水地球化学测量在森林沼泽景观区区域化探异常追踪中的作用研究-(完整版)实用资料

水地球化学测量在森林沼泽景观区区域化探异常追踪中的作用研究（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）

第45卷第1期2021年1月地质与勘探GEOLOGYANDEXPLORATION水地球化学测量在森林沼泽景观区区域化探异常追踪中的作用研究（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）Vol.45No.1January,2021[收稿日期]2021-01-03;[修订日期]2021-03-01㊂[基金项目]国土资源调查项目(编号:200320210002资助㊂[第一作者简介]焦保权(1956年,男,1980年毕业于长春地质学校,高级工程师,长期从事勘查地球化学生产㊁管理与科研工作㊂水地球化学测量在森林沼泽景观区区域化探异常追踪中的作用研究焦保权1,杨少平2,孙忠军2,张学君2,徐仁廷2,陆学普1(1.吉林省第五地质调查所,九台1305002.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,廊坊065000;[摘要]对水地球化学测量在森林沼泽景观区域化探异常追踪阶段的地位和作用进行了研究,发现了水体中热液型铅锌矿床和铜金矿化㊁斑岩型铜矿床的指示元素种类㊂以相对低密度(0.5点/km2~2点/km2和小采样量(每点25ml的水地球化学测量可达到快速有效缩小找矿靶区㊁指明找矿有利区段㊁指导下一步工作部署的目的㊂[关键词]水地球化学化探异常追踪森林沼泽景观区热液矿床指示元素[中图分类号]P632[文献标识码]A[文章编号]0495-5331(202101-0059-06水地球化学测量是勘查地球化学中一种重要的勘查方法,它利用水体化学成分变化的规律来寻找各类矿藏㊂但是,由于水体中微量元素的含量基本上都在ng/g级,长期受到测试技术水平的限制,使得水地球化学测量无法在各级各类地球化学勘查中广泛使用㊂近十年来随着测试技术的进步,影响水样分析测试的瓶颈已经被打破,用25ml水样就可以直接测试出20多种元素的有效数据㊂从而使水地球化学测量广泛应用于寻找各种矿产成为现实可能,迎来了前所未有的发展机遇,发表了较多有关水地球化学测量研究和应用的文献[1-18]㊂森林沼泽景观区广泛分布着地表水和泉水,尤其是在春季融雪时,更是沟沟都有水;具有开展水地球化学测量的前提条件㊂此次研究工作中,针对各个研究区的实际情况就水地球化学测量在区域化探异常追踪阶段的地位和作用,进行了相关的研究和试点㊂研究和试点工作主要在塔源(代表大兴安岭亚区㊁小西林(代表小兴安岭亚区和天合兴(代表长白山张广才岭亚区三个点上进行,在多宝山铜矿区和绰尔研究区进行了少量研究工作㊂水地球化学试点测量取得了令人鼓舞的结果㊂1样品采集与分析测试1.1样品采集水样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,个别为矿井涌水㊂每样采集量25ml㊂试点测量工作在8~9月进行,各个测区的控制面积和采样密度分别为:塔源28km2㊁1.43点/km2,小西林65km2㊁0.65点/km2,天合兴73km2㊁0.68点/km2㊂出队前,在室内用5%的超纯硝酸将新购的聚乙烯采样瓶浸泡24小时,然后用去离子水清洗干净,晾干㊁装箱㊁封严,备用㊂[1]采样时,用欲采水体清洗采样瓶5次,然后灌满采样瓶,盖上瓶盖㊂在采样点现场使用相关仪器测试pH值㊁电导率㊁水温㊂回驻地以后,当天用1∶1超纯硝酸酸化水样至pH值≤2以后,保存,备送分析㊂1.2分析测试水样测试由物化探研究所中心实验室承担㊂使用ICP-MS直接测试Cu㊁Pb㊁Zn㊁As㊁Sb㊁Bi㊁Hg㊁Co㊁Mo㊁Ag㊁Ba㊁Ni㊁Mn㊁Au㊁W㊁Cd㊁K2O㊁Na2O㊁CaO㊁MgO㊁SiO2㊁Fe2O3㊁Ce㊁La㊁Th㊁U㊁Y等27种组分㊂95图1黑龙江省小西林铅锌矿区水地球化学试点测量异常图2试点成果讨论2.1小西林铅锌矿区小西林位于黑龙江省伊春市东南40km处,是一个已经开采近40年㊁资源濒临枯竭的大型铅锌矿山㊂测区内所有勘探过的矿体均被开采,呈现遍地开花之态㊂目前大部分地段已经采空,只有主井和老道庙矿段还在开采㊂矿石成分为磁黄铁矿㊁黄铁矿㊁方铅矿㊁闪锌矿等㊂其主矿体探明铅金属储量40万t,品位4.09%,锌金属储量53万t,品位4.3%~5.23%㊂矿床伴有镉㊁铟等有益组分㊂矿床成因为热液型㊂小西林铅锌矿区地表水体pH值测定结果表明,这里的水主要为中偏酸性水,其pH值范围6.24~7.71,平均值为6.975㊂在小西林铅锌矿区,水中Pb㊁Zn㊁Cd㊁As㊁Sb㊁Bi㊁Cu㊁CaO㊁Fe2O3㊁K2O㊁Mn㊁Co等12元素异常对已知的小西林铅锌矿最好的矿化地段(主矿体和V㊁IX号矿带都有十分明显的指示作用(图1,从而构成了小西林铅锌矿床的水地球化学特征指示元素㊂其中Pb㊁Zn㊁Fe2O3㊁As等4元素异常二级以上浓度带比较准确的圈定出主矿体(I号矿体产出的位置㊂在小西林铅锌矿区,水地球化学异常没有明显的元素分带现象,各元素异常在空间上基本叠合在一起,显示出热液型矿床异常分布特征,为矿床的成因研究提供了证据㊂2.2天合兴斑岩铜矿区天合兴铜矿位于张广才岭南端,属吉林省靖宇县景山乡管辖㊂区内植被发育,以针㊁阔叶林为主㊂基岩大部分被覆土掩盖㊂水系呈树枝状,沟谷中常出现沼泽㊂矿区共圈定出8条长500~900m,宽80~400m的矿化蚀变带㊂岩石普遍具硅化㊁绿泥石化㊁绢云母化㊂经初步普查已圈定出115条矿体,其中地表63条,盲矿体52条,矿体长几十米至160m,宽1~16m,倾角60°左右,呈脉状㊁透镜状产于石英斑岩㊁花岗斑岩㊁辉绿辉长岩中,多为浸染状或细脉浸染状,与围岩界线不明显,空间上与斑岩体相伴产出,确定为斑岩型”铜矿床㊂现已探求出铜金属储量10万t以上㊂其中大于0.5%的富矿体38条,铜金属储量3万t以上㊂仅III㊁V号矿化蚀变带工作程度较高,其余各矿化蚀变带基本没有深部工程控制,06地质与勘探2021年图2吉林省天合兴斑岩铜矿区水地球化学试点测量异常图具有较大找矿远景㊂天合兴斑岩铜矿区地表水体pH值测定结果显示主要为中偏碱性水,其pH值范围6.83~7.90,平均值为7.229㊂天合兴斑岩铜矿区水中各元素异常示于图2中㊂从中可见,Cu㊁Mo㊁W㊁Bi㊁Pb㊁Zn㊁Cd㊁As㊁Hg组合异常十分清楚的圈定出天合兴斑岩铜矿化产出的远景地段,从而构成了天合兴斑岩铜矿床水地球化学指示元素系列㊂其中Cu㊁Mo㊁W㊁Bi异常浓集中16第1期焦保权等:水地球化学测量在森林沼泽景观区区域化探异常追踪中的作用研究图3黑龙江省新林区塔源研究区水地球化学测量异常图心准确的指出了已知主要矿体产出的部位;Pb㊁Zn㊁Cd㊁As㊁Sb㊁Hg异常(或浓集中心出现在Cu㊁Mo㊁W㊁Bi异常浓集中心的周缘,且Pb㊁Zn㊁Cd异常都具有二级以上的浓集中心;Sb㊁Hg异常出现在更外的位置上,显示出远源指示元素的特征㊂整体显示为比较典型的斑岩铜矿床地球化学异常模式㊂Ag和K2O异常主要显示出北北东向展布的特征,W异常也有类似的展布特征,推测它们主要反映的是区域控岩构造的展布方向㊂Cu㊁Mo㊁Sb(Pb㊁Zn异常还具有北东和近东西向展布的特点,推测26地质与勘探2021年这是矿区控矿构造的反映(图2㊂在测区内,除已知矿床外,于矿区北侧和测区西缘出现的两个异常值得注意:①矿区北侧异常:面积4km2左右㊂元素组合为Pb㊁Zn㊁Cd㊁As㊁W㊁Cu㊂其中大部分元素具有二级浓度,且Pb㊁Zn异常面积>4km2;并邻近Ag和K2O异常浓集中心,具有十分有利的成矿构造条件㊂显示出斑岩铜矿前缘指示元素组合的特点,预示这里可能赋存有隐伏斑岩铜矿化体㊂②测区西缘异常:面积3km2左右㊂元素组合为Cu㊁Mo㊁Pb㊁Zn㊁Hg㊁As㊂其中Pb具有四级浓度分带,Zn具有三级浓度分带,Cu㊁Mo具有二级浓度分带㊂异常仍然显示出斑岩铜矿前缘指示元素组合的特点,预示这里可能隐伏有斑岩铜矿化体㊂2.3塔源异常区前人在塔源测区中进行区域化探异常查证时发现Pb-Zn矿点一个,目前正在进行勘探㊂在测区西侧,前人发现有隐伏Cu-Au矿点和Au-Ag矿点各一处;其中Cu-Au矿点正在进行民采㊂在测区东部发现有Mo矿化点一个㊂塔源测区水中各元素异常示于图3中㊂Cu㊁Au㊁Ag㊁Pb㊁Zn㊁As㊁Sb㊁Cd㊁Co㊁Ni㊁W㊁Bi㊁Fe㊁Mn等14元素异常准确的圈定出铜金矿点的产出位置;且这些异常都具有三级以上的浓度分带㊂主矿化元素Cu具有五级浓度分带;主要伴生元素Ag㊁Pb㊁Zn㊁Sb㊁Co㊁Ni㊁Bi㊁Fe㊁Mn也具有四级浓度分带;并伴有弱Hg异常㊂显示出这个异常是测区中规模最大㊁具有良好找矿潜力的异常㊂对于金银矿点来说,其水地球化学异常的元素组合与前者基本上一致,但异常强度则明显降低,处于Cu㊁Co㊁Fe㊁Mo三级异常和Pb㊁Zn㊁Sb㊁Bi㊁Mn二级异常之中,其它元素均为弱异常㊂看来这里的矿化规模可能比铜金矿点要差很多㊂同时,K㊁Si㊁Mg弱异常也能够圈定出铜金矿点和金银矿点的分布地段㊂表明采用水地球化学测量来圈定矿化分布地段是完全可能的㊂对于正在进行勘探的多金属矿点来说,只具有Zn㊁Pb㊁Cu㊁Ag㊁As㊁Sb㊁Co㊁Bi㊁Ni㊁Fe㊁Mn㊁Na㊁Si㊁Mg的弱异常,其中只有Zn具有二级浓度分带㊂看来这里的矿化前景不容乐观㊂通过以上讨论可以发现:水中Pb㊁Zn㊁Cd㊁As㊁Sb㊁Bi㊁Cu㊁CaO㊁Fe2O3㊁K2O㊁Mn㊁Co等12元素是小西林铅锌矿床的特征指示元素,其异常准确指出了小西林大型铅锌矿床最好的矿化地段(主矿体和V㊁IX号矿带,主成矿元素异常沿水系迁移距离>5km㊂水中Cu㊁Mo㊁W㊁Bi㊁Pb㊁Zn㊁Cd㊁As㊁Hg等9元素构成了斑岩铜矿床特征指示元素,其组合异常十分清楚的圈定出天合兴中型斑岩铜矿床产出的远景地段,其中Cu异常沿水系迁移4km左右㊂水中Cu㊁Au㊁Ag㊁Pb㊁Zn㊁As㊁Sb㊁Cd㊁Co㊁Ni㊁W㊁Bi㊁Fe㊁Mn等14元素是塔源铜金㊁金银和多金属矿化的特征指示元素,其异常可以准确的圈定出相应矿化的产出地段㊂3结论在森林沼泽景观区的水体中存在着与水系沉积物类似的相关矿床指示元素系列,如铅锌矿床为Pb㊁Zn㊁Cd㊁As㊁Sb㊁Bi㊁Cu㊁CaO㊁Fe2O3㊁K2O㊁Mn㊁Co等12元素,斑岩铜矿床为Cu㊁Mo㊁W㊁Bi㊁Pb㊁Zn㊁Cd㊁As㊁Hg等9元素,铜金㊁金银和多金属矿化为Cu㊁Au㊁Ag㊁Pb㊁Zn㊁As㊁Sb㊁Cd㊁Co㊁Ni㊁W㊁Bi㊁Fe㊁Mn等14元素㊂在森林沼泽景观区域化探异常追踪阶段(大约1∶5万比例尺,相对低密度(0.5点/km2~2点/km2和小采样量(每点25ml的水地球化学测量可以快速有效的缩小找矿靶区,指明找矿有利区段,指导下一步工作部署㊂[参考文献][1]李应桂,杨少平,余学东,等.基岩裸露区金矿异常源的快速追踪与评价[J].物探与化探,1997,8(1:36-12.[2]冷福荣,苏美霞,郭利军,等.北方干旱区水地球化学方法应用效果[J].内蒙古地质,1997,(2:42-52.[3]蒋敬业.影响水化学找金发展的因素及其进一步研究[J].物探与化探,1998,22(4:255-261.[4]邓国泉.湘南地区地下水放射性同位素比值特征及矿化异常判别标准[J].航测与遥感,1997,(4总48:14-21.[5]蒋敬业.水化学找金方法述评[J].地质科技情报中国地质大学(武汉,1998,17(1总70:97-102.[6]蒋敬业,谭大芳,胡国俊,等.冯家山矽卡岩型铁㊁铜矿床水化学异常特征及找矿标志[J].地质与勘探,1998,34(6:5-9.[7]胡爱珍.金矿区水中几种状态金在不同气候带的地球化学分布[J].物探与化探,1999,23(3:170-174.[8]杜龙明.浅谈层间氧化带砂岩型铀矿水化学区调中资料收集和整理[J].西北铀矿地质,1999,25(1总52:43-49.[9]林耀庭,唐庆,熊淑君.四川盆地海相三叠系异常水化学探盐找钾的研究[J].化工矿产地质,1999,21(1:7-14.[10]蒋敬业,谭大芳,柴红年,等.水化学方法在区域化探异常评价中的应用研究[J].地质科技情报中国地质大学(武汉,1999,18(3总79:104-108.[11]张卫民.确定层间氧化带砂岩铀矿床后生分带的水文地球化学研究方法[J].国外铀金地质,1999,16(3总63:253-256.[12]邹顺庚.开鲁盆地铀矿水文地球化学找矿研究[J].铀矿地36第1期焦保权等:水地球化学测量在森林沼泽景观区区域化探异常追踪中的作用研究地质与勘探2021年[13]肖唐付,洪业汤,郑宝山,等.黔西南Au-As-Hg-Tl矿化区毒害金属元素的水地球化学[J].地球化学,2000,29(6:571577.质,2000,16(4:226-232.[16]马生明,朱立新,周国华,等.高山峡谷区快速评价找矿靶区的[17]乔海明,张天太,张复新,等.吐哈盆地十红滩铀矿床水文地球[18]杨少平,孔牧,刘英汉,等.西藏驱龙铜矿区水地球化学特征及其对铜矿化指示作用[J].物探与化探,2006,30(6:509512.化学特征[J].铀矿地质,2005,21(6:27-34.化探方法技术[J].物探与化探,2002,26(3:185-191.[14]虞修竟,夏克勤,贾疏源.碳氧同位素水文地球化学方法在找[15]何晓梅.盛源火山岩盆地的放射性水异常形成条件及其潜在铀资源预测[J].华东铀矿地质,2001,(2总55:26-35.钾中的应用[J].矿物岩石,2001,21(2总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月环境科学学报ActaScientiaeCircumstantiaeVol.27,No.2Feb.,2007基金项目:国家重点基础研究计划(973项目(No.2004CB418505;上海市优秀教师科研基金(No.B.9920303062021SupportedbytheNationalBasicResearchProgramofChina(No.2004CB418505andScienceresearchfundofexcellenceteacherinShanghaiuniversity(No.B.9920303062021作者简介:刘书宇(1979—,女,博士研究生;3通讯作者(责任作者Biography:LIUShuyu(1979—,female,Ph.D.candidate;3CorrespondingauthorLiuSY,MaF,ZhangJQ,etal.2007.StudiesonbiodiversitiesineutrophicationprocessoflandscapingwaterbodyinNorthernChina[J].ActaScientiaeCircumstantiae,27(2:337-341景观水体富营养化模拟过程中藻类演替及多样性指数研究刘书宇1,2,马放1,3,张建祺31.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨1500902.上海大学射线应用研究所,上海2021003.美国马里兰州立大学土木环境工程系,巴尔的摩21250收稿日期:2006204229修回日期:2006212201录用日期:2006212220摘要:采用微宇宙培养法,模拟微污染景观水体富营养化过程,研究其浮游藻类演替状况及生物多样性指数.结果表明,最终优势藻种为黄藻门.通过计算9种生物多样性指数(Margalefπs、PIE(种间相遇几率、Menhinickπs、Shannon-Wiener、Simpsonπs、McNaughtonπsdominanceindex、Species、OD(多样性测度指数、Monk对景观水体富营养化过程中浮游植物演替趋势进行评价,发现其中仅2种多样性指数适于静态景观水体富营养化研究,分别为Monk多样性指数及Menhinickπs多样性指数,而其它指数都不够准确.关键词:景观水体;生物多样性指数;富营养化;演替文章编号:025322468(2007022*******中图分类号:X171文献标识码: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在景观水富营养化过程中,由于封闭缓流引起营养状况失衡,从而使藻类繁殖过剩.随着水中物种组成、丰富度及浮游植物生产力的改变,水生生物群落将发生演替.水体浮游植物群落的改变对于评价富营养化程度提供了重要依据(IgnatiadesL,1985;ProulxM,1996;WatsonS,1997,其中藻类的群落构成尤为重要.很多评价指数均涉及物种组成、多项物理化学指标及叶绿素a浓度,计算复杂,环境科学学报27卷而多样性指数用浮游植物各种属的个体数表征水体污染状态,无需大量数据.但在许多研究中,某些多样性指数基于其传统用法而未经推算就被直接引用,缺乏有效性的确定.本研究通过模拟微污染景观水体污染过程进行模拟分析,旨在揭示不同生物多样性指数在富营养化评价中的有效性,寻找适于景观水体富营养化过程研究的多样性指数.2材料与方法(Materialsandmethods2.1水生微宇宙模型的构建本研究中采用有机玻璃水族箱(500mm×400mm×300mm模拟封闭、静止的微污染景观水体.箱体底部均匀铺设5cm厚度干河泥,灌注25L自来水与25L湖水.将水族箱置于室外,大雨时将系统遮蔽,其余时间自然通风.于2005年6月中旬开始培养,使其自然经历贫营养至富营养化过程.水族箱中河泥及湖水均取自黑龙江省太阳岛(45°45′N,126°38′E,河泥和湖水内含多种水生生物种子及孢子.实验期间,适当添加少量自来水补充系统蒸发量.图1水生微宇宙模型Fig.1Microcosmtanks2.2分析方法培养1周后,于2005年6月23日开始数据采.图2微宇宙水体富营养化过程中藻类的演替(注:线条粗细表示该种类藻总个体数Fig.2Successionofalgaeduringthecourseofwaterbodyπseutrophication3结果(Results3.1优势种演替过程在微宇宙水体富营养化过程中,藻种鉴定到属8332期刘书宇等:景观水体富营养化模拟过程中藻类演替及多样性指数研究优势种,另外,其底泥的物理化学及生物学特性也是造成其优势藻类不同于其它水体的主要原因.所以,在景观水体富营养化过程中,藻类的大量爆发并非以最初的已有种类进行数量上的简单扩增,而是逐渐发生迁移,影响因素不仅包括水质状况与底泥特征,气候与地理条件亦是主要因素.3.2生物多样性指数与TSI(P值的变化各生物多样性指数分别为Margalefπs(MargalefR,1958、PIE(种间相遇几率、Menhinickπs(MenhinickEP.1964、Shannon2Wiener(ShannonCE,WeaverW.1949、Simpsonπs(SimpsonEH,1949、McNaughtonπs指数、Species、OD(多样性测度指数、Monk多样性指数.其中Species直接计数,其它指数计算公式见表1.根据所鉴定出藻类的种类数及个体数计算各时期水体藻类生物多样性指数,计算结果见表2.根据总磷浓度值,研究以营养状态指数TSI(P表征的水体污染程度变化(式(1(AizakiM,1981.TSI(P=106-ln(48/TPln2(1表1各多样性指数计算公式Table1Formulaofdiversityindices多样性指数计算公式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为多样性指数,s为物种i的个体数数,N为所有物种个数,Pi为物种的个体数占总个体数的比例,n1和n2为2个主要优势种的个体数.表2微宇宙水体浮游藻类9种生物多样性指数变化Table2NinebiodiversitiesofphytoplanktoninmicrocosmindifferentperiodOD(多样性测度指数2.6502.3562.6362.4451.9411.070图3各时期TSI(P值变化(2005Fig.3VarietyofTSI(Pineachperiod(2005式中,TP为水中总磷浓度值;TSI(P为磷营养污染指数.各时期的TSI(P值计算结果见图3.由图3可见,营养状态指数基本上升高,这表明,微宇宙水体在无营养盐输入的情况下,污染程度仍逐渐加大,由底泥向上覆水体释放污染物及营养物质使水中磷浓度不断升高,为藻类生长提供了充分的磷源,促进其生长繁殖,并使水质下降.最后一次检测时TSI(P指数降低,是由于后期藻类大量生长繁殖,吸收了水体中部分可溶性磷,使得基于P浓度值所计算的TSI(P值有所降低.3.3多样性指数与TSI(P值的拟合将TSI(P值与9种多样性指数分别拟合,以找出与水体污染变化趋势最符合的多样性指数.由图4可以看出,只有Menhinick’s及Monk多样性指数与TSI(P间的拟和效果较好,R2值分别933环境科学学报27卷为0.7606、0.7736,与水体污染变化最大趋近,其它指数与TSI(P间拟合的R2值都较小.HurbertsπsPIE(Probabilityofinter2specificencounters指数主要建立在种间相遇几率上,由图4a看出,Hurbertsπs多样性指数与TSI(P值间的R2值为0.338,拟和效果差,即Hurbertsπs指数对于随时间发生变化的群落演替不灵敏,而静态景观水体富营养化过程主要源于时间变化导致营养盐浓度的增加.此指数在用于海水富营养化研究中也表现出时间上的延误性(KarydisM,1996.由图4b可以看出,Marglefπs指数与TSI(P值变化拟和也不好,R2值达0.7606,明显高于前两个值,此指数在时间上对群落间区分上具有灵敏性.Shannonπs与Simpsonπs多样性指数作为经典的多样性指数,主要代表群落中的物种丰富度,对群落随时间变化的研究并不灵敏.图4各生物多样性指数与TSI(P值的拟和Fig.4RegressofninebiodiversityindiceswithTSI(P从R2值可以看出,McNaughtonπs多样性指数也不适用于描述富营养化过程,在海水环境富营养化评价中,McNaughtonπs指数亦不准确(KarydisM,1996.Monk指数与TSI(P值拟和效果较好(图4h,其R2为物种丰度研究的简单方式,与TSI(P拟合的R2综上所述,在由9种生物多样性指数与TSI(P共同描述静态水体富营养化过程中,只有Monk多样性指数与Menhinickπs多样性指数与TSI(P值所表征的水体污染程度变化趋势相符合,而PIE(种间相遇几率、Marglefπs、Shannonπs、Simpsonπs、McNaughtonπs、OD(多样性测度指数等经典多样性指数尽管在诸多文献中被直接引用,但在静态景观水体污染过程中,由于其所反映群落信息变化的不确定性,未能准确描述富营养化过程.所以,在应用生物多样性指数进行水体富营养化评价研究时,应首先根据水体污染特性和污染方式进行计算,确定所要应用的生物多样性指数的有效性,再用于污染0432期刘书宇等:景观水体富营养化模拟过程中藻类演替及多样性指数研究趋势评价.4结论(Conclusions1在利用微宇宙模型模拟北方静止景观水体富营养化的过程中,藻类优势种演替如下:初期为绿藻门,然后迁移至蓝藻门,最终优势种为黄藻门;不同于我国其它淡水湖及富营养化景观水体的水华藻类.2在无外源污染输入情况下,水体污染程度的增加主要来源于底泥向上覆水体释放营养物质.在富营养化过程中,藻类并非以单一种类进行数量上的扩增,而是逐渐发生种群迁移,影响因素包括水质状况、底泥特征、气候与地理条件.3并非所有生物多样性指数适用于水体富营养化过程研究.本研究中,仅Monk多样性指数与Menhinickπs多样性指数所描述的富营养化过程与水质变化趋势最大相符,适于静态景观水富营养化研究.通讯作者简介:马放(1963—,教授,博士生导师.主要从事环境生物技术、污染控制及微生物生理生态学等方面的研究.Tel:0451-********References:CarlsonstrophicstateindextoJapaneselakesanditsrelationshipstootherparametersrelatedtotrophicstate[J].ResRepNatInstEnvironStudy,23:13—31phytoplanktonbiomassparametersandtheirinterrelationwithnutrientsinSaronicosGulfGreece.[J]Hydrobiologia,128:201—206[J]Oikos,76:191—195中文参考文献:143矿井支护喷射补偿收缩混凝土中外加剂水化作用机理的研究李伏虎,马芹永(安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心,安徽淮南232001[摘要]为了探究HCSA膨胀剂和速凝剂在喷射补偿收缩混凝土中的水化作用机理,采用X射线衍射(XRD、扫描电子显微镜(SEM等分析测试手段,对膨胀剂—速凝剂—硅酸盐水泥三元胶凝材料的水化反应及水化产物特征进行了研究。结果表明:三元胶凝材料水化初期,速凝剂和膨胀剂两种水化反应都消耗了CaSO4,CaO和H2O,抑制了钙矾石AFt,C－A－H和CaCO3的生长,但有大量Ca(OH2和C－S－H凝胶生成,起到了促凝作用;随着水化龄期的增长,HCSA膨胀剂促使钙矾石晶体逐渐生长,填充了胶凝材料的微孔洞和裂缝,提高其密实度。[关键词]补偿收缩;喷射混凝土;作用机理;胶凝材料;HCSA膨胀剂[中图分类号]TD353.3[文献标识码]A[文章编号]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[基金项目]高等学校博士学科点科研基金(20213415110001[作者简介]李伏虎(1970－,男,安徽宿州人,讲师,博士,从事混凝土材料微观结构的研究。近年来,喷射混凝土施工技术在矿山井巷与地下工程、水利电力工程、建筑结构的补强加固、复杂构造工程等大型项目中得到广泛应用[1]。但是,普通喷射混凝土存在收缩裂缝和强度低等缺陷,严重影响了矿井支护工程质量和寿命。为解决这些问题,研究人员采取了多种方法,例如:添加钢纤维、碳纤维、聚合物纤维等,取得了一定效果[2－4]。最近,马芹永、崔朋勃等人进行的喷射补偿收缩混凝土研究表明,在喷射混凝土中适当掺入HCSA膨胀剂的同时配合钢纤维的三维约束,利用膨胀剂在喷射混凝土中产生的预压应力抵消喷射混凝土收缩产生的预拉应力,可以起到补偿收缩、减少微裂缝、提高强度的作用[5－6]。但是,对于膨胀剂和速凝剂在喷射补偿收缩混凝土中的作用机理,还需要进行深入研究,以便为膨胀剂在喷射混凝土中的应用提供理论依据,同时也可以优化喷射补偿收缩混凝土的性能,推广喷射补偿收缩混凝土在工程上的应用。本文研究了HCSA膨胀剂、速凝剂和硅酸盐水泥构成的三元胶凝材料水化作用的机理,分析了三元胶凝材料水化产物的微观结构特征,并提出了研发新型喷射补偿收缩混凝土添加剂的发展方向。1试样材料与样品测试1.1原材料水泥:普通硅酸盐水泥P·O42.5级;膨胀剂:HCSA高性能膨胀剂,主要成分硫铝酸钙;速凝剂:D型速凝剂,主要成分NaAlO2(铝酸钠。1.2试验仪器使用X射线衍射仪(XRD,XD－3型,Cu/Kα131第17卷第3期(总第106期June2021辐射源,扫描范围560ʎ测试样品的晶体结构特征;使用水泥稠凝测定仪(维卡仪测试三元胶凝材料的凝结时间;使用扫描电子显微镜(SEM,S－3000N型观测样品的微观形貌特征。1.3样品制备胶凝材料总量为100g,HCSA膨胀剂、速凝剂均采用内掺方式,等量取代水泥。膨胀剂等量取代水泥8%,速凝剂内掺量5%(根据混凝土力学性能选择这一配合比[5];水胶比为0.4。准确称量各种胶凝材料,加水搅拌均匀制成水泥浆体,测试胶凝材料的初凝时间。6h后放入水中养护,1d,3d,7d,28d时取出部分样品,进行SEM和XRD测试。2结果与分析2.1膨胀剂和速凝剂的成分分析首先对膨胀剂和速凝剂所含的主要活性化合物进行分析,图1和图2分别为HCSA膨胀剂和速凝剂的XRD图谱。从图中可以看出,HCSA膨胀剂主要含有CaSO4,CaO,Al2O3和C3S等晶体化合物,其中3CaO·3Al2O3·CaSO4和CaO是主要膨胀源[7];而D型速凝剂则含有NaAlO2,SiO2,CaO,Al2O3和Na2CO3等晶体化合物(见图2,这表明D型速凝剂是铝酸钠类速凝剂,主要起促凝作用的化合物是:NaAlO2,CaO和Na2CO3[8－9]。图1HCSA膨胀剂的XRD图谱图2速凝剂的XRD图谱2.2膨胀剂和速凝剂的水化作用机理再分析速凝剂—硅酸盐水泥和HCSA膨胀剂—硅酸盐水泥2种二元胶凝材料的基础水化反应。三元胶凝材料和二元胶凝材料早期水化产物XRD图谱见图3。图3三元胶凝材料和二元胶凝材料早期(1d水化产物XRD图谱图3B为速凝剂(5%—硅酸盐水泥水化早期(1d产物的XRD图谱,可以看到,速凝剂与硅酸盐水泥混合水化早期(1d产物中所含Ca(OH2,CaCO3,C－S－H,SiO2和C3AH6的衍射峰较强。一般速凝剂的作用机理认为,速凝剂中碳酸盐与水泥中石膏等发生反应生成CaCO3和NaOH等化合物(见1,2式,速凝剂中NaAlO2遇水迅速发生水解反应生成Al(OH3和NaOH(见3式,NaOH与硅酸盐水泥中的石膏CaSO4反应,建立化学平衡(见4式,使溶液中CaSO4浓度显著下降,石膏失去缓凝作用。同时,铝酸三钙C3A迅速水化生成大量水化铝酸钙(C3AH6,析出水化物,致使水泥浆体快速凝结,形成水泥石结构[10－11]。也有研究者认为速凝剂与水反应生成的NaOH加速了硅酸钙C3S的水化作用,生成的C－S－H凝胶和片状Ca(OH2晶体有利于早期强度的提高[9,12]。在图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,这与上述反应机理相一致。Na2CO3+CaO+H2O→CaCO3+2NaOH(1Na2CO3+CaSO4→CaCO3+Na2SO4(2NaAlO2+2H2O→Al(OH3+NaOH(32NaOH+CaSO4Na2SO4+Ca(OH2(42NaAlO2+3CaO+7H2O→C3AH6+2NaOH(5而图3A中XRD图谱显示,HCSA膨胀剂(8%—硅酸盐水泥二元胶凝材料早期水化产物41总第106期煤矿开采2021年第3期(1d与速凝剂—水泥水化产物基本一致,但前者的钙矾石(AFt和Ca(OH2晶体的衍射峰明显强于后者的衍射峰。这是由于HCSA膨胀剂的主要成分硫铝酸钙(CaO·3Al2O3·CaSO4与水、硅酸盐水泥混合后反应生成针棒状钙矾石晶体(见6式。根据膨胀剂作用机理:钙矾石晶体的生长可以填充混凝土材料的微孔洞产生膨胀能,来抵消混凝土因干缩或冷缩而产生的应力,避免微裂缝的产生[7]。图3A中还可以看到Ca(OH2也具有很强的衍射峰,这是由于HCSA膨胀剂中CaO与H2O反应生成Ca(OH2。3CaO·3Al2O3·CaSO4+6CaO+8CaSO4+96H2O=3(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(6CaO+H2O=Ca(OH2(72.3膨胀剂—速凝剂—硅酸盐水泥三元胶凝材料水化作用机理通过对速凝剂和膨胀剂作用机理(16式的分析可以看到,CaSO4,CaO和H2O等化合物同时参与了二者的水化反应,因此,在膨胀剂—速凝剂—硅酸盐水泥三元胶凝材料中速凝剂和膨胀剂二者原有的水化反应平衡会被破坏,水化产物也会发生变化。图3C所示为膨胀剂(8%—速凝剂(5%—硅酸盐水泥三元胶凝材料早期(1d水化反应产物的XRD图谱。从图3C中可以看出,Ca(OH2和C－S－H的衍射峰较强,说明三元胶凝材料早期水化产物中含有大量Ca(OH2和C－S－H凝胶。另外,与膨胀剂—水泥和速凝剂—水泥2种二元胶凝材料相比,三元胶凝材料早期水化产物的钙矾石(AFt,C－A－H和CaCO3衍射峰强度有所减弱。根据速凝剂和膨胀剂2种水化作用机理(16式来分析产生这些变化的原因主要是:速凝剂和膨胀剂所进行的水化反应(1,2,5和6式都消耗了CaSO4,CaO和游离水,在一定程度上抑制了钙矾石(AFt,C－A－H和CaCO3的生长,这说明膨胀剂—速凝剂—硅酸盐水泥三元胶凝材料的水化反应是膨胀剂—水泥和速凝剂—水泥2种二元胶凝材料水化反应相互影响的结果。虽然HCSA膨胀剂影响了水化产物C－A－H和CaCO3的生长,但三元胶凝材料凝结时间的实验结果表明(见表1,膨胀剂没有影响速凝剂发挥促凝作用。这可能是由于三元胶凝材料水化产生大量Ca(OH2和C－S－H凝胶的缘故。另外,从化学反应动力学的角度来分析,速凝剂的反应速度很快(15式,通常在几分钟至十几分钟内完成[8],而HCSA膨胀剂反应生成钙矾石晶体的速度较慢,尽管水化早期也有少量钙矾石晶体产生,但通常需要57d才能达到钙矾石晶体生长的最大值[13]。所以,硅酸盐水泥—速凝剂—膨胀剂三元胶凝材料与水混合发生水化反应时,速凝剂会快速发生反应,使胶凝材料早凝。表1膨胀剂、速凝剂和硅酸盐水泥胶凝材料的凝结时间硅酸盐水泥掺量重量百分比/%D型速凝剂掺量重量百分比/%HCSA膨胀剂掺量重量百分比/%水胶比初凝时间/min92080.410595500.43.7587580.43.58研究胶凝材料不同龄期水化产物的特征,可以更全面地认识外加剂的作用机理,图4为膨胀剂(8%—速凝剂(5%—硅酸盐水泥三元胶凝材料不同龄期水化产物的XRD图谱,可看到随着水化龄期的延长,三元胶凝材料水化产物中AFt,Ca(OH2,CaCO3和C－A－H等的衍射峰明显增强。从图5可知,三元胶凝