淤泥演化为粘土隔水层过程中的水-岩相互作用

Based on the heterogeneous phenomenon that clay aquitards and lens accompany with aquifers on Plain Areas, the present study, in the view of geological evolution, proposed the scientific hypothesis that mud in the process of its sedimentary burial provided the water and property source for the adjacent aquifers. Aiming at the scientific problem how to make the generalization, characterization and modeling of water-rock interaction during the evolution of mud to clayed aqruiclude, this research will simulate the evolution process from mud to clay, by taking indoor elevating temperature and pressure system as key technology. The research will establish the time frame for evolution of key processes from mud to clay based on the change of moisture content, and reveal the varying regularity of physical, chemical and biological processes in mud during different stages of releasing water, and identify stressly the speciation transformation and quality change of carbon, nitrogen, sulfur and iron, and establish the water-rock interactions models of C-N-S-Fe-H2O in mud in different temperature and pressure, and evalution quantitatively the influence of process that mud buried and released water on the hydrochemical characteristics of adjacent aquifers. The present study can open up new direction for the development of hydrology, and provide new knowledge for the evolution of groundwater quality and carbon, nitrogen, sulfur and iron cycles.

本研究基于“平原区粘土隔水层和透镜体与含水层伴生的非均质”现象，从地质演化角度提出“淤泥在其沉积埋藏过程中为相邻含水层提供水源和物源”的科学假设，针对“淤泥演化为粘土隔水层过程中水-岩相互作用的概化、表征和模拟”这一科学问题，以室内增温增压系统为关键技术，模拟淤泥固结为黏土层的过程，以含水率的变化为依据，建立淤泥固结为粘土层中关键过程演化的时间框架，揭示不同释水阶段中淤泥的物理、化学和生物作用变化规律，重点识别碳、氮、硫和铁的形态转变和质量变化特征，建立不同温压条件下淤泥中C-N-S-Fe-H2O系统的水-岩相互作用模型，定量评价淤泥埋藏释水过程对相邻含水层水化学环境的影响，为水文地质学研究开辟新方向和发展的新动力，为地下水水质演化以及碳、氮、硫和铁循环提供新认识。

本研究基于“平原区黏土隔水层和透镜体与含水层伴生的非均质”现象，从地质演化角度提出“淤泥在其沉积埋藏过程中为相邻含水层提供水源和物源”的科学假设，针对“淤泥演化为黏土隔水层过程中水-岩相互作用的概化、表征和模拟”这一科学问题，以室内增温增压系统为关键技术，综合模型开发和野外应用，以长江流域江汉平原等地为重点研究区，系统开展了“淤泥与黏土的结构、组成和性质”“淤泥-黏土演化过程模拟的增温增压方案”“淤泥-黏土演化关键过程中碳/氮/硫/铁的生物地球化学模拟”以及“淤泥埋藏释水过程对含水层贡献的定量评价”等四方面研究。本研究研发了增温增压一体化在线模拟系统，建立了不同温压条件“C-N-S-Fe-H2O体系”相互作用的概化模型，研制了“淤泥标准样品”，发现了淤泥增温增压演化的三个阶段，改进了淤泥的固结和溶质运移模型，重塑了江汉平原黏土隔水层250万年的演化历程，构建了低渗透介质的水-岩相互作用的理论和方法体系。本研究为水文地质学研究提供了关键科学装置、开辟了新方向和发展新动力，为地下水水质演化以及碳、氮、硫和铁循环提供新认识。项目成果可用于含水层-弱透水层系统的水资源管理和水污染修复，并为城市活性污泥和天然淤泥的处置提供方案。.项目在研期间共发表论文89篇，第一标注34篇，第二标注34篇；其中SCI论文73篇，包括一区23篇，二区30篇；总他引844次，最高单篇引用95次；共申请国家专利15项，获授权专利5项；参加国际学术会议15人次；共培养8名博士和18名硕士，13名获得国家奖学金，7篇优秀学位论文。项目负责人马腾获得国家“万人计划”科技创新领军人才计划，项目成员张伟军获得国家优秀青年科学基金，2人晋升正高职称（张伟军、杜尧），2人晋升副高职称（王亚芬、陈柳竹）；新增国家自然科学基金重点项目1项（石良），面上项目3项（张伟军、王亚芬、杜尧），青年基金2项（杜尧、陈柳竹），国家地质调查专项项目（马腾）和水专项课题（张伟军）各1项。