新场地段不同地貌单元沉积物的水岩作用模拟试验研究

李亚楠，苏锐，周志超，李杰彪，张明

（1. 核工业北京地质研究院，北京 100029；2. 国家原子能机构高放废物地质处置创新中心，北京 100029）

地下水作为核素迁移的主要载体，其水化学性质对高放废物安全处置具有重要意义［1］。查明地下水的化学组分来源、化学性质以及演化规律对于认清其水化学性质具有重要意义。一般而言，降水转化为地下水后，水化学性质多发生较大变化，其物质成分来源以及变化机理值得深入研究。而对于大气降水通过包气带入渗补给地下水的过程中，其水化学性质变化以及机理方面的研究较少［2］。拟通过不同岩土、不同浸泡时间水溶液化学组分的变化，探讨在地下水化学形成过程中包气带淋溶作用所起的作用，可以为定量探讨地下水化学形成机理提供实验和理论依据。

1 研究区概况

中国高放废物处置北山预选区新场地段位于甘肃省河西走廊以北，海拔介于1 400～1 600 m 之间，地形相对比较平缓，地表为典型戈壁荒漠景观，岩体的岩性主要由花岗闪长岩和二长花岗岩组成［3］。该区是我国典型的干旱地区，年平均降水量小于80 mm，年平均蒸发量为3 200 mm，属典型的大陆性气候，研究区位置如图1 所示。

图1 研究区及采样点位置图［4］Fig.1 Location of study area and sampling sites［4］

新场地段是中国高放废物处置北山预选区重点预选地段之一，区内呈现的典型地貌类型为斜坡、平滩和沟谷。斜坡地带特点为：坡降明显，多为裸露花岗岩体，风化层厚度0～10 cm，渗透性小，多为10-5m·s-1，降雨后多以地表径流的方式向平滩及沟谷汇集。平滩地带特点为：风化层厚度0～20 cm，较斜坡地带渗透性小，多为10-6m·s-1，降雨后多以地表径流的方式向沟谷汇集。沟谷地带特点为：由第四系沉积物组成，厚度由几十厘米到几米不等，是该地区降雨入渗补给地下水的主要通道，渗透性相对较高，多为10-4m·s-1。

2 实验材料及方法

2.1 实验样品

本试验使用去离子水（二级去离子水）与新场地段典型地貌单元沉积物（沟谷上游、沟谷下游、平滩和斜坡）进行水-岩作用反应，沉积物取样点位置如图1 所示。采集沉积物样品后，需在相同条件下自然风干、除杂、搅拌均匀保存［5-7］。

试验前，将样品送至核工业北京地质研究院分析测试中心进行X 射线衍射分析，采用Panalytical X’Pert PRO X 射线衍射仪，分析其矿物组成及含量，检测方法参照SY/T5163—2010《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X 射线衍射分析方法》。样品中含有石英、斜长石、钾长石和黏土矿物、方解石、石膏等，其中石英所占比例最高，沟谷上游、沟谷下游和平滩沉积物矿物组成及含量相差不大，而斜坡沉积物中黏土矿物含量明显高于其他3 个位置沉积物中黏土矿物的含量。

为进一步了解沉积物样品矿物的显微结构，将样品送至核工业北京地质研究院分析测试中心进行SEM 扫描电镜观测，采用Nova Nano SEM450 扫描电镜仪，检测方法参照JY/T 010—1996《分析型扫描电子显微镜方法通则》，观测结果如图2 所示。由图2 可见，不同地貌单元沉积物矿物形态不同，沟谷下游沉积物与沟谷上游沉积物中矿物相比，其磨圆度较好，沟谷沉积物中的矿物分选较平滩沉积物中的矿物更好，斜坡沉积物中的片状黏土矿物更多。

图2 不同地貌单元沉积物样品扫描电镜图Fig.2 SEM of sediments samples in the different units

2.2 实验步骤

1）常温（25℃）常压下，称取250 g 沟谷上游沉积物样品置于1 L 的聚乙烯瓶中，然后加入500 mL 的去离子水进行混合，一共配置5 份上述样品，用玻璃棒搅拌震荡30 min 后静置。用同样的方法配置沟谷下游、平滩和斜坡沉积物与去离子水的混合样品各5 份。

2）将配置好的4 个不同位置沉积物的5 份水溶液分别静置1、3、7、14 和28 d，取上清液，采用SC—3614 低速离心机离心，将离心后上层清液取出，后密封于聚乙烯取样瓶中，最后送至核工业北京地质研究院分析测试中心检测其水化学成分。

2.3 分析测试方法

用ICS—1100 离子色谱仪测定浸泡液中的Na+、K+、Ca2+和Mg2+；用883 Basic IC plus 离子色谱仪测定浸泡液中的Cl-和SO42-；用AT—510滴定仪测定浸泡液的pH 值以及CO32-和HCO3-；用TU—1901 分光光度计测定浸泡液中的Al3+和SiO2；根据水质分析结果计算得到［8-9］水溶液的溶解性总固体（TDS）。

3 实验结果分析讨论

3.1 典型地貌单元沉积物浸泡液水化学特征

3.1.1pH 值、TDS

由图3 可知，典型地貌单元不同沉积物反应后水溶液的pH 值介于6.69～8.62 之间。反应后水溶液的TDS 随着反应时间的增加在逐渐增大，样品与去离子水刚开始接触时，水溶液的TDS 急剧上升，尤其在浸泡的第1 天，沉积物与水接触大量的矿物溶解，随后水溶液的TDS 随时间缓慢上升。其中，沟谷上游和沟谷下游沉积物水溶液TDS 变化趋势相似，最大值分 别 为103.3 和85.9 mg·L-1，平滩沉积物 水 溶液TDS 最大值为156.9 mg·L-1，而 斜 坡 沉 积 物水溶液TDS 最大值达到1 905.9 mg·L-1。反应溶液中TDS 的变化幅度为斜坡＞平滩＞沟谷上游＞沟谷下游，其中斜坡沉积物反应后水溶液TDS 明显大于其他3 个位置沉积物水溶液的TDS。

图3 不同地貌单元沉积物浸泡液pH 值、TDS 变化规律图Fig.3 pH and TDS trends of soaking solutes during batch leaching tests in different units

3.1.2主要阳离子

由图4 可见，反应后水溶液中的主要阳离子浓度变化情况如下：随着反应时间的增加，水溶液Na+浓度都在逐渐增大，第1 天快速增加，随后逐渐增大。其中平滩沉积物水溶液Na+浓度明显大于其他3 个位置沉积物水溶液Na+浓度，最大值达到了23.5 mg·L-1，其他位置沉积物水溶液Na+浓度最大值仅为5.9 mg·L-1，说明不同沉积物与水混合后，有不等量的含钠矿物溶解，平滩沉积物溶解的含钠矿物最多。Mg2+与Na+有类似的规律。沟谷上游、沟谷下游、平滩和斜坡沉积物水溶液中K+浓度最大值分别为3.7、2.5、14 和16.8 mg·L-1。随着反应时间的增加，水溶液的Ca2+浓度也在逐渐增大，第1 天快速增加，随后逐渐增大。其中斜坡沉积物水溶液Ca2+浓度远远大于其他3 个位置沉积物水溶液Ca2+浓度，最大值达到506 mg·L-1，沟谷上游、沟谷下游和平滩沉积物水溶液Ca2+浓度最大值分别为29.7、23.1 和23.7 mg·L-1。说明不同沉积物与水混合后，有不等量的含钙矿物溶解，斜坡沉积物溶解的含钙矿物最多。

图4 不同地貌单元沉积物浸泡液主要阳离子变化规律图Fig.4 Major cations trends of soaking solute in the different units

3.1.3主要阴离子

由图5 可见，反应后水溶液中的主要阴离子浓度变化情况如下：沟谷上游、沟谷下游、平滩和斜坡沉积物水溶液中Cl-浓度最大值仅为2.1、1.3、6.5 和5.4 mg·L-1，说明沉积物中含氯矿物较少。随着反应时间的增加，水溶液的SO42-浓度第1 天快速增加，随后逐渐趋于稳定。其中斜坡沉积物水溶液SO42-浓度远大于其他3个位置沉积物水溶液SO42-浓度，最大值达到了1 322 mg·L-1，沟谷上游、沟谷下游和平滩沉积物水溶液SO42-浓度最大值分别为5.9、6.2 和23 mg·L-1。说明典型地貌单元不同沉积物与水混合后，有不等量的硫酸盐溶解，斜坡沉积物溶解的硫酸盐最多。沟谷上游、沟谷下游、平滩和斜坡沉积物水溶液中HCO3-浓度随时间的增加逐渐增大，未达到平衡，最大值分别为100、76.8、122 和50.5 mg·L-1［8-16］。

图5 不同地貌单元沉积物浸泡液主要阴离子变化规律图Fig.5 Major anions trends of soaking solutes in the different units

3.1.4Al3+、SiO2

由图6 可见，沟谷上游、沟谷下游、平滩和斜坡沉积物水溶液中Al3+浓度最大值分别仅为0.12、0.17、0.24 和0.05 mg·L-1，SiO2最大值分别为7.35、8.71、17.60 和11.55 mg·L-1，说明不同位置沉积物中发生部分铝硅酸盐矿物的溶解。

图6 不同地貌单元沉积物浸泡液Al3+、SiO2变化规律图Fig.6 Major trends of Al3+ and SiO2 in soaking solutes in the different units

3.2 浸出液中离子来源分析

为了进一步分析不同水溶液中不同离子来源，绘制了反应后水溶液的不同离子比值关系图（图7）。

图7 反应后水溶液不同离子比值关系图Fig.7 The relationship of different ion ratios in water solutes after the reaction

由图7a 可知，反应后的水溶液中，Na+含量均高于Cl-含量，说明水溶液中Na+不仅来源于盐岩，还可能包含钠硅酸盐（钠长石）的溶解，Cl-则主要来源于盐岩的溶解。其反应方程式如下所示：

反应后的水溶液中Ca2+、Mg2+和HCO3-通常来自方解石、白云石等碳酸盐的溶解。由图7b 和7c 可知，沟谷上游、沟谷下游和平滩沉积物反应后的水溶液中Ca2+、Ca2++Mg2+与HCO3-离子毫克当量浓度比值在1：1 附近，说明这3个位置沉积物水溶液中Ca2+、Mg2+和HCO3-主要来源于方解石、白云石的溶解，其反应方程式如下所示：

斜坡沉积物反应后水溶液中Ca2+毫克当量浓度远高于HCO3-毫克当量浓度，说明除了方解石的溶解，斜坡沉积物中水溶液Ca2+还有其他来源。由图7d 可知，斜坡沉积物反应后水溶液中Ca2+毫克当量浓度与SO42-毫克当量浓度的比值在1：1 附近，说明斜坡沉积物反应后水溶液中的Ca2+、SO42-主要来源于石膏的溶解，其反应方程式如下所示：

通常用［（Ca+Mg）-（HCO3+SO4）］与［Na+K-Cl］之间的关系来研究阳离子交替吸附作用。由图7f 可知，不同沉积物反应后水溶液均发生了阳离子交替吸附作用。阳离子交替吸附作用增加了反应后水溶液中Na+的含量，减少了Ca2+、Mg2+含量［17-21］。其反应方程式如下所示：

4 结论

1）沟谷、平滩、斜坡不同地貌单元沉积物样品主要以石英、斜长石、钾长石和黏土矿物为主，且不同位置显微结构各不相同。

2）不同地貌单元沉积物与去离子水反应后水溶液中阳离子主要为Ca2+，沟谷上游、沟谷下游和平滩沉积物反应后水溶液中阴离子主要为HCO3-，斜坡沉积物反应后水溶液中阴离子主要为SO42-。

3）不同地貌单元沉积物反应后水溶液中Na+主要来源于盐岩、含钠硅酸盐的溶解、阳离子交替吸附作用；Cl-主要来源于盐岩的溶解；沟谷上游、沟谷下游和平滩沉积物反应后水溶液中Ca2+、Mg2+和HCO3-主要来源于方解石、白云石的溶解；斜坡沉积物反应后水溶液中Ca2+、SO42-主要来源于石膏的溶解。