滨海平原粘性土孔隙水化学组分扩散特征及其环境意义

Clay-rich aquitard pore water is valuable paleo-climate record file, due to its slow transport and long resident time in low permeable deep buried clay formation. However, in the sedimentary basins, clay and sand layers are always alternatively deposited. Regeneration of the groundwater in aquifers (sand layers) would result an extensive solutes concentration gradient with the adjacent clayey pore water. The gradient causing the diffusion between aquifer groundwater and clay pore water would complicate the paleo-climate information record of clay pore water. Therefore, in the application of aquitard pore water to reflect paleo-climate, we need find out the diffusion effect on the pore water. In this study, we will collect a series of undisturbed clayey samples, located between the first and the second aquifer in western Bohai Bay. Extract pore water from the clay core samples, and get the vertical profile of chemical components and isotopes of aquitard pore water. Then using the undisturbed clayey samples to conduct pore water static diffusion experiments and obtain the effective diffusion coefficient of pore water Cl- and clay effective porosity. Through the one-dimension diffusion modeling of pore water solute in clay, we will find out the diffusion process of pore water chemical components in thick clay formation, and evaluate the diffusion effect on the pore water paleo-cliamte information. This study may supply scientific instructions to paleo-climate, groundwater resource and groundwater environment protection, and also enrich the hydrogeology contents on low permeable medium.

深埋低渗透粘性土中的孔隙水运移缓慢，滞留时间长，是极具价值的古气候记录档案。但是沉积盆地中，粘性土层往往与砂层交互沉积，含水层地下水的交替更新引起其与相邻粘性土孔隙水间较大的化学浓度梯度，导致含水层与粘性土层间扩散交换，使粘性土孔隙水记录的古沉积环境信息失真。因此，在解读粘性土孔隙水古气候记录档案时，需要查明扩散作用的影响程度。本课题以渤海湾西岸第一与第二含水层间的厚层粘性土为例，通过钻孔采集连续的粘性土柱，获取粘性土孔隙水化学和同位素的垂向分布特征；进行原状土孔隙水静态扩散实验，获得粘性土孔隙水化学组分（Cl-）有效扩散系数和粘性土有效孔隙度，建立粘性土垂向一维溶质运移扩散模型，揭示厚层粘性土中孔隙水化学组分的扩散运移过程，从而探讨扩散作用对孔隙水古气候记录信息的影响程度。为古气候研究、地下水资源评价、地下水环境的安全保护提供重要的科学依据，同时也将拓宽低渗透介质水文地质学的研究内容。

粘性土中孔隙水的运移以扩散为主，循环交替缓慢。滨海平原巨厚的粘性土层极有可能记录了沉积时期的古水文信息。但粘性土与相邻含水层间的水质水量交换，不仅威胁地下水的水质安全，也使粘性土孔隙水的古环境记录失真。量化粘性土孔隙水扩散的强弱是评价其封存性的重要依据。本课题以渤海湾西岸厚层粘性土为重点研究对象，提取了粘性土孔隙水,测试了孔隙水化学同位素组成。从孔隙水化学-同位素剖面特征得出：浅层孔隙水为卤水-咸水，最高矿化度达78.4g/L， 深层孔隙水为微咸水。浅层孔隙水Cl/Br比值与海水接近，且赋存于海相沉积层，说明孔隙水为原生海水，经历蒸发而成卤，揭示了全新世中国北方气候干旱。深层孔隙水起源与大气降水，氢氧同位素偏负，位于全球雨水线右下方，可能是冰期水补给。Cl-δ2H混合模型表明深层孔隙水盐度来源于浅层卤水的扩散混合。孔隙水在粘性土中的长期滞留，水化学组分受到了硅酸盐岩风化、阳离子交换及硫酸盐还原作用的改造。为验证粘性土保留古海水的程度，研制了粘性土孔隙水径向扩散仪，测定了3个深层粘性土Cl-扩散系数，均值为2.8E-10 m2/s。建立了粘性土孔隙水垂向一维扩散模型，模拟得出粘性土孔隙水扩散的强弱主要受粘性土厚度，渗透系数，扩散系数及运移时间的控制。得出低渗透粘性土中（K<10-10m/s）全新世海水尚未被现代水驱替，厚度为10m，20m和50m时，保留的海水最大比例分别为33%，60%，96%。在相邻含水层为淡水条件下，粘性土中晚更新世海水基本已经被完全替换（运移120ka）。 对比黄海西岸孔隙水剖面特征，进一步证明了全新世古海水的存在，以及深层地下水的咸化。但黄海西岸浅层海水并未成卤，Br-富集，表明全新世气候相对北方湿润，河湖地层生产力高，生物作用或有机质释放Br。本研究对于滨海地下水的咸化成因、水质监测以及古气候研究提供了重要依据。