一种新的元素迁移形式及其地球化学环境效应.pdf

第29卷 第5期 成 都 理 工 学 院 学 报 Vol . 29 No. 5 2002年10月JOURNAL OF CHEN GDU UN I V ERSITY OF TECHNOLOGYOct. 2002 [文章编号] 10052953920020520567204 一种新的元素迁移形式及其地球化学环境效应 [收稿日期] 2001207210 [基金项目]国家自然科学基金资助项目49673202 [作者简介]童纯菡1936- ,女,教授,博士生导师,核技术应用专业 . E2mail tchcdut. edu. cn 童纯菡 李巨初 葛良全 成都理工大学应用核技术与自动化工程学院,成都610059 [摘要]提出了地壳中存在一种新的元素迁移现象,即由于地壳内存在的上升气流将非气态元 素以纳米微粒形式垂直迁移至地表,迁移距离可达几百米,甚至几千米。通过室内模型实验证 明,元素纳米微粒以上升气流垂向迁移形式为主,扩散迁移只占极小部分。列举了宣汉气田及 成都平原隐伏断裂上汞污染的二个实例,初步讨论这种新的元素迁移现象对地表地球化学环 境的影响。 [关键词]上升气流;纳米微粒;元素迁移;地球化学环境 [分类号] P632 [文献标识码 ] A 地球化学研究表明,地表某些元素的分布,往 往与深部地质体的存在有关。在金属矿、 油气藏、 断裂带等地质体上方,形成各自的地球化学异常 或元素特异分布,因此地表地球化学环境的研究 有必要重视研究深部来源元素的迁移及其影响。 1 概 述 近几十年来,对元核素迁移的研究,主要有 三个方面 第一,核能的发展不可避免地产生大量放射 性废物。对高放废物处置方法,是将废物固化后, 置于地下500～1000 m深地质工程体的废物库 中Hoffman, 1980,加上种种屏障,阻止核素迁 移到环境中,以达到与生命圈的安全隔离。 但是这 种屏蔽不能保证绝对安全,经过千万年后,核废物 库的分崩瓦解,放射性核素或多或少可迁移至生 物圈。 因此,放射性核素迁移行为规律研究[1]成为 废物安全性处置中的一个中心问题。 在这方面,中 国学者做了不少工作,研究地质介质、 地下水、 核 素体系的相互作用马明燮、 陈式, 1995。在核素 迁移过程的研究中,大都着重研究固、 液相之间的 分配系数Kd。 第二,石油、 天然气化探工作者有关烃类迁移 的探索结果,提出烃类的垂向迁移理论作为油气 化探的理论基础[2],也有人提出烃类依托载气流 向上迁移的设想。60年来大量的勘探实践和油气 田、 储气库上实验已得到证实,并形象地将垂向迁 移喻为 “烟囱效应” 。 此外,微量金属元素也被应用 在油气化探中作为指示元素,研究者把在空间吻 合一致的地球化学场视为与垂向迁移共成因现 象。 第三, 20世纪50年代以来,铀矿勘探工作者 普遍持氡以扩散形式向地表迁移论点。利用汞砷 异常找金属矿的化探工作者,同样持气体扩散理 论。但是,在20世纪70年代,利用固体径迹探测 器找到200 m深的铀矿时,气体扩散迁移方式观 点受到挑战。因为根据元素氡的半衰期不可能被 迁移如此大的距离。瑞典学者K. Kristiansson及 L. M al mqvist提出了是地壳中存在的上升气流将 氡载至地表[3],从而提出了氡的新的迁移方式,较 好地解释了氡的迁移。 2 一种新的深部元素迁移方式 近几年地气法地研究[4]揭示了在地壳内存在 一种新的元素迁移方式。这种元素迁移的量是很 微弱的,在通常情况下人们不易察觉。 随着科技发 展和新仪器的诞生,使我们可以从几个方面来研 究观察。研究所采用的测试技术有反应堆中子活 化分析I NAA , 以测定收集到的迁移元素的数 量;电子2X射线荧光,测量微区中成分;原子力显 微 镜A FM , 透 射 电 流TEM及 扫 描 电 镜 SEM观测地下深处迁移至地表的微粒形态等。 概括地说,在地球内部存在有氧、 氮、 一氧化 碳、 甲烷等气体[3],在温度差、 压力差等的作用下, 这些气体不断地由内部向外部迁移,形成总体垂 直上升的气流。 业已证明当物质在纳米尺度时,它 的物理、 化学性质与固体相比,会有一系列截然不 同的变化,诸如纳米颗粒的表面活性强,易形变, 有 “类气体” 结构,极易被气体吸附等特点。 这些元 素的纳米级物质随上升气流的运载而迁移至地 表。 迁移距离可以达几百米,在构造条件下可达几 千米。总的是以物理因素为主的元素迁移。 2. 1 不同地质体上观测的元素纳米微粒迁移 地质体上的元素地气异常是元素从深部迁移 的结果[4]。 宣汉气田位于四川省宣汉县五宝场地区,遥 感发现为长轴3. 5 km ,短轴1. 5 km的穹窿构造。 钻探在4500m处得到工业气流[5]。 在此狭长的穹 窿构造上布置了4条地气测量剖面收集地下上 升气流中痕量金属和非金属的非气态元素。用 I NAA测试,得到V , Ti,N a, Fe,Cr, Sb,A s等十几 种元素的增高环状异常,反映了在40余天采样时 间内收集到的元素迁移量,浓度在0. 01～10 ng cm 3 范围。 被迁移元素呈纳米微粒,粒径大都在20 ～50 nm ,呈链状连接又可重叠,在图1 TEM照 片及图2 A FM照片中清晰可见。 在金矿研究中,也得到A u,A s, Sb, Cr, Zn等 十几个元素地气异常,反映了在地气采样二十多 图1 宣汉气田迁移物质的TEM图 Fig. 1 The TEM figure of the transported matter in Xuanhan natural gas field 图2 宣汉气田迁移物质的A FM图 Fig. 2 The A FM figure of the transported matter in Xuanhan natural gas field 天时间内收集到的迁移元素的量。 金矿上的A FM 照片上观察到纳米颗粒的密集堆积。 在双流成都德阳隐伏断裂带的成都金花 桥地气剖面上,出现了A l,Cl,M g,M n,V , Ti等造 岩元素和铁族元素异常[6]。A FM和TEM照片上 出现20～50 nm颗粒。总而言之,在宣汉气田的 穹窿构造以及金矿和隐伏断裂等不同地质体上, 均观察到元素呈纳米级物质垂向迁移的存在。 2. 2 隐伏断裂上汞的化探异常 成都市营门口土壤中汞含量为1. 035 10- 6,超过全国土壤平均值0. 0410- 6的20倍 据姚学良、 朱礼学、 游再平, 1999,表明成都平原 存在局部的汞污染。在排除了工业污染及成都平 原冲积物的物源区污染两大因素后,姚学良等发 现根据化探的汞异常排列与何银武所编的成都平 原隐伏断裂图的排列方向颇为一致,所以推测汞 污染为基底断裂的反映。 从资料可知,汞在岩石中的克拉克含量为 0. 08310- 6,土壤中为0. 0410- 6,含量都比较 低。 当存在断裂时,深部迁移上来的元素会被土壤 吸附而积累在土壤中。 经过漫长的地质年代,源源 不断迁移来的量远超过土壤中的平均含量时,造 成汞异常分布,以致形成化探异常。 显然这是深部 元素迁移并对地表地球化学环境产生影响的另一 个实例。 3 元素迁移的室内模型实验 3. 1 上升气流的模型实验 为进一步证实纳米微粒的产生及随上升气流 迁移,设计了上升气流的模型实验。 利用电热源造 成上升气流,使其通过模型层,在模型层上方,中 间隔着几十厘米空气层,放置采样片,以测量迁移 865成 都 理 工 学 院 学 报 第29卷 元素的量及观察颗粒形态。 模型层物质为粉碎的矿石或岩石,在实验中 分别为金矿石层、 花岗岩层粉末状及板材和灰 岩层;矿层上覆水层或上覆玻璃罩等复合层。 热源 比室温高20℃左右,在此条件下造成上升气流。 在模型层上方采样片上,能源源不断地积累元素 的量,用中子活化分析时,能清晰得到随着时间增 加,被迁移元素含量也增加。 而且被迁移元素呈纳 米颗粒见图3,与在自然条件不同地质体上收 集的颗粒形状毫无二致。 图3 矿层模型上A FM照片 Fig. 3 The A FM photograph of the matter in si mulation test of a scending flow s 当模型层上覆水层或玻璃罩时,仍能测量到 元素迁移富集,不过数量有所减少。 3. 2 纯扩散模型实验 矿层置于密封容器,室温及一个大气压下,即 纯扩散条件下,容器内采样片上也收集到元素的 积累,是扩散作用所致。但是它的量非常少,在 A FM显示800Λm监测范围内估计, TEM测试 中大范围比较以及中子活化分析含量等三个方面 比较,扩散形式迁移的量不足被上升气流迁移量 的1。被迁移的元素呈纳米微粒形式,但颗粒十 分稀疏图 4 。 4 讨 论 a. 十多年来地气测量实际结果证明,地表元 素地气异常宽度接近矿体在地表的投影宽度。这 表明,当元素作垂直上升迁移时,即使矿体深几百 米,横向迁移也不会很远。 元素垂直上升迁移形式 图 5 的动力是地球内部的温度差、 压力差,纳米 微粒元素是受上升气流的运载,与扩散形式迁移 图 6 截然不同。 图4 纯扩散模型的A FM照片 Fig. 4 The A FM photograph of the matter in diffusion test 图5 元素垂直上升迁移模式图 Fig. 5 The modeling for element m igration by a scending 图6 元素扩散迁移模式图 Fig. 6 The modeling for element m igration by diffusion b. 元素垂向迁移形式为找深部矿的新方法提 供理论基础及实验证据,尤其是观察到以纳米微 粒形式迁移时,使许多疑惑和难点迎刃而解。 c . 对于大面积特殊地球化学环境的研究得到 了新思路。比如以往人们往往从农药、 化肥、 工厂 排污等人为因素方面来调查大面积特殊地化环 境,很少从自然条件方面去探索。 今后对于地方病 的高发区及大面积有害元素污染区的调研和探索 965第5期童纯菡等一种新的元素迁移形式及其地球化学环境效应 可从多角度进行。 d. 为放射性废物处置提供参考。笔者认为核 废物地质处置中,固化废物放入地质体深部有地 热增温,元素垂向迁移就可以发生。 只不过是量多 少而已。 因此在着重研究化学迁移时,可考虑这种 物理因素的迁移。 提出以上几点粗浅意见,作为抛 砖引玉。 吴香尧教授为本文提出宝贵意见,在此致以 谢意 [参考文献] [ 1]刘元方.当前核素迁移研究的若干进展[J ].核化学 与放射化学, 1990, 121 1- 8. [2]吴传璧,邱郁文,陈玉胆,等.油气化探发展脉络与思 考[M ].北京地质出版社, 1996. [3 ] Kristiansson K, M al mqvist L ,Pesson W.Geogas Prospocting a new tool in the search for concealed m ineralizations[J ]. Endeavour, N ew Series, 1990, 14 1 28- 33. [4]童纯菡,李巨初.地气测量寻找深部隐伏金矿及其机 理研究[J ].地球物理学报, 1999, 421 135- 142. [5]杨凤根,童纯菡.地气测量在宣化气田上的应用[J ]. 矿物岩石, 1998, 183 99- 105. [6]葛良全,童纯菡,贺振华,等.隐伏断裂上方地气异常 特征及其机理研究[J ].成都理工学院学报, 1997, 24 3 29- 35. A NEW OF ELEM ENTAL M IGRATI ON AND ITS INFLUENCE ON GEOCHEM I CAL ENVIRONM ENTS TON GChun2han, LIJu2chu, GEL iang2quan Chengdu U niversity of T echnology,China Abstract Thispaper discusses a new of elementalm igration by ascending flow s existing in the crust. The non2volatile elements can be transported vertically from the deep of hundreds to thousands m iters to the surface in the of nano2scale particles .The data of si mulation tests demonstrate that the vertical transportation by ascending flow s is themain case, and the diffusion transportation is a li m ited part in the of the nano2scale particles . Based on the data of two examples, that is the gas anomaly in Xuanhan natural gas field and the Hg pollution on the earth surface above the concealed fault in Chengdu plateau, the influence of this new of elementalm igration on the geochem ical environments is discussed. Key words ascending flow s; nano2scale partcles; elementalm igration; geochem ical environment 075成 都 理 工 学 院 学 报 第29卷