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塔中地区良里塔格组海平面变化对高频层序和沉积演化的控制

高达, 王明敏, 陶叶, 黄理力, 孙春燕, 黄鑫淼, 武建伟

高达, 王明敏, 陶叶, 黄理力, 孙春燕, 黄鑫淼, 武建伟. 塔中地区良里塔格组海平面变化对高频层序和沉积演化的控制[J]. 中国地质, 2022, 49(6): 1936-1950. DOI: 10.12029/gc20220617
引用本文: 高达, 王明敏, 陶叶, 黄理力, 孙春燕, 黄鑫淼, 武建伟. 塔中地区良里塔格组海平面变化对高频层序和沉积演化的控制[J]. 中国地质, 2022, 49(6): 1936-1950. DOI: 10.12029/gc20220617
GAO Da, WANG Mingmin, TAO Ye, HUANG Lili, SUN Chunyan, HUANG Xinmiao, WU Jianwei. Control of sea level changes on high-frequency sequence and sedimentary evolution of Lianglitage Formation in the Tazhong Area[J]. GEOLOGY IN CHINA, 2022, 49(6): 1936-1950. DOI: 10.12029/gc20220617
Citation: GAO Da, WANG Mingmin, TAO Ye, HUANG Lili, SUN Chunyan, HUANG Xinmiao, WU Jianwei. Control of sea level changes on high-frequency sequence and sedimentary evolution of Lianglitage Formation in the Tazhong Area[J]. GEOLOGY IN CHINA, 2022, 49(6): 1936-1950. DOI: 10.12029/gc20220617

塔中地区良里塔格组海平面变化对高频层序和沉积演化的控制

基金项目: 

国家自然科学基金 41502104

湖北省自然科学基金 2017CFB533

油气资源与勘探技术教育部重点实验室开放基金 K-2018-06

详细信息
    作者简介:

    高达, 男, 1988年生, 博士, 副教授, 主要从事沉积学和层序地层学的教学和研究工作; E-mail: gaoda18@gmail.com

    通讯作者:

    王明敏, 女, 1998年生, 博士生, 主要从事海洋地质学与地球化学方面的研究; E-mail: wangmingmin20@mails.ucas.ac.cn

  • 中图分类号: P618.13

Control of sea level changes on high-frequency sequence and sedimentary evolution of Lianglitage Formation in the Tazhong Area

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 41502104

Natural Science Foundation of Hubei Province 2017CFB533

the Open Fund of Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources (Yangtze University), Ministry of Education K-2018-06

More Information
    Author Bio:

    GAO Da, male, born in 1988, doctor, associate professor, mainly engaged in teaching and researching of sedimentology and sequence stratigraphy; E-mail: gaoda18@gmail.com

    Corresponding author:

    WANG Mingmin, female, born in 1998, doctor candidate, mainly engaged in marine geology and geochemistry; E-mail: wangmingmin20@mails.ucas.ac.cn

  • 摘要:
    研究目的 

    碳酸盐岩地层易受海平面变化影响而发育高频层序,但是反映海平面变化的地化指标的精度不足,导致高频层序对海平面振荡的响应认识不够深入,高频海平面变化对台地边缘礁滩沉积的高频层序和沉积演化的控制尚不明确。

    研究方法 

    论文研究选取塔里木盆地塔中地区某钻井的上奥陶统良里塔格组连续取心资料,通过密集取样开展微相分析和碳、氧同位素测试分析。

    研究结果 

    该井良里塔格组中上部发育7种微相类型,沉积演化分析表明良里塔格组沉积中—晚期,沉积环境由潮坪向生物礁-颗粒滩再到较深水的开阔台地演化。碳、氧同位素测试显示δ13C为0.5993‰~1.6228‰(均值1.139‰),δ18O值为-8.3608‰~-5.1452‰(均值为-6.790‰);δ13C和δ18O的振荡变化与微相变化和沉积旋回对应良好。古海洋条件分析表明,良里塔格组沉积时期气候温热,礁、滩体发育层段样品的古温度值最高,代表着高的碳酸盐产率;Z值所反映的古盐度在底部潮坪沉积段最高,在高频旋回的顶部古盐度均明显减小,指示可能存在大气淡水的影响。与塔北地区南缘和巴楚地区的δ13C和δ18O存在一定差异,主要受控于沉积环境和古水深。

    结论 

    良里塔格组中—上部存在至少3个完整的海平面升降变化周期,内部又包括至少2个次级周期;不同级别的海平面振荡主要受古气候变化驱动,并控制了高频层序的发育。海平面先缓慢上升再持续稳定或小规模振荡,是连续厚层的生物碎屑和砂屑颗粒滩沉积发育的有利条件;良里塔格组沉积晚期海平面快速上升,沉积环境向滩间洼地和较深水的开阔台地转变。在高频层序顶部海平面的小规模下降导致的早期岩溶作用是礁滩体储层质量改善的重要因素。

    创新点:(1)基于钻井岩心高密度取样开展的碳、氧同位素测试分析,揭示了受古气候变化控制的高频海平面升降控制了浅水碳酸盐岩礁滩型高频层序;(2)阐明了海平面缓慢上升再相对稳定,是连续厚层的生物碎屑和砂屑颗粒滩沉积发育的有利条件,并利于礁滩体早期岩溶的发育。

    Abstract:

    This paper is the result of oil and gas exploration engineering.

    Objective 

    Carbonate strata are susceptible to sea-level changes and thus develop high-frequency sequences. However, the accuracy of geochemical indicators reflecting sea-level changes is insufficient, resulting in poor understanding about the high-frequency sea-level fluctuation. The controls of sea-level changes on the high-frequency sequence and sedimentary evolution of the platform-margin reef-shoal deposits remain unclear.

    Methods 

    Continuous core data from a well in the Upper Ordovician Lianglitage Formation in the Tarim Basin were selected for microfacies analysis, carbon and oxygen isotope analyses by densely-collected samples.

    Results 

    Seven microfacies types developed in the middle and upper part of Lianglitage Formation. The analysis of the sedimentary evolution shows that the sedimentary environment evolved from tidal flat to reef and shoal, and to deeper platform during the middle to late period of deposition. The carbon and oxygen isotope values ranges from: δ13C is 0.5993 ‰-1.6228 ‰ (average 1.139 ‰) and δ18O value is -8.3608 ‰- -5.1452 ‰ (average -6.790 ‰). The changes of the δ13C and δ18O correspond well with the evolution of microfacies and sedimentary cycles. The analysis of paleo-ocean conditions shows that the Lianglitage Formation was deposited under warm climate and the reef and shoal samples recorded high paleo-temperature, representing a high rate of carbonate production. The paleo-salinity reflected by the Z-value is high according to the samples at the bottom of the tidal flat, and it is relatively low at the top of high-frequency cycles, probably indicating the influence of meteoric water. The range of δ13C and δ18O values differ from the Tazhong area, the southern margin of Tabei area, and Bachu area, which is mainly related to the difference in environment and water depth.

    Conclusions 

    At least three cycles of sea-level change and two secondary cycles exit in the middle to upper parts of the Lianglitage Formation. Different levels of sea-level changes are mainly driven by paleoclimate changes that control the formation of high-frequency sequences. Sea level rises slowly and then continues to be stable or oscillate on a small scale, which provide a favorable condition for the deposition and development of thick-bedded bioclasts and carbonate sands. Sea level rose sharply during the late sedimentary period of the Lianglitage Formation, and the sedimentary environment turned into inter-shoal lagoons and deeper platforms. The early-stage karstification caused by the small-scale sea-level drop at the top of the high-frequency sequence is an important factor to improve the reservoir quality of reef and shoal faces.

  • 砷(As)在自然界普遍存在,是国际癌症研究机构(IARC)列出的第Ⅰ类明确致癌物(WHO, 2011Shahid et al., 2018)。饮用水砷浓度最敏感的毒性阈值尚未确定,世界卫生组织推荐的饮用水砷浓度限值为10 μg/L(WHO, 2011)。美国环境保护署(EPA)和国家研究委员会(NRC)指出,长期饮用浓度低至5 μg/L甚至3 μg/L的水可能会对人类健康造成慢性影响,引发癌症(Taheri et al., 2017)。饮用高砷地下水是人类遭受砷暴露风险的主要途径,全球有超过1亿人承受高砷地下水的暴露风险,其中中国有1900万(Duan et al., 2017; Li et al., 2017Cao et al., 2018Shahid et al., 2018)。

    高砷地下水在全球分布广泛,南亚、东南亚是地下水砷污染的典型地区,已经开展过深入而广泛的地球化学研究,解析高砷地下水的形成演化过程,追溯砷的来源及其溶出释放机制(Tang et al., 1996Wang et al., 1998Deng et al., 2009; Xie et al., 2012Li et al., 2013;Gan et al., 2014;Hu et al., 2015Gupta et al., 2017Zhang et al., 2017Han et al., 2017Li et al., 2018Gillispie et al., 2019Gao et al., 2020)。含砷矿物氧化溶解及还原活化是高砷地下水形成的主要机制(Gupta et al., 2017; Zhang et al., 2017; Shahid et al., 2018; Gillispie et al., 2019; Stopelli et al., 2020)。中国高砷地下水主要分布在大同盆地、江汉平原、河套盆地、银川盆地等内陆平原区;淮河流域是中国新发现的高砷地下水集中分布区,高砷地下水分布范围广,影响人口众多。根据2010年代开展的淮河流域地下水分析数据统计预测,淮河流域大部分地区的砷暴露风险概率大于0.4,统计发现流域内各村庄监测水井As浓度超过10 μg/L的比例达17%,最高检测值为620 μg/L(Li et al., 2017)。

    高砷地下水的形成是在水岩相互作用过程中多因素共同作用的结果。淮河流域富砷地下水砷污染系原生成因,以前的研究工作主要集中在地下水As的水文地球化学分布、饮水型砷中毒地方病的地理分布等方面(Zhang et al., 2010Chen et al., 2013; Li et al., 2017)。淮河流域高砷地下水的研究程度低,缺乏对高砷地下水的形成过程及其影响因素的深入解析,高砷地下水的形成演化机制不明。本次研究选择淮河平原代表性的高砷地下水小尺度流场,针对以往研究的薄弱环节,运用地下水水文地球化学分析方法,主要研究目标为:(1)分析典型高砷地下水的水文地球化学特征,评估其污染风险;(2)解析高砷地下水的形成演化过程;(3)追溯砷污染物的来源及溶出释放过程。开展高砷地下水的形成演化过程研究,为淮河流域高砷地下水的治理与公共健康风险控制提供科学依据。

    淮河流域地处中国东部,流域西起桐柏山、伏牛山,东临黄海,南以大别山、江淮丘陵、通扬运河及如泰运河分界,北以黄河、泰山为界与黄河流域毗邻,地理坐标:111°55′~121°25′E,30°55′~36°36′N,面积为27万km2。该流域处于中国南北气候过渡带,属暖温带半湿润季风气候区,年平均气温11~16℃。其地质构造上位于华北板块、扬子板块、秦岭造山系3个构造单元的交接地带(Zhang et al., 2015) (图 1)。

    图  1  淮河流域安徽太和县地质背景、采样部署及水文地质剖面
    Figure  1.  Geological background, sampling sites and hydrogeological profile of Taihe County of Anhui Province in Huaihe River Basin

    研究区安徽省太和县位于淮河流域中部,以冲积平原地貌为主,海拔高程一般15~50 m,地势由西北向东南微倾。研究区分布最广的地下水类型为松散岩类孔隙水,水文地质分区划分为淮河中游淮北冲积平原区。自新近纪(23 Ma)以来,淮河流域形成了巨厚的新近系、第四系松散沉积物,为区域地下水的形成与分布提供了良好的水文地质条件。研究区地下水系统自上而下划分为浅层、中深层、深层含水系统(Li et al., 2018)。浅层地下水赋存于50 m以浅的全新统、上更新统地层,与大气降水、地表水关系密切,地下水埋深一般为2~4 m,均在极限蒸发深度以内,蒸发是浅层地下水的主要排泄途径。中深层地下水赋存于50~150 m的中、下更新统地层,深层地下水主要赋存于150~500 m的新近系(图 1)。由于中、深层地下水埋藏较深(埋深大于50 m),含水层之间有着黏性土层相隔,不能直接接受大气降水的补给,径流缓慢,人工开采是深层地下水的主要排泄途径。

    太和县是淮河平原典型的高砷地下水分布区(图 1),本次研究选择太和县马集镇及相邻区的高砷地下水小尺度流场为天然实验场,采集测试地下水样品。本次研究采用精度为1 km×1 km(局部1 km×0.5 km)的近似网格法布设采样点。本次研究于2019年5、9月采集样品,共采集地下水样64件。采集的地下水样品,主要取自研究区井深不到50 m的浅井,水位埋深4~50 m,含水层为第四系砂层、细砂层、粉砂层。

    地下水样品水化学分析了As、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、F-、Br-、总碱度和总酸度。阳离子(Na+, K+, Ca2+, Mg2+)采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定,阴离子(HCO3-, SO42-, Cl-, F-, Br-)用离子色谱法测定,总碱度、总酸度采用酸滴定法测定,地下水As浓度测试采用荧光光谱仪(AFS-820,中国),As检出限为0.05 μg/L,精密度<1.0%。样品测试分析由中国地质调查局南京地质调查中心实验测试中心完成。研究区地下水化学分析结果见表 1

    表  1  淮河流域安徽太和县地下水化学测试分析(2019年6月、9月采样)
    Table  1.  Chemical assay data of groundwater quality in Taihe County of Anhui Province in Huaihe River Basin (sampled in June and September 2019)
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    根据热力学原理,水岩反应中矿物的溶解与沉淀由各种矿物在地下水中的饱和指数(SI) 决定,利用SI可以识别水质和水化学演化过程(Zhu et al., 2011Han et al., 2014Taheri et al., 2017)。SI的数学表达式为:

    其中IAP是离子活性积,Ks是矿物的平衡常数。SI<0、SI = 0、SI>0分别为矿物处于溶解、平衡、沉淀阶段的热力学判据,通常认为0.5>SI>-0.5为近饱和状态。

    地下水化学分析以SPSS 19.0为平台对数据进行描述统计、相关分析、回归分析,以Phreeqc 3.40为平台选择确定矿物相,计算矿物饱和指数,专题图以Coreldraw X4、AquaChem 3.70为平台制作。

    根据地下水化学测试分析结果,依据国家地下水质量标准GB/T 14848-2017分类标准(MLR,2017),地下水中As、Cu、Mo、Ba、Na+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、NO3-、NO2-、F-、COD、I、TDS、Mn、HBO2等的均值、标准差与质量分类见表 1。影响太和马集研究区松散岩类孔隙水水质的主要无机组分是砷、钡、钠、氯、氟、碘、锰、硝酸盐、硫酸盐、硼、溶解性总固体,其中砷、氟、锰、钠、硼是最主要影响因子,单项指标超过地下水质量Ⅲ类标准的样品比例均超过50%(表 1表 2)。

    表  2  安徽太和县地下水化学统计分析与评价
    Table  2.  Statistics and evaluation of groundwater chemistry of Taihe Conty, Anhui Province in Huaihe River Basin
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    依据世界卫生组织推荐的饮用水质量标准(WHO, 2011),影响研究区地下水水质的主要因素是As、F浓度。研究区浅层地下水砷浓度为(5.75±5.42) μg/L,呈现明显的空间变异性;超过世界卫生组织饮用水推荐准则值(10 μg/L)样品比例为23%,呈现高暴露风险。地下水氟浓度为(1.29±0.40) mg/L,超过推荐限值(1.5 mg/L)样品比例达31%。

    本次研究采集分析的地下水均为浅层孔隙水,含水岩组为全新统和上更新统含水岩组。根据水化学分析结果,研究区浅层地下水的总溶解固体(TDS)浓度为(719.29±310.20) mg/L,其中大部分样品为低盐度淡水(<1000 mg/L),26%在微咸水(1000~3000 mg/L)范围内。地下水的化学成分受主要离子(SO42-、Cl-、HCO3-、Na+、Ca2+、Mg2+)控制。阴离子成分以HCO3-为主,SO42-和Cl-次之,浓度分别为(617.93±220.25)、(83.73±73.09)、(54.03±58.81) mg/L。阳离子以Na+为优势离子,其次为Ca2+、Mg2+,浓度分别为(186.04±120.17)、(46.17±27.91)、(39.48±12.39) mg/L。

    研究区测试样品总碱度(516±169) mg/L,总酸度(20.00±4.63) mg/L,地下水呈碱性。测试样品总碱度与HCO3-浓度极显著正相关,相关系数R=0.997(P≤0.01),故水样中总碱度表现为HCO3-碱度,总碱度大小总体上反映了HCO3-含量的大小。高砷地下水总碱度主要分布在400~700 mg/L(图 2),研究区碳酸盐岩矿物风化作用和离子交换反应升高了地下水的碱度。

    图  2  淮河流域安徽太和县高砷地下水总碱度图解
    Figure  2.  Diagram of total alkalinity of high-arsenic groundwater in Taihe County of Anhui Province, Huaihe River Basin

    优势离子决定了地下水的类型,按piper三线图统计,研究区水化学类型以HCO3-Na为主,其次为HCO3-Na·Mg、HCO3-Na·Ca,HCO3-Na·Ca·Mg型。高砷地下水的水化学类型主要为HCO3-Na型(图 3)

    图  3  淮河平原安徽太和县地下水piper图
    Figure  3.  Piper diagram of the groundwater in Taihe County of Anhui Province, Huaihe River Basin

    Cl和Br也是地下水中普遍存在的溶质,由于Cl、Br在天然水中的保守行为和高溶解度,离子交换反应与矿物表面吸附等过程不能显著改变Cl和Br的浓度。岩盐(NaCl)矿物结构中不含较大的Br离子,其Cl/Br比值一般为104~105(摩尔比),岩盐溶解随着氯离子浓度的增加将产生Cl/Br比值的快速增加;相比之下,地下水的蒸发过程可以改变地下水中Cl和Br的绝对浓度,但不会改变地下水岩盐饱和之前的Cl/Br比值。因此应用Cl、Br及Cl/Br比值可以识别区分地下水的溶解、蒸发等演化过程(Cartwright et al., 2006Deng et al., 2009Xie et al., 2012Xing et al., 2013Han et al., 2014Taheri et al., 2017)。

    研究区测试样品的Cl-浓度范围0.70~210 mg /L,均值(54.03±58.81) mg/L,Br-浓度范围为10.7~324 μg/L,均值(104±87.9) μg/L。Cl-浓度与Br-浓度显著正相关,相关系数0.75(P≤0.01)。样品的Cl-、Br-浓度较低,Cl/Br(mol)均值为1097±1044,比值变化范围51.0~4603。样品中大部分的Cl/Br比值超过600,显示显著的空间变异性;As超标地下水(>10 μg/L)的Cl/Br比值范围544~3093,均值993。测试样品Cl/Br比值最高值超过4600,地下水Cl浓度不超过6 mmol /L,地下水溶解少量的岩盐是Cl/Br比值快速增大最可能的机制,较大的Cl/Br比值变化范围反映出各测试样品岩盐溶解量的不同。Cl/Br比与Cl浓度之间的关系(图 4)表明,蒸发作用、岩盐溶解作用是控制浅层地下水分布的主导过程,高砷地下水Cl/Br比值随Cl浓度的增加而相对不变,说明高砷地下水更大程度受到蒸发作用的影响。

    图  4  淮河流域安徽太和县地下水Cl/Br比值与Cl相关图
    Figure  4.  Correlation between Cl/Br ratio and Cl of groundwater in Taihe County of Anhui Province, Huaihe River Basin

    Ca/Na、Mg/Na、HCO3/Na(mol)比值可以表示地下水矿化度的强弱,也可以得到地下水来源及水质演化的相关信息,在一定程度上为区域水文地球化学演化过程提供判断依据(Zhu et al., 2011; Liu et al., 2018)。从研究区地下水Mg /Na-Ca/Na、HCO3/Na-Ca/Na关系图(图 5)可知,随着Ca/Na比值的增大,地下水的Mg /Na、HCO3/Na比值逐渐增加。地下水主要阳离子浓度比值主要分布于蒸发盐矿物溶解与硅酸盐矿物风化作用之间,少部分分布于硅酸盐矿物风化作用与碳酸盐矿物溶解作用之间,表明研究区地下水受到蒸发盐溶解、硅酸盐风化、碳酸盐溶解等过程的共同影响。高砷地下水的离子比值主要分布于蒸发盐矿物溶解与硅酸盐矿物风化作用之间,显示高砷地下水更大程度受到蒸发盐溶解与硅酸盐矿物风化过程的影响。

    图  5  淮河流域安徽太和县高砷地下水Ca/Na-Mg/Na、HCO3/Na-Ca/Na图解
    Figure  5.  Diagram of Ca/Na-Mg/Na and HCO3/Na-Ca/Na of groundwater in Taihe County of Anhui Province, Huaihe River Basin

    Na/Cl比值(mol)是表征地下水中Na+富集程度的一个水文地球化学参数,可以用来反映离子交换程度(Xing et al., 2013Han et al., 2014Yang et al., 2016Taheri et al., 2017)。淮河流域属于干旱—半干旱地区,蒸发作用强烈,导致岩盐在沉积层累积,岩盐溶解是平原盆地区地下水中Na+和Cl-的主要来源之一。如果岩盐溶解为Na+与Cl-的主要来源,则Na/Cl(mol)-的比值应为1∶1,高于此比值的Na+则可能有其他来源。本次研究全区采集地下水样Na/Cl比值为9.63±57.4,绝大部分样品远大于1∶1,呈现显著的空间变异性,Na/Cl比值随Cl浓度的增加呈下降趋势;高砷地下水(10>As≥5 μg/L)、污染地下水(As≥10 μg/L)的Na/Cl比值分别为43.1±85.1、15.7±16.0,全部位于岩盐溶解线上方(图 6)。由此推断,研究区地下水的Na+并不仅仅来源于岩盐溶解,地下水总体上可能经历强烈的阳离子交换作用,而且高砷地下水的离子交换作用更为显著。

    图  6  淮河流域安徽太和县高砷地下水Na-Cl图解
    Figure  6.  Na-Cl diagram of groundwater in Taihe County of Anhui Province, Huaihe River Basin

    水岩相互作用控制着地下水中主要离子浓度及其赋存状态。本次研究利用PHREEQC 3.7计算矿物饱和指数,结果表明:近饱和矿物方解石(0.41)、文石(0.26)、菱镁矿(0.04) 的SI值接近0,处于准平衡状态;未饱和矿物岩盐(-6.52)、石膏(-1.99)、硬石膏(-2.23)、萤石(-1.02)的SI值小于-0.5,表明存在岩石溶解的趋势;白云石(0.70) 的SI大于0.5,存在化学沉淀的趋势(表 3)。地下水中Cl-、F-、SO42-部分源自岩盐、萤石及石膏、硬石膏矿物的溶解释出。

    表  3  淮河流域安徽太和县地下水矿物饱和指数
    Table  3.  Saturation indices of groundwater in Taihe County of Anhui Province, the Huaihe River Basin
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    在自然环境pH、Eh条件下,砷元素主要以无机氧化态As(Ⅴ)和还原态As(Ⅲ)元素价态存在。沉积物(土壤)中含砷矿物通常以砷酸盐、亚砷酸盐和硫化物等矿物相存在,在还原条件下,砷黄铁矿是砷的稳定宿主,其伴生砷与地下水砷分布高度相关(Hu et al., 2015; Taheri et al., 2017; Duan et al., 2017; Zhang et al., 2017; Shahid et al., 2018; Gillispie et al., 2019)。地下水动态、氧化还原电位(Eh)、酸碱度(pH)的变化影响沉积物砷的吸附-解析过程,进而影响水体砷的浓度,高pH、低Eh还原条件促进沉积物中砷的解吸和溶解进入地下水而在溶液中积累(高存荣等, 2010; 王杰等, 2015; Duan et al., 2017; Taheri et al., 2017; Zhang et al., 2017; Gillispie et al., 2019)。

    地下水中的SO42-可能源自石膏溶解与硫化物氧化,全区地下水SO42-/Ca2+ (mol) 比值为0.76,地下水的SO42-不仅仅源于石膏矿物的溶解,还有硫化物的氧化。测试样品中的As和SO42-浓度之间正相关(相关系数R=0.584)。分析样品中As<3 μg/L、3 μg/L≤As<5 μg/L、5 μg/L≤As<10 μg/L与As≥10 μg/L地下水的SO42-浓度均值分别为0.74、1.09、0.92与0.93 mmol/L,高砷地下水呈现相对高的硫酸盐浓度。

    经X射线衍射物相分析,淮河流域浅层(0.2~1 m)沉积物主要矿物成分为石英、钾长石、方解石和黏土矿物,含量分别为47.1%、3.79%、8.27%和33.4%。部分样品中含有少量黄铁矿和菱铁矿,含量分别为2.5%和47.1%,未检测到赤铁矿,反映还原性地下水环境。据地下水化学数据与表层沉积物物相分析结果推测淮河流域沉积物中砷在还原条件下可能以含砷硫化物相存在,由于长期大量开采地下水,地下水流系统环境改变,破坏了含水层固液相动态交换的平衡,触发As从固相释放到地下水中。碳酸盐矿物的溶解通常会增加碱度(pH)值,在高pH条件下,含砷硫化物的氧化速率增加,地下水SO42-浓度增高,促进As向水体的释出。pH值的增大也促进As从金属氧化物(Fe、Mn)中解析从而增加水中As浓度(Duan et al., 2017; Taheri et al., 2017; Zhang et al., 2017; Gillispie et al., 2019)。因此推测含水层沉积物含砷矿物氧化溶解与还原活化是导致原生砷向地下水释出的主要过程。研究区地下水表现出的高矿化度和强烈蒸发作用可能与农业灌溉有较大关系,含水层中原生的矿物组分是造成高砷水的最主要原因。另外,高强度的深层地下水抽取灌溉也可能是导致的高砷水进入浅水含水层的原因之一。

    高砷地下水的形成是多因素综合作用的结果,是一个复杂的水文地质过程。高砷地下水的形成是含砷矿物集聚、固相砷的溶解析出及富集砷的水文地质条件等在水岩相互作用过程中多因素综合作用的结果。本次研究选择流域内典型的高砷地下水小尺度流场为天然实验场,解析高砷地下水的形成演化过程,追溯砷的来源及其溶出释放机制。

    (1) 研究区地下水砷含量为(5.75±5.42) μg/L,具有明显的空间变异性,超过世界卫生组织饮用水推荐准则值的测试样品比例为23%,呈现高暴露风险,饮用高砷地下水可能是威胁人类健康的主要途径。

    (2) 根据水化学成分解析,研究区地下水经历蒸发作用、岩盐溶解、水岩相互作用等过程的共同影响。高砷地下水的化学类型主要为HCO3-Na型,高砷地下水更大程度受到蒸发作用、阳离子交换作用的影响。

    (3) 研究区高砷地下水系原生成因,高砷地下水的As源自含水层沉积物原生砷的溶出释放。碱性环境下,含水层沉积物含砷矿物氧化溶解与还原活化可能是高砷地下水形成的主要机制。

  • 图  1   塔里木盆地晚奥陶世良里塔格组沉积期岩相古地理和碳酸盐台地边缘分布(据林畅松等, 2013修改)

    Figure  1.   Lithofacies palaeogeography and carbonate platform margins in the depositional period of the Lianglitage Formation in the Late Ordovician of the Tarim Basin (after Lin Changsong et al., 2013)

    图  2   塔中地区TZ-X井良里塔格组典型微相特征

    a—含黏土绿藻粒泥灰岩微相(MF1),4926.8 m;b—海百合核形石砾屑灰岩/礁灰岩微相(MF2),4969.7 m;c—海百合核形石砾屑灰岩/礁灰岩微相(MF2),4969.7 m;d—生屑粒泥灰岩微相(MF3),4971.4 m;e—绿藻海百合泥粒灰岩微相(MF4),5012.8 m;f—含生物砾屑的似球粒生屑泥粒灰岩微相(MF5),5014.8 m;g—含生物砾屑的似球粒生屑泥粒灰岩微相(MF5),5034.7 m;h—生屑似球粒泥粒-颗粒灰岩微相(MF6),5035.0 m;i—窗格孔/鸟眼孔粒泥-泥粒灰岩微相(MF7),5085.3 m。BC—生物碎屑;Bv—双壳;CA—钙藻;Cr—海百合;Gs—腹足;On—核形石;Os—介形虫;Pl—球粒

    Figure  2.   Typical microfacies characteristics of Lianglitage Formation in TZ-X well in Tazhong area

    a-Green-algae wackestone with clay (MF1), 4926.8 m; b-Crinoid and oncoid rudstone/reef limestone (MF2), 4969.7 m; c-Crinoid and oncoid rudstone/reef limetone (MF2), 4969.7 m; d- Bioclast wackestone (MF3), 4971.4 m; e- Green- algae and crinoid packstone (MF4), 5012.8 m; f-Peloid and bioclast packstone with bioclast breccia (MF5), 5014.8 m; g-Peloid and bioclast packstone with bioclast breccia (MF5), 5034.7 m; h-Bioclast and peloid packstone to grainstone (MF6), 5035.0 m; i-Fenestra/bird-eye wackestone to packstone (MF7), 5085.3 m. BC-Bioclast; Bv- Bivalve; CA-Calcareous algae; Cr-Crinoid; Gs-Gastropod; On-Oncoid; Os-Ostracod; Pl-Peloid.

    图  3   塔中地区TZ-X井良里塔格组沉积微相和碳、氧同位素特征综合柱状图

    Figure  3.   Sedimentary microfacies and carbon and oxygen isotope characteristics of the Lianglitage Formation in Well TZ-X in Tazhong area

    图  4   塔中地区TZ-X井良里塔格组碳、氧同位素数据分布散点图

    Figure  4.   Scatter plot of carbon and oxygen isotope data distribution of the Lianglitage Formation in Well TZ-X in Tazhong area

    图  5   塔中地区TZ-X井良里塔格组沉积晚期古海洋条件和海平面变化综合柱状图

    Figure  5.   Paleooceanic conditions and sea level changes during the deposition of the Lianglitage Formation in Well TZ-X in Tazhong Area

    图  6   塔中地区TZ-X井良里塔格组与盆地其他地区奥陶系碳、氧同位素分布差异

    Figure  6.   Differences in the distribution of carbon and oxygen isotopes between the Lianglitage Formation in TZ-X well and the Ordovician in the other areas of the basin

    表  1   塔中地区TZ-X井良里塔格组古温度和Z值数据

    Table  1   Paleotemperature, paleo-salinity (Z value) data of the Lianglitage Formation in Well TZ-X in Tazhong area

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-21
  • 修回日期:  2021-11-06
  • 网络出版日期:  2023-09-25
  • 刊出日期:  2022-12-24

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