水地球化學測量在森林沼澤景觀區區域化探異常追蹤中的作用研究（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）

第45卷第1期2021年1月地質與勘探GEOLOGYANDEXPLORATION水地球化學測量在森林沼澤景觀區區域化探異常追蹤中的作用研究（完整版）實用資料(可以直接使用，可編輯完整版實用資料，歡迎下載）Vol.45No.1January,2021[收稿日期]2021-01-03;[修訂日期]2021-03-01三[基金項目]國土資源調查項目(編號:200320210002資助三[第一作者簡介]焦保權(1956年,男,1980年畢業于長春地質學校,高級工程師,長期從事勘查地球化學生產二管理與科研工作三水地球化學測量在森林沼澤景觀區區域化探異常追蹤中的作用研究焦保權1,楊少平2,孫忠軍2,張學君2,徐仁廷2,陸學普1(1.吉林省第五地質調查所,九臺1305002.中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所,廊坊065000;[摘要]對水地球化學測量在森林沼澤景觀區域化探異常追蹤階段的地位和作用進行了研究,發現了水體中熱液型鉛鋅礦床和銅金礦化二斑巖型銅礦床的指示元素種類三以相對低密度(0.5點/km2~2點/km2和小采樣量(每點25ml的水地球化學測量可達到快速有效縮小找礦靶區二指明找礦有利區段二指導下一步工作部署的目的三[關鍵詞]水地球化學化探異常追蹤森林沼澤景觀區熱液礦床指示元素[中圖分類號]P632[文獻標識碼]A[文章編號]0495-5331(202101-0059-06水地球化學測量是勘查地球化學中一種重要的勘查方法,它利用水體化學成分變化的規律來尋找各類礦藏三但是,由于水體中微量元素的含量基本上都在ng/g級,長期受到測試技術水平的限制,使得水地球化學測量無法在各級各類地球化學勘查中廣泛使用三近十年來隨著測試技術的進步,影響水樣分析測試的瓶頸已經被打破,用25ml水樣就可以直接測試出20多種元素的有效數據三從而使水地球化學測量廣泛應用于尋找各種礦產成為現實可能,迎來了前所未有的發展機遇,發表了較多有關水地球化學測量研究和應用的文獻[1-18]三森林沼澤景觀區廣泛分布著地表水和泉水,尤其是在春季融雪時,更是溝溝都有水;具有開展水地球化學測量的前提條件三此次研究工作中,針對各個研究區的實際情況就水地球化學測量在區域化探異常追蹤階段的地位和作用,進行了相關的研究和試點三研究和試點工作主要在塔源(代表大興安嶺亞區二小西林(代表小興安嶺亞區和天合興(代表長白山張廣才嶺亞區三個點上進行,在多寶山銅礦區和綽爾研究區進行了少量研究工作三水地球化學試點測量取得了令人鼓舞的結果三1樣品采集與分析測試1.1樣品采集水樣布置在有地表水或地下水出露的地段,采集的主要是河水和泉水,個別為礦井涌水三每樣采集量25ml三試點測量工作在8~9月進行,各個測區的控制面積和采樣密度分別為:塔源28km2二1.43點/km2,小西林65km2二0.65點/km2,天合興73km2二0.68點/km2三出隊前,在室內用5%的超純硝酸將新購的聚乙烯采樣瓶浸泡24小時,然后用去離子水清洗干凈,晾干二裝箱二封嚴,備用三[1]采樣時,用欲采水體清洗采樣瓶5次,然后灌滿采樣瓶,蓋上瓶蓋三在采樣點現場使用相關儀器測試pH值二電導率二水溫三回駐地以后,當天用1∶1超純硝酸酸化水樣至pH值≤2以后,保存,備送分析三1.2分析測試水樣測試由物化探研究所中心實驗室承擔三使用ICP-MS直接測試Cu二Pb二Zn二As二Sb二Bi二Hg二Co二Mo二Ag二Ba二Ni二Mn二Au二W二Cd二K2O二Na2O二CaO二MgO二SiO2二Fe2O3二Ce二La二Th二U二Y等27種組分三95圖1黑龍江省小西林鉛鋅礦區水地球化學試點測量異常圖2試點成果討論2.1小西林鉛鋅礦區小西林位于黑龍江省伊春市東南40km處,是一個已經開采近40年二資源瀕臨枯竭的大型鉛鋅礦山三測區內所有勘探過的礦體均被開采,呈現遍地開花之態三目前大部分地段已經采空,只有主井和老道廟礦段還在開采三礦石成分為磁黃鐵礦二黃鐵礦二方鉛礦二閃鋅礦等三其主礦體探明鉛金屬儲量40萬t,品位4.09%,鋅金屬儲量53萬t,品位4.3%~5.23%三礦床伴有鎘二銦等有益組分三礦床成因為熱液型三小西林鉛鋅礦區地表水體pH值測定結果表明,這里的水主要為中偏酸性水,其pH值范圍6.24~7.71,平均值為6.975三在小西林鉛鋅礦區,水中Pb二Zn二Cd二As二Sb二Bi二Cu二CaO二Fe2O3二K2O二Mn二Co等12元素異常對已知的小西林鉛鋅礦最好的礦化地段(主礦體和V二IX號礦帶都有十分明顯的指示作用(圖1,從而構成了小西林鉛鋅礦床的水地球化學特征指示元素三其中Pb二Zn二Fe2O3二As等4元素異常二級以上濃度帶比較準確的圈定出主礦體(I號礦體產出的位置三在小西林鉛鋅礦區,水地球化學異常沒有明顯的元素分帶現象,各元素異常在空間上基本疊合在一起,顯示出熱液型礦床異常分布特征,為礦床的成因研究提供了證據三2.2天合興斑巖銅礦區天合興銅礦位于張廣才嶺南端,屬吉林省靖宇縣景山鄉管轄三區內植被發育,以針二闊葉林為主三基巖大部分被覆土掩蓋三水系呈樹枝狀,溝谷中常出現沼澤三礦區共圈定出8條長500~900m,寬80~400m的礦化蝕變帶三巖石普遍具硅化二綠泥石化二絹云母化三經初步普查已圈定出115條礦體,其中地表63條,盲礦體52條,礦體長幾十米至160m,寬1~16m,傾角60°左右,呈脈狀二透鏡狀產于石英斑巖二花崗斑巖二輝綠輝長巖中,多為浸染狀或細脈浸染狀,與圍巖界線不明顯,空間上與斑巖體相伴產出,確定為斑巖型”銅礦床三現已探求出銅金屬儲量10萬t以上三其中大于0.5%的富礦體38條,銅金屬儲量3萬t以上三僅III二V號礦化蝕變帶工作程度較高,其余各礦化蝕變帶基本沒有深部工程控制,06地質與勘探2021年圖2吉林省天合興斑巖銅礦區水地球化學試點測量異常圖具有較大找礦遠景三天合興斑巖銅礦區地表水體pH值測定結果顯示主要為中偏堿性水,其pH值范圍6.83~7.90,平均值為7.229三天合興斑巖銅礦區水中各元素異常示于圖2中三從中可見,Cu二Mo二W二Bi二Pb二Zn二Cd二As二Hg組合異常十分清楚的圈定出天合興斑巖銅礦化產出的遠景地段,從而構成了天合興斑巖銅礦床水地球化學指示元素系列三其中Cu二Mo二W二Bi異常濃集中16第1期焦保權等:水地球化學測量在森林沼澤景觀區區域化探異常追蹤中的作用研究圖3黑龍江省新林區塔源研究區水地球化學測量異常圖心準確的指出了已知主要礦體產出的部位;Pb二Zn二Cd二As二Sb二Hg異常(或濃集中心出現在Cu二Mo二W二Bi異常濃集中心的周緣,且Pb二Zn二Cd異常都具有二級以上的濃集中心;Sb二Hg異常出現在更外的位置上,顯示出遠源指示元素的特征三整體顯示為比較典型的斑巖銅礦床地球化學異常模式三Ag和K2O異常主要顯示出北北東向展布的特征,W異常也有類似的展布特征,推測它們主要反映的是區域控巖構造的展布方向三Cu二Mo二Sb(Pb二Zn異常還具有北東和近東西向展布的特點,推測26地質與勘探2021年這是礦區控礦構造的反映(圖2三在測區內,除已知礦床外,于礦區北側和測區西緣出現的兩個異常值得注意:①礦區北側異常:面積4km2左右三元素組合為Pb二Zn二Cd二As二W二Cu三其中大部分元素具有二級濃度,且Pb二Zn異常面積>4km2;并鄰近Ag和K2O異常濃集中心,具有十分有利的成礦構造條件三顯示出斑巖銅礦前緣指示元素組合的特點,預示這里可能賦存有隱伏斑巖銅礦化體三②測區西緣異常:面積3km2左右三元素組合為Cu二Mo二Pb二Zn二Hg二As三其中Pb具有四級濃度分帶,Zn具有三級濃度分帶,Cu二Mo具有二級濃度分帶三異常仍然顯示出斑巖銅礦前緣指示元素組合的特點,預示這里可能隱伏有斑巖銅礦化體三2.3塔源異常區前人在塔源測區中進行區域化探異常查證時發現Pb-Zn礦點一個,目前正在進行勘探三在測區西側,前人發現有隱伏Cu-Au礦點和Au-Ag礦點各一處;其中Cu-Au礦點正在進行民采三在測區東部發現有Mo礦化點一個三塔源測區水中各元素異常示于圖3中三Cu二Au二Ag二Pb二Zn二As二Sb二Cd二Co二Ni二W二Bi二Fe二Mn等14元素異常準確的圈定出銅金礦點的產出位置;且這些異常都具有三級以上的濃度分帶三主礦化元素Cu具有五級濃度分帶;主要伴生元素Ag二Pb二Zn二Sb二Co二Ni二Bi二Fe二Mn也具有四級濃度分帶;并伴有弱Hg異常三顯示出這個異常是測區中規模最大二具有良好找礦潛力的異常三對于金銀礦點來說,其水地球化學異常的元素組合與前者基本上一致,但異常強度則明顯降低,處于Cu二Co二Fe二Mo三級異常和Pb二Zn二Sb二Bi二Mn二級異常之中,其它元素均為弱異常三看來這里的礦化規模可能比銅金礦點要差很多三同時,K二Si二Mg弱異常也能夠圈定出銅金礦點和金銀礦點的分布地段三表明采用水地球化學測量來圈定礦化分布地段是完全可能的三對于正在進行勘探的多金屬礦點來說,只具有Zn二Pb二Cu二Ag二As二Sb二Co二Bi二Ni二Fe二Mn二Na二Si二Mg的弱異常,其中只有Zn具有二級濃度分帶三看來這里的礦化前景不容樂觀三通過以上討論可以發現:水中Pb二Zn二Cd二As二Sb二Bi二Cu二CaO二Fe2O3二K2O二Mn二Co等12元素是小西林鉛鋅礦床的特征指示元素,其異常準確指出了小西林大型鉛鋅礦床最好的礦化地段(主礦體和V二IX號礦帶,主成礦元素異常沿水系遷移距離>5km三水中Cu二Mo二W二Bi二Pb二Zn二Cd二As二Hg等9元素構成了斑巖銅礦床特征指示元素,其組合異常十分清楚的圈定出天合興中型斑巖銅礦床產出的遠景地段,其中Cu異常沿水系遷移4km左右三水中Cu二Au二Ag二Pb二Zn二As二Sb二Cd二Co二Ni二W二Bi二Fe二Mn等14元素是塔源銅金二金銀和多金屬礦化的特征指示元素,其異常可以準確的圈定出相應礦化的產出地段三3結論在森林沼澤景觀區的水體中存在著與水系沉積物類似的相關礦床指示元素系列,如鉛鋅礦床為Pb二Zn二Cd二As二Sb二Bi二Cu二CaO二Fe2O3二K2O二Mn二Co等12元素,斑巖銅礦床為Cu二Mo二W二Bi二Pb二Zn二Cd二As二Hg等9元素,銅金二金銀和多金屬礦化為Cu二Au二Ag二Pb二Zn二As二Sb二Cd二Co二Ni二W二Bi二Fe二Mn等14元素三在森林沼澤景觀區域化探異常追蹤階段(大約1∶5萬比例尺,相對低密度(0.5點/km2~2點/km2和小采樣量(每點25ml的水地球化學測量可以快速有效的縮小找礦靶區,指明找礦有利區段,指導下一步工作部署三[參考文獻][1]李應桂,楊少平,余學東,等.基巖裸露區金礦異常源的快速追蹤與評價[J].物探與化探,1997,8(1:36-12.[2]冷福榮,蘇美霞,郭利軍,等.北方干旱區水地球化學方法應用效果[J].內蒙古地質,1997,(2:42-52.[3]蔣敬業.影響水化學找金發展的因素及其進一步研究[J].物探與化探,1998,22(4:255-261.[4]鄧國泉.湘南地區地下水放射性同位素比值特征及礦化異常判別標準[J].航測與遙感,1997,(4總48:14-21.[5]蔣敬業.水化學找金方法述評[J].地質科技情報中國地質大學(武漢,1998,17(1總70:97-102.[6]蔣敬業,譚大芳,胡國俊,等.馮家山矽卡巖型鐵二銅礦床水化學異常特征及找礦標志[J].地質與勘探,1998,34(6:5-9.[7]胡愛珍.金礦區水中幾種狀態金在不同氣候帶的地球化學分布[J].物探與化探,1999,23(3:170-174.[8]杜龍明.淺談層間氧化帶砂巖型鈾礦水化學區調中資料收集和整理[J].西北鈾礦地質,1999,25(1總52:43-49.[9]林耀庭,唐慶,熊淑君.四川盆地海相三疊系異常水化學探鹽找鉀的研究[J].化工礦產地質,1999,21(1:7-14.[10]蔣敬業,譚大芳,柴紅年,等.水化學方法在區域化探異常評價中的應用研究[J].地質科技情報中國地質大學(武漢,1999,18(3總79:104-108.[11]張衛民.確定層間氧化帶砂巖鈾礦床后生分帶的水文地球化學研究方法[J].國外鈾金地質,1999,16(3總63:253-256.[12]鄒順庚.開魯盆地鈾礦水文地球化學找礦研究[J].鈾礦地36第1期焦保權等:水地球化學測量在森林沼澤景觀區區域化探異常追蹤中的作用研究地質與勘探2021年[13]肖唐付,洪業湯,鄭寶山,等.黔西南Au-As-Hg-Tl礦化區毒害金屬元素的水地球化學[J].地球化學,2000,29(6:571577.質,2000,16(4:226-232.[16]馬生明,朱立新,周國華,等.高山峽谷區快速評價找礦靶區的[17]喬海明,張天太,張復新,等.吐哈盆地十紅灘鈾礦床水文地球[18]楊少平,孔牧,劉英漢,等.西藏驅龍銅礦區水地球化學特征及其對銅礦化指示作用[J].物探與化探,2006,30(6:509512.化學特征[J].鈾礦地質,2005,21(6:27-34.化探方法技術[J].物探與化探,2002,26(3:185-191.[14]虞修竟,夏克勤,賈疏源.碳氧同位素水文地球化學方法在找[15]何曉梅.盛源火山巖盆地的放射性水異常形成條件及其潛在鈾資源預測[J].華東鈾礦地質,2001,(2總55:26-35.鉀中的應用[J].礦物巖石,2001,21(2總84:84-88.RegionalGeochemicalAnomalyinForestandSwampLandscapesJIAOBao-quan2,YANGShao-ping1,SUNZhong-jun1,ZHANGXue-jun1,XURen-ting1,LUXue-pu2(1.InstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration(IGGE,CAGS,Langfang065000;2.No.5InstituteofGeologicalSurvey,Jiutai130500StudyontheRoleofHydrogeochemicalSurveyforTracingwasfondthathydrochemicalguideelementstothehydrothermalPb-Zn,Cu-Audepositsandporphyrycopperdeposits.Thehydrogeochemicalsurveywithlowerdensity(0.2~2sample/km2andlessquantity(25mlpersamplecouldrapidlyreduceusefultargetsandindicatefavorableplaceforEXPLORATION.Abstract:Thesignificanceandactionofhydrochemicalsurveyonfollow-upforregionalanomalyinforestandswamplandscapewereresearched.ItKeywords:hydro-geochemicalsurvey,follow-upforgeochemicalanomaly,forestandswamplandscapes,hydrothermaldeposits,indicatorelements64第27卷第2期2007年2月環境科學學報ActaScientiaeCircumstantiaeVol.27,No.2Feb.,2007基金項目:國家重點基礎研究計劃(973項目(No.2004CB418505;上海市優秀教師科研基金(No.B.9920303062021SupportedbytheNationalBasicResearchProgramofChina(No.2004CB418505andScienceresearchfundofexcellenceteacherinShanghaiuniversity(No.B.9920303062021作者簡介:劉書宇(1979—,女,博士研究生;3通訊作者(責任作者Biography:LIUShuyu(1979—,female,Ph.D.candidate;3CorrespondingauthorLiuSY,MaF,ZhangJQ,etal.2007.StudiesonbiodiversitiesineutrophicationprocessoflandscapingwaterbodyinNorthernChina[J].ActaScientiaeCircumstantiae,27(2:337-341景觀水體富營養化模擬過程中藻類演替及多樣性指數研究劉書宇1,2,馬放1,3,張建祺31.哈爾濱工業大學市政環境工程學院,哈爾濱1500902.上海大學射線應用研究所,上海2021003.美國馬里蘭州立大學土木環境工程系,巴爾的摩21250收稿日期:2006204229修回日期:2006212201錄用日期:2006212220摘要:采用微宇宙培養法,模擬微污染景觀水體富營養化過程,研究其浮游藻類演替狀況及生物多樣性指數.結果表明,最終優勢藻種為黃藻門.通過計算9種生物多樣性指數(Margalefπs、PIE(種間相遇幾率、Menhinickπs、Shannon-Wiener、Simpsonπs、McNaughtonπsdominanceindex、Species、OD(多樣性測度指數、Monk對景觀水體富營養化過程中浮游植物演替趨勢進行評價,發現其中僅2種多樣性指數適于靜態景觀水體富營養化研究,分別為Monk多樣性指數及Menhinickπs多樣性指數,而其它指數都不夠準確.關鍵詞:景觀水體;生物多樣性指數;富營養化;演替文章編號:025322468(2007022*******中圖分類號:X171文獻標識碼:AStudiesonbiodiversitiesineutrophicationprocessoflandscapingwaterbodyinNorthernChinaLIUShuYu1,2,MAFang1,3,ZHANGJianqi31.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin1500902.ShanghaiAppliedRadiationInstitute,ShanghaiUniversity,Shanghai2021003.DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofMaryland,BaltimoreCounty,Baltimore,MD21250,U.S.AReceived29April2006;receivedinrevisedform1December2006;accepted20December2006Abstract:TankmicrocosmhasbeenusedtosimulatetheeutrophicationprocessofstaticwaterbodyinNorthernChinainlandscapingfunction.Thephytoplanktonchangeswiththedevelopmentofvariousdominantspecies.ItwasfoundthatthedominantspecieswereXanthophytainthelaststage.Ninebiodiversityindicescalculatedonthebasisofphytoplanktondatawerestudiedfortheirusefulnessforeutrophicationstudiesinlandscapingwaterbody.Asfollows:Margalefπs,PIE,Menhinickπs,Shannon2Wiener,Simpsonπs,McNaughtonπsdominanceindex,Species,OD,Monk,asatoolforeutrophicationassessmentinLandscapewaterbodyenvironment,MonkindexandMenhinickπsindexwerethebestsuitablefortokenthecontaminationdevelopment,othersnot.Keywords:landscapingwaterbody;biodiversityindices;eutrophication;succession1引言(Introduction在景觀水富營養化過程中,由于封閉緩流引起營養狀況失衡,從而使藻類繁殖過剩.隨著水中物種組成、豐富度及浮游植物生產力的改變,水生生物群落將發生演替.水體浮游植物群落的改變對于評價富營養化程度提供了重要依據(IgnatiadesL,1985;ProulxM,1996;WatsonS,1997,其中藻類的群落構成尤為重要.很多評價指數均涉及物種組成、多項物理化學指標及葉綠素a濃度,計算復雜,環境科學學報27卷而多樣性指數用浮游植物各種屬的個體數表征水體污染狀態,無需大量數據.但在許多研究中,某些多樣性指數基于其傳統用法而未經推算就被直接引用,缺乏有效性的確定.本研究通過模擬微污染景觀水體污染過程進行模擬分析,旨在揭示不同生物多樣性指數在富營養化評價中的有效性,尋找適于景觀水體富營養化過程研究的多樣性指數.2材料與方法(Materialsandmethods2.1水生微宇宙模型的構建本研究中采用有機玻璃水族箱(500mm×400mm×300mm模擬封閉、靜止的微污染景觀水體.箱體底部均勻鋪設5cm厚度干河泥,灌注25L自來水與25L湖水.將水族箱置于室外,大雨時將系統遮蔽,其余時間自然通風.于2005年6月中旬開始培養,使其自然經歷貧營養至富營養化過程.水族箱中河泥及湖水均取自黑龍江省太陽島(45°45′N,126°38′E,河泥和湖水內含多種水生生物種子及孢子.實驗期間,適當添加少量自來水補充系統蒸發量.圖1水生微宇宙模型Fig.1Microcosmtanks2.2分析方法培養1周后,于2005年6月23日開始數據采.圖2微宇宙水體富營養化過程中藻類的演替(注:線條粗細表示該種類藻總個體數Fig.2Successionofalgaeduringthecourseofwaterbodyπseutrophication3結果(Results3.1優勢種演替過程在微宇宙水體富營養化過程中,藻種鑒定到屬8332期劉書宇等:景觀水體富營養化模擬過程中藻類演替及多樣性指數研究優勢種,另外,其底泥的物理化學及生物學特性也是造成其優勢藻類不同于其它水體的主要原因.所以,在景觀水體富營養化過程中,藻類的大量爆發并非以最初的已有種類進行數量上的簡單擴增,而是逐漸發生遷移,影響因素不僅包括水質狀況與底泥特征,氣候與地理條件亦是主要因素.3.2生物多樣性指數與TSI(P值的變化各生物多樣性指數分別為Margalefπs(MargalefR,1958、PIE(種間相遇幾率、Menhinickπs(MenhinickEP.1964、Shannon2Wiener(ShannonCE,WeaverW.1949、Simpsonπs(SimpsonEH,1949、McNaughtonπs指數、Species、OD(多樣性測度指數、Monk多樣性指數.其中Species直接計數,其它指數計算公式見表1.根據所鑒定出藻類的種類數及個體數計算各時期水體藻類生物多樣性指數,計算結果見表2.根據總磷濃度值,研究以營養狀態指數TSI(P表征的水體污染程度變化(式(1(AizakiM,1981.TSI(P=106-ln(48/TPln2(1表1各多樣性指數計算公式Table1Formulaofdiversityindices多樣性指數計算公式Margalefπ(MargalefR,1958D=S-1lnNPIE(HurlbertSH,1971D=NN-1?1-∑si=1Pi2Menhinickπs(Menhinick,1964D=SNShannon2Wiener(Shannon,1949D=-∑si=1ninlnninMonk(Whittaker,1972D=S/NSimpsonπs(Simpson,1949D=∑si=1ni(ni-1n(n-1McNaughtonπs(McNanghton,1967D=n1+n2N×100OD(Kvalseth,1991D=∑si=1P2i-1-1注:D為多樣性指數,s為物種i的個體數數,N為所有物種個數,Pi為物種的個體數占總個體數的比例,n1和n2為2個主要優勢種的個體數.表2微宇宙水體浮游藻類9種生物多樣性指數變化Table2NinebiodiversitiesofphytoplanktoninmicrocosmindifferentperiodOD(多樣性測度指數2.6502.3562.6362.4451.9411.070圖3各時期TSI(P值變化(2005Fig.3VarietyofTSI(Pineachperiod(2005式中,TP為水中總磷濃度值;TSI(P為磷營養污染指數.各時期的TSI(P值計算結果見圖3.由圖3可見,營養狀態指數基本上升高,這表明,微宇宙水體在無營養鹽輸入的情況下,污染程度仍逐漸加大,由底泥向上覆水體釋放污染物及營養物質使水中磷濃度不斷升高,為藻類生長提供了充分的磷源,促進其生長繁殖,并使水質下降.最后一次檢測時TSI(P指數降低,是由于后期藻類大量生長繁殖,吸收了水體中部分可溶性磷,使得基于P濃度值所計算的TSI(P值有所降低.3.3多樣性指數與TSI(P值的擬合將TSI(P值與9種多樣性指數分別擬合,以找出與水體污染變化趨勢最符合的多樣性指數.由圖4可以看出,只有Menhinick’s及Monk多樣性指數與TSI(P間的擬和效果較好,R2值分別933環境科學學報27卷為0.7606、0.7736,與水體污染變化最大趨近,其它指數與TSI(P間擬合的R2值都較小.HurbertsπsPIE(Probabilityofinter2specificencounters指數主要建立在種間相遇幾率上,由圖4a看出,Hurbertsπs多樣性指數與TSI(P值間的R2值為0.338,擬和效果差,即Hurbertsπs指數對于隨時間發生變化的群落演替不靈敏,而靜態景觀水體富營養化過程主要源于時間變化導致營養鹽濃度的增加.此指數在用于海水富營養化研究中也表現出時間上的延誤性(KarydisM,1996.由圖4b可以看出,Marglefπs指數與TSI(P值變化擬和也不好,R2值達0.7606,明顯高于前兩個值,此指數在時間上對群落間區分上具有靈敏性.Shannonπs與Simpsonπs多樣性指數作為經典的多樣性指數,主要代表群落中的物種豐富度,對群落隨時間變化的研究并不靈敏.圖4各生物多樣性指數與TSI(P值的擬和Fig.4RegressofninebiodiversityindiceswithTSI(P從R2值可以看出,McNaughtonπs多樣性指數也不適用于描述富營養化過程,在海水環境富營養化評價中,McNaughtonπs指數亦不準確(KarydisM,1996.Monk指數與TSI(P值擬和效果較好(圖4h,其R2為物種豐度研究的簡單方式,與TSI(P擬合的R2綜上所述,在由9種生物多樣性指數與TSI(P共同描述靜態水體富營養化過程中,只有Monk多樣性指數與Menhinickπs多樣性指數與TSI(P值所表征的水體污染程度變化趨勢相符合,而PIE(種間相遇幾率、Marglefπs、Shannonπs、Simpsonπs、McNaughtonπs、OD(多樣性測度指數等經典多樣性指數盡管在諸多文獻中被直接引用,但在靜態景觀水體污染過程中,由于其所反映群落信息變化的不確定性,未能準確描述富營養化過程.所以,在應用生物多樣性指數進行水體富營養化評價研究時,應首先根據水體污染特性和污染方式進行計算,確定所要應用的生物多樣性指數的有效性,再用于污染0432期劉書宇等:景觀水體富營養化模擬過程中藻類演替及多樣性指數研究趨勢評價.4結論(Conclusions1在利用微宇宙模型模擬北方靜止景觀水體富營養化的過程中,藻類優勢種演替如下:初期為綠藻門,然后遷移至藍藻門,最終優勢種為黃藻門;不同于我國其它淡水湖及富營養化景觀水體的水華藻類.2在無外源污染輸入情況下,水體污染程度的增加主要來源于底泥向上覆水體釋放營養物質.在富營養化過程中,藻類并非以單一種類進行數量上的擴增,而是逐漸發生種群遷移,影響因素包括水質狀況、底泥特征、氣候與地理條件.3并非所有生物多樣性指數適用于水體富營養化過程研究.本研究中,僅Monk多樣性指數與Menhinickπs多樣性指數所描述的富營養化過程與水質變化趨勢最大相符,適于靜態景觀水富營養化研究.通訊作者簡介:馬放(1963—,教授,博士生導師.主要從事環境生物技術、污染控制及微生物生理生態學等方面的研究.Tel:0451-********References:CarlsonstrophicstateindextoJapaneselakesanditsrelationshipstootherparametersrelatedtotrophicstate[J].ResRepNatInstEnvironStudy,23:13—31phytoplanktonbiomassparametersandtheirinterrelationwithnutrientsinSaronicosGulfGreece.[J]Hydrobiologia,128:201—206[J]Oikos,76:191—195中文參考文獻:143礦井支護噴射補償收縮混凝土中外加劑水化作用機理的研究李伏虎,馬芹永(安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽淮南232001[摘要]為了探究HCSA膨脹劑和速凝劑在噴射補償收縮混凝土中的水化作用機理,采用X射線衍射(XRD、掃描電子顯微鏡(SEM等分析測試手段,對膨脹劑—速凝劑—硅酸鹽水泥三元膠凝材料的水化反應及水化產物特征進行了研究。結果表明:三元膠凝材料水化初期,速凝劑和膨脹劑兩種水化反應都消耗了CaSO4,CaO和H2O,抑制了鈣礬石AFt,C－A－H和CaCO3的生長,但有大量Ca(OH2和C－S－H凝膠生成,起到了促凝作用;隨著水化齡期的增長,HCSA膨脹劑促使鈣礬石晶體逐漸生長,填充了膠凝材料的微孔洞和裂縫,提高其密實度。[關鍵詞]補償收縮;噴射混凝土;作用機理;膠凝材料;HCSA膨脹劑[中圖分類號]TD353.3[文獻標識碼]A[文章編號]1006-6225(202103-0013-04HydrationActionMechanismofAdditiveinSprayingShrinkage-compensatingConcreteinMineSupportingLIFu-hu,MAQin-yong(MineUndergroundEngineeringResearchCenterofEducationMinistry,Huainan232001,ChinaAbstract:InordertoresearchhydrationactionmechanismofHCSAswellingagentandacceleratingagentinsprayingshrinkage-com-pensationconcrete,applyingX-raydiffractionandscanningelectronmicroscope,hydrationreactionandcharacteristicofhydrationproductofswellingagent-acceleratingagent-gelatinizationmaterialofportlandcementwasresearched.Resultsshowedthatathydrationinitialstageofgelatinizationmaterial,acceleratingagentandswellingagentdissipatedCaSO4,CaOandH2O,restrainedgrowthofAft,C-A-HandCaCO3,buttherewerelargeamountofCa(OH2andC-S-Hgelatumoccurred,whichplayedcoagulationrole;withhydrationtimeincreasing,HCSAswellingagentmadeAftcrystalgrowincreasingly,whichstowedmicro-holeandcracksingelati-nizationmaterialandimproveditsdensity.Keywords:shrinkage-compensation;sprayingconcrete;actionmechanism;gelatinizationmaterial;HCSAswellingagent[收稿日期]2021－11－14[基金項目]高等學校博士學科點科研基金(20213415110001[作者簡介]李伏虎(1970－,男,安徽宿州人,講師,博士,從事混凝土材料微觀結構的研究。近年來,噴射混凝土施工技術在礦山井巷與地下工程、水利電力工程、建筑結構的補強加固、復雜構造工程等大型項目中得到廣泛應用[1]。但是,普通噴射混凝土存在收縮裂縫和強度低等缺陷,嚴重影響了礦井支護工程質量和壽命。為解決這些問題,研究人員采取了多種方法,例如:添加鋼纖維、碳纖維、聚合物纖維等,取得了一定效果[2－4]。最近,馬芹永、崔朋勃等人進行的噴射補償收縮混凝土研究表明,在噴射混凝土中適當摻入HCSA膨脹劑的同時配合鋼纖維的三維約束,利用膨脹劑在噴射混凝土中產生的預壓應力抵消噴射混凝土收縮產生的預拉應力,可以起到補償收縮、減少微裂縫、提高強度的作用[5－6]。但是,對于膨脹劑和速凝劑在噴射補償收縮混凝土中的作用機理,還需要進行深入研究,以便為膨脹劑在噴射混凝土中的應用提供理論依據,同時也可以優化噴射補償收縮混凝土的性能,推廣噴射補償收縮混凝土在工程上的應用。本文研究了HCSA膨脹劑、速凝劑和硅酸鹽水泥構成的三元膠凝材料水化作用的機理,分析了三元膠凝材料水化產物的微觀結構特征,并提出了研發新型噴射補償收縮混凝土添加劑的發展方向。1試樣材料與樣品測試1.1原材料水泥:普通硅酸鹽水泥P·O42.5級;膨脹劑:HCSA高性能膨脹劑,主要成分硫鋁酸鈣;速凝劑:D型速凝劑,主要成分NaAlO2(鋁酸鈉。1.2試驗儀器使用X射線衍射儀(XRD,XD－3型,Cu/Kα131第17卷第3期(總第106期June2021輻射源,掃描范圍560?測試樣品的晶體結構特征;使用水泥稠凝測定儀(維卡儀測試三元膠凝材料的凝結時間;使用掃描電子顯微鏡(SEM,S－3000N型觀測樣品的微觀形貌特征。1.3樣品制備膠凝材料總量為100g,HCSA膨脹劑、速凝劑均采用內摻方式,等量取代水泥。膨脹劑等量取代水泥8%,速凝劑內摻量5%(根據混凝土力學性能選擇這一配合比[5];水膠比為0.4。準確稱量各種膠凝材料,加水攪拌均勻制成水泥漿體,測試膠凝材料的初凝時間。6h后放入水中養護,1d,3d,7d,28d時取出部分樣品,進行SEM和XRD測試。2結果與分析2.1膨脹劑和速凝劑的成分分析首先對膨脹劑和速凝劑所含的主要活性化合物進行分析,圖1和圖2分別為HCSA膨脹劑和速凝劑的XRD圖譜。從圖中可以看出,HCSA膨脹劑主要含有CaSO4,CaO,Al2O3和C3S等晶體化合物,其中3CaO·3Al2O3·CaSO4和CaO是主要膨脹源[7];而D型速凝劑則含有NaAlO2,SiO2,CaO,Al2O3和Na2CO3等晶體化合物(見圖2,這表明D型速凝劑是鋁酸鈉類速凝劑,主要起促凝作用的化合物是:NaAlO2,CaO和Na2CO3[8－9]。圖1HCSA膨脹劑的XRD圖譜圖2速凝劑的XRD圖譜2.2膨脹劑和速凝劑的水化作用機理再分析速凝劑—硅酸鹽水泥和HCSA膨脹劑—硅酸鹽水泥2種二元膠凝材料的基礎水化反應。三元膠凝材料和二元膠凝材料早期水化產物XRD圖譜見圖3。圖3三元膠凝材料和二元膠凝材料早期(1d水化產物XRD圖譜圖3B為速凝劑(5%—硅酸鹽水泥水化早期(1d產物的XRD圖譜,可以看到,速凝劑與硅酸鹽水泥混合水化早期(1d產物中所含Ca(OH2,CaCO3,C－S－H,SiO2和C3AH6的衍射峰較強。一般速凝劑的作用機理認為,速凝劑中碳酸鹽與水泥中石膏等發生反應生成CaCO3和NaOH等化合物(見1,2式,速凝劑中NaAlO2遇水迅速發生水解反應生成Al(OH3和NaOH(見3式,NaOH與硅酸鹽水泥中的石膏CaSO4反應,建立化學平衡(見4式,使溶液中CaSO4濃度顯著下降,石膏失去緩凝作用。同時,鋁酸三鈣C3A迅速水化生成大量水化鋁酸鈣(C3AH6,析出水化物,致使水泥漿體快速凝結,形成水泥石結構[10－11]。也有研究者認為速凝劑與水反應生成的NaOH加速了硅酸鈣C3S的水化作用,生成的C－S－H凝膠和片狀Ca(OH2晶體有利于早期強度的提高[9,12]。在圖3B中,既存在Ca(OH2,CaCO3和C3AH6等化合物的衍射峰又有C－S－H的衍射峰,這與上述反應機理相一致。Na2CO3+CaO+H2O→CaCO3+2NaOH(1Na2CO3+CaSO4→CaCO3+Na2SO4(2NaAlO2+2H2O→Al(OH3+NaOH(32NaOH+CaSO4Na2SO4+Ca(OH2(42NaAlO2+3CaO+7H2O→C3AH6+2NaOH(5而圖3A中XRD圖譜顯示,HCSA膨脹劑(8%—硅酸鹽水泥二元膠凝材料早期水化產物41總第106期煤礦開采2021年第3期(1d與速凝劑—水泥水化產物基本一致,但前者的鈣礬石(AFt和Ca(OH2晶體的衍射峰明顯強于后者的衍射峰。這是由于HCSA膨脹劑的主要成分硫鋁酸鈣(CaO·3Al2O3·CaSO4與水、硅酸鹽水泥混合后反應生成針棒狀鈣礬石晶體(見6式。根據膨脹劑作用機理:鈣礬石晶體的生長可以填充混凝土材料的微孔洞產生膨脹能,來抵消混凝土因干縮或冷縮而產生的應力,避免微裂縫的產生[7]。圖3A中還可以看到Ca(OH2也具有很強的衍射峰,這是由于HCSA膨脹劑中CaO與H2O反應生成Ca(OH2。3CaO·3Al2O3·CaSO4+6CaO+8CaSO4+96H2O=3(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(6CaO+H2O=Ca(OH2(72.3膨脹劑—速凝劑—硅酸鹽水泥三元膠凝材料水化作用機理通過對速凝劑和膨脹劑作用機理(16式的分析可以看到,CaSO4,CaO和H2O等化合物同時參與了二者的水化反應,因此,在膨脹劑—速凝劑—硅酸鹽水泥三元膠凝材料中速凝劑和膨脹劑二者原有的水化反應平衡會被破壞,水化產物也會發生變化。圖3C所示為膨脹劑(8%—速凝劑(5%—硅酸鹽水泥三元膠凝材料早期(1d水化反應產物的XRD圖譜。從圖3C中可以看出,Ca(OH2和C－S－H的衍射峰較強,說明三元膠凝材料早期水化產物中含有大量Ca(OH2和C－S－H凝膠。另外,與膨脹劑—水泥和速凝劑—水泥2種二元膠凝材料相比,三元膠凝材料早期水化產物的鈣礬石(AFt,C－A－H和CaCO3衍射峰強度有所減弱。根據速凝劑和膨脹劑2種水化作用機理(16式來分析產生這些變化的原因主要是:速凝劑和膨脹劑所進行的水化反應(1,2,5和6式都消耗了CaSO4,CaO和游離水,在一定程度上抑制了鈣礬石(AFt,C－A－H和CaCO3的生長,這說明膨脹劑—速凝劑—硅酸鹽水泥三元膠凝材料的水化反應是膨脹劑—水泥和速凝劑—水泥2種二元膠凝材料水化反應相互影響的結果。雖然HCSA膨脹劑影響了水化產物C－A－H和CaCO3的生長,但三元膠凝材料凝結時間的實驗結果表明(見表1,膨脹劑沒有影響速凝劑發揮促凝作用。這可能是由于三元膠凝材料水化產生大量Ca(OH2和C－S－H凝膠的緣故。另外,從化學反應動力學的角度來分析,速凝劑的反應速度很快(15式,通常在幾分鐘至十幾分鐘內完成[8],而HCSA膨脹劑反應生成鈣礬石晶體的速度較慢,盡管水化早期也有少量鈣礬石晶體產生,但通常需要57d才能達到鈣礬石晶體生長的最大值[13]。所以,硅酸鹽水泥—速凝劑—膨脹劑三元膠凝材料與水混合發生水化反應時,速凝劑會快速發生反應,使膠凝材料早凝。表1膨脹劑、速凝劑和硅酸鹽水泥膠凝材料的凝結時間硅酸鹽水泥摻量重量百分比/%D型速凝劑摻量重量百分比/%HCSA膨脹劑摻量重量百分比/%水膠比初凝時間/min92080.410595500.43.7587580.43.58研究膠凝材料不同齡期水化產物的特征,可以更全面地認識外加劑的作用機理,圖4為膨脹劑(8%—速凝劑(5%—硅酸鹽水泥三元膠凝材料不同齡期水化產物的XRD圖譜,可看到隨著水化齡期的延長,三元膠凝材料水化產物中AFt,Ca(OH2,CaCO3和C－A－H等的衍射峰明顯增強。從圖5可知,三元膠凝