

蓝媛春, 时 毓, 唐源远, 周予茜, 翁伯寅

2024, 30(05):  541-558.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023057

摘要 ( 56 )   PDF (3483KB) ( 25 )  

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文章对桂东鹰扬关群的新元古代浅变质沉积岩进行了岩石地球化学、锆石U-Pb定年及锆石Lu-Hf同位素分析。研究显示，鹰扬关群变质沉积岩具有中等的成分成熟度和风化淋滤程度，其稀土配分模式与后太古宙澳大利亚页岩（PAAS）变化一致，具中等的Eu负异常。微量元素蛛网图显示部分样品存在U亏损现象且Co、Ni含量较南岭其他地区偏高，指示源区含有较多的中基性组分。变质沉积岩是鹰扬关群构造混杂岩基质的组成部分，碎屑锆石U-Pb定年结果给出了构造混杂岩基质部分的最大沉积年龄（660 Ma）。结合前人研究成果认为，鹰扬关群构造混杂岩形成于新元古代中后期，此后又遭受了早中生代构造热事件的改造。物源分析结果显示，鹰扬关群新元古代变质沉积岩以长英质物源为主，结合锆石的阴极发光图像特征、锆石U-Pb年代学特征、Hf同位素二阶段模式年龄（TDM2）和相关区域地质资料，推测变质沉积岩中的中基性组分主要来源于区内以及邻近的地体，鹰扬关群与华夏板块具有亲缘性。结合区域构造演化特征，推断鹰扬关群新元古代变质沉积岩沉积于造山后伸展的裂谷盆地中。


北武夷上水桥萤石矿区黑云母石英二长岩成因：来自年代学及地球化学的制约

曾祥辉, 孟德磊, 曾闰灵, 蒋起保, 欧阳永棚

2024, 30(05):  559-576.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2024040

摘要 ( 42 )   PDF (4598KB) ( 17 )  

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上水桥萤石矿是北武夷地区近些年来新探明的一处极具开采前景的中型萤石矿床，目前开展的研究工作极为薄弱。该项工作以矿区赋矿岩体黑云母石英二长岩为研究对象，对其展开系统的岩相学、锆石U-Pb年代学和全岩地球化学分析。锆石U-Pb定年结果表明，上水桥黑云母石英二长岩成岩年龄为235~236 Ma，为印支期岩浆活动的产物。全岩地球化学分析结果显示，该岩体具有富碱、贫磷钛的特征，具有较高的σ值（2.59~3.61）和偏低的A/CNK值（0.96~1.16），属钾玄质、准铝质—弱过铝质岩石；微量及稀土元素方面，岩石相对富集大离子亲石元素（Rb、Th、U、K）和LREE，亏损Ba、Sr、Nb、Ta、P、Ti、HREE等元素，同时整体具有较高的稀土含量（ΣREE=356×10-6~448×10-6）和弱负铕异常(Eu/Eu*=0.61~0.76)。此外，岩石整体具有较高的Zr+Nb+Ce+Y含量（381×10-6~546×10-6）和Ga/Al比值（104×Ga/Al=2.60~3.07），以及较低的b/Sr(0.31~0.82)、Rb/Ba(0.11~0.18)和TFeO/MgO比值（2.02~2.22），属后造山型（PA型）铝质A型花岗岩。综合地球化学投图判别结果及区域岩浆活动、沉积作用等特征，文章认为上水桥矿区黑云母石英二长岩可能为多板块汇聚模式下陆内造山作用末期后造山伸展的构造背景下的产物，成矿阶段岩石中黑云母的水解及斜长石的绢云母化作用可能为萤石成矿提供F和Ca来源。


基于高密度电阻率成像技术的MICP 浆液入渗过程监测研究

兰润扬, 林 锴, 唐朝生, 章君政, 施 斌

2024, 30(05):  577-584.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023040

摘要 ( 46 )   PDF (17201KB) ( 20 )  

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微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术是一种生态环保、前景广阔的土体改性方法，其改性效果与浆液的入渗特征密切相关。为此，提出将高密度电阻率成像（ERT）技术用于MICP浆液入渗过程监测。文章通过开展模型试验，对石英砂试样进行混合一步注浆法MICP处理，同时对试样持续进行ERT监测及电导率分析，获取了试样的三维电阻率变化特征，处理完成后测定了试样中碳酸钙含量的空间分布。结果表明：（1）MICP反应过程中，砂土与注浆液电导率随尿素分解而逐渐升高；（2）注浆液的迁移分布对砂土内部低电阻区的分布规律起主导作用，而碳酸钙沉淀的影响较小；（3）在MICP处理过程中，碳酸钙沉淀的生成与注浆液的迁移渗透相互作用，共同影响改性效果；（4）ERT技术可有效监测MICP处理区电阻率的时空演化特征，准确反映注浆液渗透迁移情况，进而评价改性效果。研究结果表明，采用ERT技术监测MICP改性土体过程具有可行性，为评价和优化微生物矿化改性效果提供了新的技术思路和方向。


地形演化模型的参数敏感性分析：以库玛拉克河流域为例

吴奇辉, 曾献奎, 吴吉春

2024, 30(05):  585-592.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023049

摘要 ( 39 )   PDF (1780KB) ( 17 )  

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地形演化模型是进行地形演化定量研究的基础，其涉及过程复杂、模型参数众多，为缓解参数识别困难和提高模型参数设置的可靠性，识别地形演化模型的关键驱动机制和参数成为当前研究的重点。该研究选择新疆塔里木河流域的库玛拉克河流域为研究区，基于LE-PIHM（Landscape Evolution-Penn State Integrated Hydrologic Model）建立了研究区地形演化模型，通过全局敏感性分析方法—Sobol方法，识别了LE-PIHM模型的参数敏感性。以研究区内三个典型地貌类型的地表高程为敏感性分析的目标函数，结果表明，研究区山区地形演化的关键模型参数为裸露基岩的风化速率（P0）、基岩风化方程拟合系数（α）和构造抬升速率（U），这些参数主要涉及基岩风化作用和构造抬升作用。同时，在研究区的平原区，除含水层孔隙度（ng）以外，模型参数均具有较高的敏感性，平原区高程变化主要由各参数之间的相互作用控制。在研究区的河道地区，模型参数敏感性与在平原区类似，但土壤孔隙度（ns）和含水层水平渗透系数（KHg）有显著更强的敏感性，其分别涉及地表水—地下水交互作用和含水层透水性能。


浅层地热开采中砂岩单裂隙渗流传热试验研究

吴洪涛, 王惠民, 郑惠峰, 盛金昌, 黄泰仁, 田佳丽, 盛丹娜

2024, 30(05):  593-602.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023056

摘要 ( 37 )   PDF (2395KB) ( 11 )  

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浅层地热能的开发利用关系着“双碳”目标的顺利达成，其中目标储层岩石裂隙渗流传热特性的研究对地下水源热泵系统的成效至关重要。但以往的裂隙渗流传热研究多是考虑粗糙面、流速、围压、温度等单一因素对其传热效率的评价，并未系统探究多级流速下浅层地热储层（围压和岩石温度）变化对渗流传热演化规律的认识及其贡献程度的对比。因此，文章基于课题组自主研发的裂隙岩石渗流传热试验系统，开展了多级流速下的砂岩单裂隙渗流传热试验，分析了单裂隙渗流传热在多级流速下的全过程演化特性，探讨了浅层地热中的敏感性参数（围压和岩石温度）对渗流传热的影响规律及其贡献程度。试验结果发现：（1）出口水温和对流换热系数随水流流速的增大，其变化趋势有明显的阶段性转折；（2）围压的增大导致裂隙开度减小，流动边界层变薄，而温度梯度的增大将引起热流密度的上升，都将导致出口水温和对流换热系数呈现上升趋势；（3）岩石温度的贡献程度明显高于围压，特别是从60 ℃增大至70 ℃时，对流换热系数有了大幅度增长。


钻孔岩溶地质分形特征在岩溶发育程度分析中的应用

谭 谣, 漆继红, 许 模, 郑童心, 王钟毓, 王 帅

2024, 30(05):  603-612.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023052

摘要 ( 37 )   PDF (3780KB) ( 9 )  

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现有岩溶发育程度分析以区域尺度的概略认识为主，而地形地貌、地下水径流等因素的影响下同一地质单元内岩溶发育程度仍具有差异，区域性的概略认识常无法满足场地尺度精细化岩溶发育程度分析的要求。钻孔岩芯资料是工程场地岩溶发育特征研究的重要资料，但由于存在取芯率以及长大陡倾—垂向溶蚀裂隙等各种因素的影响，利用传统的溶蚀统计方法表征岩溶发育程度存在一定的缺陷。该论文在收集工程范围内的钻孔资料的基础上，从岩溶分形理论的角度出发，结合钻孔图像识别系统及图形分形计算程序厘定岩溶发育程度判别指数(IKAF)，提出一种适用于场地尺度、高精度的岩溶发育程度辨识方法。利用该研究方法对绵竹市石亭江中上游流域左岸山区的水库场地钻孔资料进行研究分析，结果显示该方法能快速且准确识别钻孔内岩溶发育的形态，减小长大陡倾—垂向溶蚀裂隙发育对溶蚀率定量的误差，利用该方法得出的岩溶发育程度与野外调查宏观溶蚀现象反映的岩溶发育程度基本一致。该研究方法是传统溶蚀发育程度分析方法的有益补充。


富水软土区紧邻基坑工程的地铁隧道保护措施分析

李宇翔, 张 杰, 严松宏, 刘念武, 沈晓伟

2024, 30(05):  613-621.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023045

摘要 ( 45 )   PDF (1516KB) ( 19 )  

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富水软弱土地区施工通常面临易扰动和承压水双重难题，南京河西地区便是典型富水软弱土地区代表，且近些年开发强度较大，同时地铁隧道沿线又是首选地段，通常面临基坑深、大、近等特点，确定可靠的地铁隧道保护措施是亟需研究的问题。文章以南京紫鑫中华广场三期为例，采用提高支护刚度、土体加固、设置隔离桩等保护措施减小基坑开挖对相邻隧道影响，同时通过MADIS软件分析相关保护措施的重要性和必要性，并结合地铁隧道监测数据加以验证，为在富水软弱土地层基坑施工对相邻地铁隧道的影响制定保护措施提供参考。


早寒武世玉尔吐斯组烃源岩沉积环境与有机质富集机制

孙候雪, 郝 芳, 王 奇, 田金强

2024, 30(05):  622-633.  DOI: 10.16108/j.issn1006-7493.2023055

摘要 ( 54 )   PDF (1628KB) ( 16 )  

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早寒武世玉尔吐斯组烃源岩发育机制是塔里木盆地深层油气勘探研究的重点之一，近些年台盆区超深层的钻井完钻前寒武系地层，为盆地内的寒武系烃源岩发育机制研究提供了理想窗口。为探究寒武系烃源岩沉积期的古海洋环境与古生产力，并阐明有机质的富集机制，文章对塔北地区典型单井系统开展了TOC、主微量元素及碳氧同位素分析。结果表明，玉尔吐斯组下段处于缺氧—硫化的沉积环境，生产力较高；上段处于贫氧的沉积环境，生产力逐渐减弱，处于低生产力水平；碳氧同位素等指标表明玉尔吐斯组下段沉积于广泛海侵的背景下，且存在上升流作用，受上升洋流及轻度热液活动影响，营养物质的输入导致该时期初级生产力勃发，有机质的富集主要受控于较高的生产力及良好的保存条件；玉尔吐斯组上段沉积时基本无热液活动，生产力水平逐渐降低，水体的还原性也开始减弱，表现为上段高位体系域的低生产力水平和贫氧的沉积环境，最终导致有机质的丰度较低。