下寒武统

下寒武统（共3篇）

下寒武统 篇1

摘要：通过剖面测量等野外地质调查手段和“X”射线衍射分析等室内实验测试方法,分析了赣东北地区下寒武统荷塘组页岩气赋存的物质基础、孔隙特征、演化特征及构造发育特征等地质条件,在确认了下寒武统荷塘组页岩具有良好生烃条件的前提下,重点研究了荷塘组页岩气的保存条件及其差异性。研究结果表明:研究区页岩气保存条件整体良好,下寒武统荷塘组页岩含气量在(1.05.0)m3/t之间;受构造和岩浆活动的影响,不同地区页岩气保存条件存在差异;扬子地块、上饶地块及怀玉山区块在断裂、岩浆活动及成岩作用综合影响下,页岩层构造变形程度大,完整度遭到一定破坏,页岩气保存条件相对较差;玉山区块受后期构造运动影响小,岩浆活动弱,褶皱相对宽缓,下寒武统荷塘组页岩埋深和厚度大,页岩气保存条件相对较好。

关键词：页岩气,物质基础,保存条件,下寒武统荷塘组,赣东北

在不同时间和地质条件下，页岩气的聚集和产出特征不尽相同[1]。前人主要采用储层特征诸如厚度、有机碳含量、成熟度、矿物组成等参数对页岩气的保存条件进行相关研究。随着页岩气勘探开发技术的不断发展，不同学者基于地质条件的特殊性，提出了地层演化特征、地层水条件、岩浆活动、构造和裂缝等地质指标[2,3]。笔者以赣东北地区下寒武统荷塘组页岩为研究对象，从物质基础、孔隙特征、演化特征及构造发育特征等方面对页岩气保存条件进行了研究;并通过页岩含气量判别了赣东北地区整体的页岩气保存条件，从而为赣东北地区页岩气资源的进一步勘探开发提供依据。

1 页岩气赋存的物质基础

赣东北地区荷塘组页岩岩性以硅质页岩和粉砂质、砂质页岩为主。厚度在(22.1～735.0)m，由西北向东南方向逐渐增大(图1)，相较于美国Barnett页岩和Lewis页岩的平均厚度在30.48 m以上，具备更大的页岩气储存空间。赣东北地区荷塘组页岩埋深普遍大于1 500 m，部分达到4 000 m，地层压力相对较大，增大了储层对页岩气的吸附能力。

赣东北地区下寒武统荷塘组页岩矿物组成主要以石英、黏土和黄铁矿为主(表1)，其中石英含量52.43%～98.56%，平均74.83%，易产生裂缝成为天然的渗流通道;黏土矿物含量1.44%～27.55%，平均10.21%，为页岩气提供了一定的储集空间和运移通道。有机碳含量(TOC)在2.15%～11.75%之间，为页岩气的富集提供了重要的物质基础。赣东北地区泥页岩有机质成熟度Ro在2.61%～2.91%之间，属于过成熟阶段，进入干气阶段。

总体上说，赣东北地区下寒武统页岩具有较好的生烃条件，表现为与美国页岩气盆地和四川盆地下寒武统页岩地化参数和矿物组成相比(表1)，有机碳含量、有机质成熟度和脆性矿物含量偏高，有机质类型大致相当，有利于下一步储层的压裂改造。

2 孔裂隙特征

孔隙和微裂隙是页岩气的主要储集空间[4]，影响着页岩气的富集规律和开采技术选择，如美国Appalachian盆地和四川盆地威远地区高产井的分布与孔裂隙发育密切相关。赣东北地区发育了不同程度的裂缝，主要分为大型裂缝[图2(a)]、中型裂缝[图2(b)]、小型裂缝[图2(c)]和微型裂缝[图2(d)]。其中裂缝以中型裂缝和小型裂缝为主，多为垂直裂缝和“X”形共轭剪裂缝，偶见方解石充填，微型裂缝比较发育，且连通性好，为页岩气的富集增大了储集空间。

赣东北地区下寒武统荷塘组页岩的孔隙度在0.40%～11.50%，平均3.10%;渗透率在(0.002 8～0.008 5)×10-3μm2，平均0.004 9×10-3μm2。微孔隙发育，主要分布在(15～18)nm的范围内(图3)。赣东北地区下寒武统荷塘组页岩中发育有机质孔、矿物间孔、有机质与矿物间孔和溶蚀孔等(图4)。由于“有机质孔隙”是含气页岩中一种占主导地位的孔隙类型[5]，因此荷塘组页岩具备了含气页岩气的储气基础。

(a)为上饶高速公路旁;(b)为葛源镇;(c)为暖水镇钻孔;(d)为怀玉山乡

3 演化特征

3.1 构造演化

晋宁运动时期，赣东北地区扬子板块东南缘向南仰冲，形成一系列褶皱及逆冲推覆叠瓦状构造，同时也形成了鹰潭-绍兴断裂、信江断裂和德兴-翕县断裂三大断裂。加里东运动时期，扬子板块沿德兴-歙县断裂一线裂解，形成上饶地块和以硅质岩为主的混合岩带—怀玉山地块，晚期发育了下寒武统荷塘组页岩。受印支运动影响，扬子地块震旦系至古生界地层逆冲推覆在怀玉山地块之上，和登山-横峰逆冲叠瓦扇系一同构成了研究区最大规模的双层式复合逆冲推覆构造[6,7]。燕山运动时期，岩浆活动频繁，构造运动进入稳定发展阶段。

(a)为A-10有机质与黄铁矿间孔隙;(b)为A-16溶蚀孔;(c)为A-19矿物间孔;(d)为AZ-35有机质孔

3.2 生烃演化

荷塘组有机质页岩青反射率测试存在高值区域2%～3.23%和低值区域5.2%～9.41%[8]。高值和低值的同时出现说明下寒武统荷塘组页岩至少经历了两次生烃过程。初次生烃发生在晋宁运动晚期[9]。由于印支、燕山运动的改造作用，下寒武统页岩埋深变浅，遭受风化剥蚀，生烃过程停滞，生成的页岩气很难得到保存。燕山—喜马拉雅运动期，下寒武统页岩进入了连续沉降阶段，热演化程度增强，进入了二次生烃阶段。赣东北地区泥页岩有机质成熟度Ro在2.61%～2.91%之间，演化程度较高。这说明二次生烃历时较久，生烃高峰延迟，为页岩气的聚集提供了充足的时间保障[10]。

4 区域构造发育特征

断裂的空间分布和发育规模是影响页岩含气量和页岩气聚集的重要因素。它们通过影响页岩渗透率的大小控制着页岩气的渗流能力和产能。研究区的断裂比较发育(图5)，三大断裂延伸(200～540)km不等。在前人对赣东北地区构造研究的基础上[11,12]，笔者根据信江断裂和德兴-翕县断裂将研究区划分为扬子地块、怀玉山地块和上饶地块，在怀玉山地块基础上划分了怀玉山区块和玉山区块(图5)。本区在晋宁运动时期形成了三大断裂和一系列线形、紧密、同斜倒转褶皱及逆冲、斜冲断层，并在之后经历长期发展、多次活动。扬子地块和上饶地块在鹰潭-绍兴断裂影响下，后期构造活跃，早期对冲结构明显，变质作用和混合岩化作用强烈，主要表现为万年隆起、德兴-弋阳古缝合线断裂带和湘西拗陷带。怀玉山地块为晋宁运动后的长期凹陷区，位于扬子板块和华南板块之间，是一个相对稳定的地块，其中怀玉山区块的构造发育以怀玉山背斜为主，玉山区块的构造发育以横峰-玉山断裂带为主。怀玉山地块震旦纪和早古生代沉积厚度巨大，一般为(7 000～8 000)m，且玉山区块早古生代地层褶皱相对微弱，一般多为宽展型对称褶曲，仅局部分布在大断裂附近。

5 岩浆活动

赣东北地区主要经历了晋宁运动时期和燕山运动时期两次大规模的岩浆活动。岩浆活动分布范围广，主要发生在德兴地区及信江盆地，呈现多点式分布，大多非顺层产出，并在怀玉山区块出露了大茅山和灵山火山岩体。

1为怀玉山地块;2为白垩纪盆地;3为燕山期侵入体;4为加里东期侵入体;5背斜轴迹;6为向斜轴迹;7为深大断裂;I为鹰潭-绍兴断裂，II为信江断裂，III为德兴-歙县断裂;8为一般性断裂

6 页岩气保存条件

6.1 含气性评价

含气量是页岩气赋存的直观反映和保存条件的重要参考指标[3]。等温吸附实验采用纯甲烷在40℃(相当于1 000 m埋深地温)、平衡湿度条件下进行，在压力达到10 MPa时，页岩的甲烷吸附量为(1.15～7.48)m3/t(图6)。按照吸附气含量约占含气量40%～80%的标准[13,14]并考虑赣东北地区含气页岩地质构造、埋深、展布情况的差异性，计算总含气量为(1.0～5.0)m3/t，和四川盆地威远W001-2井、W001-4井含气量(0.43～6.02)m3/t相比大致相当，直观反映了赣东北地区现今页岩气保存条件良好。

6.2 构造、岩浆作用对页岩气保存的影响

赣东北地区构造作用和岩浆作用都比较活跃，呈现出多期次、大规模的特点。构造、岩浆作用是影响页岩气保存条件的重要因素，对页岩的含气量具有明显的控制作用。构造运动使泥页岩产生大量微裂缝，其沉降运动会造成有机质页岩不同程度的剥蚀，同时深大断裂及一般性断裂会破坏页岩气储集层和盖层，导致部分页岩气逸散。岩浆作用一定程度上利于增大含气量，一方面通过促使微裂缝的产生增加了附近地区游离气的含量;一方面通过增大附近页岩区的地层压力增加了附近地区吸附气的含量[15];另外，岩浆作用也会破坏了泥页岩的组成及储气空间。

构造稳定区是美国Barnett页岩高产气率井位的主要分布区[16]。研究区内三大断裂的发育和发展，破坏了页岩气的储集空间，造成了区内页岩气的大量逸散。印支期大规模逆冲推覆运动使扬子地块下寒武统页岩抬升而使怀玉山地块下寒武统页岩持续沉降，减弱了扬子地块的保气效果，同时增强了怀玉山地块的保气效果。由于扬子地块和上饶地块下寒武统页岩的埋深相对较浅，一般性断裂会延伸至盖层，导致了页岩气不同程度的逸散，降低了游离气含量。

赣东北地区岩浆活动范围较大，在全区范围内均有分布。晋宁期岩浆活动促进了下寒武统有机质页岩的热演化和早期生烃，燕山期岩浆活动破坏了页岩气储集空间，减弱了初次生气的保存条件，但同时也加速了二次生烃的热演化。在岩浆作用活动区，热液扰动提前终止了下寒武统有机质页岩的生烃、生气过程[17]。同时岩浆活动也加速了围岩的变质作用和成岩作用，表现为怀玉山区块的典型混合岩带，不利于页岩气保存。玉山区块是一个受构造和岩浆活动较小的区块，并且荷塘组页岩埋深一般>1 000 m，厚度(200～700)m，有效防止了页岩气大量逸散。

7 结论

(1)赣东北地区下寒武统荷塘组有机质页岩具有良好的生烃条件，整体表现为有机碳含量高，有机质类型和美国及四川盆地含气页岩相当，厚度和埋藏深度大，且孔隙、微裂缝发育。

(2)赣东北地区构造和岩浆活动比较频繁，二者控制着页岩气的生烃演化和保存条件，且其影响作用均具有两面性，页岩气勘探有利区应选择构造、岩浆活动少发的稳定区块。

(3)赣东北地区下寒武统荷塘组页岩气保存条件整体良好，含气量在(1.0～5.0)m3/t。但不同地区具有一定的差异性:在构造和岩浆活动的双重作用下，扬子地块和上饶地块下寒武统页岩埋深浅、成岩作用强，页岩气保存条件相对较差;玉山区块构造稳定、岩浆作用弱，保存条件相对较好。

下寒武统 篇2

页岩气是指主体以游离、吸附或溶解方式存在于页泥岩及其所夹砂质、粉砂质泥岩组成的“页岩系统”中的天然气,页岩气具有自生自储的特点。页岩气的优点众多,最主要的就是含气面积广、资源量大且开采周期长。

1 区域地质背景

研究区位于扬子准地台东南缘上扬子台褶带与江南地轴结合部位的武陵褶断束内。在地层分区上,隶属于扬子区和江南区的过渡地带。区内出露的地层比较齐全,除缺失上志留统和下泥盆统外,从中元古界冷家溪群至第四系的其它地层都有分布。研究区寒武系自下而上可以划分为牛蹄塘组、杷榔组、清虚洞组、敖溪组、花桥组、车夫组、比条组及追屯组。页岩气烃源岩主要发育于下寒武统牛蹄塘组,为沉积早期的一套黑色岩系。

2 页岩气成藏条件

对于油气勘探来说,烃源岩的分布虽然受沉积相的控制,不过,只有最终保存范围和厚度才具有实际勘探意义。湘西北地区下寒武统广泛发育的页岩,其沉积层位比较稳定、分布面积广、沉积厚度大,有机碳含量高、有机质类型好,多数已到成熟———过成熟阶段,具备良好的页岩气形成条件。

2.1 烃源岩条件

Cuitis[1]认为页岩气成藏需要具备如下主要地质条件:沉积地层以泥页岩为主,单层厚度大(≥10 m),泥质含量高(泥页岩地层中的纯泥岩厚度大于10%),有机质丰度大(≥0.3%)及成熟度相对较低(Ro≥0.4%),孔隙度低(<12%)等。

2.1.1 泥页岩厚度

研究区牛蹄塘组岩性以黑色炭质页岩为主夹细砂岩及粉砂质页岩,向下炭质增高,局部成石煤,底部为黑色薄层含磷硅质岩。石门杨家坪一带,主要为一套灰黑色至黑色炭质页岩,间夹细砂岩、炭质粉砂岩。大庸、凤凰、吉首、古丈、常德螺子山一带,均为黑色炭质页岩及砂质页岩,偶夹数层黑色、黄色细砂岩及灰岩透镜体。本区牛蹄塘组黑色泥页岩厚度一般几十米至上百米不等,沉积中心在湘西吉首一带,厚度可达150 m。

2.1.2 有机质丰度

泥页岩的有机碳是油气生成的物质基础,决定页岩的生烃强度,也是页岩气吸附的重要载体[2]。泥页岩的有机碳含量越高,泥页岩吸附气含量也越高;有机碳还是页岩孔隙空间增加的重要因素之一,决定着页岩中游离气的多少。在相同的地质条件及演化阶段下,页岩生烃强度、吸附气量多少及新增游离气能力与页岩中有机碳含量呈明显的线性正相关性,有机碳含量是页岩气富集的关键参数。

据前人资料和本次野外样品有机碳分析结果表明,工区下寒武统牛蹄塘组(∈1n)黑色泥页岩有机质含量普遍都较高,湾潭剖面有机碳实测为0.5%~2.0%[3];张家界三岔富有机质团块结核黑色页岩样品的有机碳含量最高可达17.01%[4],常德拾柴坡剖面黑色页岩样品有机碳含量最高达23.25%,平均为19.34%;张家界杆子坪剖面页岩样品有机碳含量为12.31%,平均7.41%[5],怀化会同地区样品有机碳平均含量也高达13.35%。

2.1.3 有机质类型

泥页岩有机碳的类型也对页岩气富集有一定的控制作用,为页岩气评价的次级指标。页岩有机质类型越好,甲烷的吸附量越大。根据美国主要页岩气盆地的资料,产气页岩中的干酪根主要以Ⅰ型与Ⅱ型为主,也有部分Ⅲ型。

通过对研究区部分烃源岩样品镜下观察表明,岩样有机显微组分主要包括藻类体、动物碎屑、镜状体和沥青,藻类体较多,占总有机显微组分的41%;其次为动物碎屑,占总有机显微组分的34%;镜状体相对较少,占总有机显微组分的20%;沥青最少,占总显微组分的5%。有机质来源主要为藻类,通过有机质类型分析,下寒武统牛蹄塘组有机质类型为I型。

2.1.4 有机质成熟度

泥页岩有机质的成熟度对页岩气富集也起较大的作用。有机质成熟作用的过程不仅使泥页岩大量生成天然气,可供泥页岩达到饱和吸附;而且随着成熟度的增加,泥页岩对天然气的吸附量也会增加;同时,高的热演化可以改善泥页岩的微观孔隙结构,增加游离气含量;此外,高演化的页岩,增加岩石的脆性,有利于对泥页岩储层的人造压裂。根据研究区牛蹄塘组8个剖面23块烃源岩样品镜质体反射率(Ro)统计、分析表明:Ro平均2.83%,最高3.36%,最低2.06%。从剖面上看,镜质体反射率值最高为吉首龙鼻嘴剖面,最低是常德拾柴坡剖面。区内烃源岩样品成熟度大都很高,基本已停止生烃,仅少量可能处于生气阶段。

2.2 储集条件

游离气和吸附气是组成页岩气的2个主要部分。影响游离气量大小的主要因素是页岩基质孔隙的大小和天然裂缝的发育程度,在相同情况下,有机碳含量多寡则与吸附气含量高低呈正相关关系[6]。

美国5大页岩气产气盆地页岩Si O2含量一般超过30%[1],硅质含量越高页岩脆性越大,越有利于形成裂缝。本次研究对部分剖面的样品进行了全岩样分析,牛蹄塘组黑色页岩矿物的体积组成为:石英约71%,黏土占17%,方解石和白云石占6%,黄铁矿占5%,还有长石类矿物和钙芒硝。裂缝不仅可为页岩气提供聚集空间,还可为页岩气的生产提供运移通道。不过值得一提的是,对热成因型页岩气藏起积极作用的是微裂缝而不是宏观上的裂缝。Barnett页岩生产实践表明,宏观裂缝越发育产气量越低,但是由于石英含量很高,储层脆性大,微裂缝极为发育,给天然气运聚提供了通道。自加里东运动以来研究区经历多期构造的叠加改造,尤其是燕山期和喜马拉雅期挤压构造运动,在下寒武统牛蹄塘组泥页岩中产生大量的构造裂缝[7]。更重要的是研究区牛蹄塘组泥页岩中残余沥青质和干酪根,由于热演化程度高,热解生烃膨胀促使页岩中压力不断升高,当这种压力超过岩石突破压力时,页岩内部产生的大量微裂缝对页岩气成藏能起到积极的作用。

同时,页岩中有机碳含量也是页岩气吸附能力的主控因素之一,总有机碳含量直接影响页岩的吸附能力,且它的变化直接导致的是页岩吸附气量数量级的变化。在相同压力下,总有机碳含量较高的页岩比其含量较低的页岩的甲烷吸附量明显要高。区内下寒武统牛蹄塘组泥页岩总有机碳含量为0.14%~23.25%,绝大多数都大于0.5%,这为吸附气的富集提供了条件。

2.3 封盖及保存条件

虽然页岩本身既是储层又是盖层,对盖层的封盖能力要求相对较松,但断裂对页岩气的保存却影响巨大。研究区内凤凰—大庸一带,由于受印支以来的构造运动改造强烈,地层大幅抬升,褶皱严重变形,上覆地层剥蚀严重,地表出露为寒武纪地层,页岩气封盖和保存条件相对较差。尤其是受花垣—慈利基底深大断裂的影响,该地区泥页岩中的天然气可能会不断逸散。区内桑植—石门复向斜南部斜坡带至沅陵—常德一线,牛蹄塘组埋藏深度适中,基本都在2 000 m以上,盖层累计厚度大,后期构造破坏相对较弱,有利于页岩气的保存。

3 湘西北页岩气勘探前景分析

湘西北地区与美国东部地区页岩气发育既有相似的地质条件,也存在较大区别[8],都是古生代海相沉积背景下形成的富含有机质泥页岩,均经历了后期大幅度的构造抬升和强烈的地质改造,都是以高演化程度下的原油裂解产气为主。美国东部地区作为十分重要的页岩气勘探生产区,具有良好的勘探开发前景。笔者也分析了美国5大产页岩气盆地地质特征,无论盆地类型,还是源岩条件和储集性能,湘西北地区下寒武统牛蹄塘组页岩都与美国沃斯堡盆地Barnett页岩比较相似,勘探前景巨大。

研究区内桑植—石门复向斜南部斜坡带至沅陵—常德一线,面积约20 000 km2,下寒武统牛蹄塘组海相页岩分布面积广、厚度大,有机质含量高、有机质类型好,基本已达高—过成熟阶段,具有良好的页岩气形成条件。除此以外,泥页岩裂缝发育,页岩埋深适中,封盖和保存条件较好,具有良好的页岩气勘探开发潜力。其次为花垣、龙山一带,虽然受封盖、构造等因素的影响较大,不过由于页岩气藏具有一定的抗构造破坏能力,可能使得上述地区形成的页岩气藏保存较好,也具有一定的勘探开发潜力。

4 结语

湘西北地区下寒武统牛蹄塘组广泛发育的海相泥页岩,层位比较稳定、分布面积广、厚度大,有机碳含量高、有机质类型好,基本已达高—过成熟阶段,具有良好地页岩气形成条件。通过与美国主要页岩气产气盆地页岩气藏地质条件对比发现湘西北桑植—石门复向斜南部斜坡带至沅陵—常德一线页岩气成藏条件佳,是湖南省内页岩气勘探非常有利的区块。

参考文献

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[2]徐言岗,祁开令.湘中拗陷海相油气勘探前景再认识[J].石油实验地质,2005,27(6):594-596.

[3]李艳霞,李净红.中扬子区上震旦统一志留系页岩气勘探远景[J].新疆石油地质,2010,31(6):659-663.

[4]江永宏.湘、黔下寒武统黑色岩系型Ni,Mo矿床中有机质与PGE成矿作用研究[J].地质与勘探,2009,45(1):1-6.

[5]陈波.上扬子地区下寒武统页岩气资源潜力[J].中国石油勘探,2009(3):10-15.

[6]张金川,金之钧,哀明生.页岩气成藏机理和分布[J].天然气工业,2004,24(7):15-18.

[7]肖正辉,杨荣丰.湘西北下寒武统牛蹄塘组页岩气成藏条件及其勘探潜力分析[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2012,27(7):50-54.

下寒武统 篇3

1 样品与方法

1.1 野外采样

在湖南省安化东坪镇分布的土壤为发育于下寒武统黑色碳质页岩和/或黑色碳质板岩之上的黄 (红) 壤。测制了DB、DD等两个剖面, 其中, DD剖面位于东坪镇东北, DB剖面则位于东坪镇河东新挖开公路旁, 由于土壤分层不明显, 野外采样时用铁铲挖开剖面, 自上而下按10cm×10cm×10cm的规格进行连续取样, 就地装入事先预备好的塑料封口袋中。采得土壤样品共计18件。

1.2 室内分析

土壤样品于室内自然风干后, 先拣除较大的植物残体, 然后用木棍滚压过1mm筛, 接着用玛瑙钵研磨过100目尼龙筛备用。使用酸度计法测定土壤的pH值。

为进行地球化学分析, 再将上述备用样品以玛瑙研钵研磨过200目尼龙筛。土壤样品主量元素分析在核工业北京铀矿地质研究院实验室完成, 测试仪器为PW22404型X射线荧光光谱仪, 分析精度优于1%, 检测极限达30×10-6。

土壤样品的矿物组成运用X射线衍射仪 (XRD) 技术分析得到。测定步骤为:先将上述备用样品用玛瑙研钵磨至300目, 而后压制在粉晶X射线衍射仪的载物片上。测试工作在波兰克拉科夫大学矿物学实验室DRON-1型X射线衍射仪上完成。测定条件为:M o Kα、3 0 m A、40kV, 扫描区域为2θ=2.6°～75°, 扫描方式2°min-1。得到样品的衍射数据后, 导入X射线衍射分析软件MDI Jade第5版, 参照ICDDPDF数据库2004版中的矿物标准图谱判断矿物种类, 并根据衍射角、衍射峰、参比强度、相对强度计算其含量。

1.3 矿物学评价原理与方法

土壤对重金属离子吸附量可以通过土壤中单个的矿物对重金属离子的吸附量加权平均得到, 以下扼要列出评价步骤及数学公式。

(1) 根据土壤的pH值, 计算氢离子浓度[H+]土壤;

(2) 根据土壤中某种污染物金属元素j的含量, 计为

(3) 根据土壤中的矿物种类及含量, 得到单个矿物i的含量为

(4) 确定一定的水质条件下某种金属离子j的临界浓度Mj;

(5) 利用覆盖度公式, 分别计算单个矿物i在该条件下的临界覆盖度

其中, K1, i和K2, i表示矿物i的质子化常数, Kint, i表示矿物i吸附金属离子j的本征平衡常数;

(6) 计算单个矿物i的临界吸附量Sij:

(7) 矿物的临界吸附量加权平均得到土壤的临界吸附量Lj:

(8) 土壤的临界吸附量Lj和水中留存的污染物的量Mj相加, 得到土壤污染的计算阈值Lj’:

(9) 将实测值Qj与污染阈值Lj’进行比较, 得出生态效应值Ej, 依次判断污染程度:

根据生态效应值Ej的大小可评价单元土壤中金属离子的污染情况。E j=0是土壤污染与否的分界点。Ej<0时, 土壤没有遭到污染;Ej<0, 则土壤存在污染。污染程度可根据Ej的相对大小判定。在实际计算过程中, 本文参比国家标准地表水环境质量标准GHZB1-1999作为水质条件的判断依据。

2 评价结果与讨论

从评价结果 (表1) 可以看出, 各样品中Cd的含量未达到临界值, 评价值大多在-95%以下, 危险性小。但仍然可以看到DD9的评价值达到-87.39%, 说明在土壤矿物组成相近的情况下, 主导土壤样品污染程度评价结果的是样品重金属元素的含量。

Zn的评价结果指示除DD9以外的其它样品的Zn的含量也未达到污染的临界值, 但是与Cd相比则更加接近污染的临界值 (两个剖面平均值各为-55.38%和-68.34%) , 然而由于DD9很高的重金属元素含量, 与DD9相应的Zn评价值大于0而达到污染。

Cu和Ni在两个剖面的含量均超过了临界值而达到污染水平, Pb的含量在DB剖面各样品中均达到污染水平, 在DD剖面中有6个样品的生态效应值大于0。

总体来看, 剖面DB的Cd、Zn、Cu和Pb的污染程度都比DD剖面高。五种重金属元素的污染程度排序, 剖面D D为N i>C u>P b>Zn>Cd, 剖面DB为Cu>Ni>Pb>Zn>Cd。

依土壤重金属富集情况和矿物学评价结果比较来看, 剖面DD由于自上而下各样品的矿物组成变化不大, 各样品的污染程度高低由重金属元素的富集情况决定。突出表现为样品DD9较高的重金属元素含量反映为污染评价生态效应值高, 污染程度高。也就是说当土壤矿物组分相差不大时, 土壤重金属富集状况可以很好地反映污染程度。

剖面DB在垂直方向上矿物组成有明显不同, 位于剖面上部的DB1到DB5这五个样品相比位于下部的DB6和DB7这两个样品来说, 上层土壤由于风化程度更高, 所含粘土矿物的种类较多, 相应的质量分数除斜绿泥石外都较下部两个样品为高。虽然DB6和DB7中Cd、Zn、Pb、Ni的含量较之上部五个样品要低, 评价结果却显示下部两个样品的重金属污染程度要高, 反映矿物组分, 特别是样品中粘土矿物的种类和含量主导着样品的污染程度。这与其他研究者之前得出的粘土矿物对重金属离子的吸附能力强的结论相一致。

Cd的富集系数在五种重金属中最高, 意味着最高的潜在重金属污染程度, 然而矿物学评价结果显示土壤中的Cd对地表水质量并不构成的威胁。然而安化所在湘中地区酸雨污染严重, 土壤在酸雨长期作用之下pH值会降低, 到达一定程度时, 可能使目前被吸附而固定的Cd忽然释放, 因此依然需要警惕地球化学定时炸弹的风险。

3 结语

本文对湘中安化下寒武统黑色页岩土壤进行的重金属污染矿物学评价, 得到如下认识。

(1) 湘中安化下寒武统黑色页岩土壤存在Pb、Cu、Ni污染, 污染程度以Ni最重, Cu次之, Pb较轻。

(2) 富集系数很高的Cd现时还未对地表水构成威胁, 然而仍然要警惕随土壤pH下降发生的Cd的骤然释放。

(3) 当土壤矿物组分相差不大时, 土壤重金属富集状况可以很好地反映污染程度。

摘要：以湘中安化发育于下寒武统黑色页岩之上的土壤为研究对象, 利用等离子质谱 (ICP-MS) 、X射线衍射 (XRD) 等分析技术, 对土壤样品的重金属元素和矿物组成进行较系统的分析测定。在此基础上, 引入土壤重金属污染的矿物学评价法, 对样品进行了Cd、Zn、Cu、Pb和Ni的污染状况评价。结果表明:土壤中污染元素的含量与生态效应评价值并不一致;Cd和Zn的污染尚未达到临界值, 危险性较小, 但不能因此忽视地球化学定时炸弹的风险;Pb、Cu和Ni存在污染, 需要采取有效措施改善和预防目前和将来的污染危害。

关键词：黑色页岩土壤,下寒武统黑色页岩,重金属污染评价,湘中

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