煤层气井产出水化学特征及水化学场动态演化规律

为查明煤层气井产出水的化学特征及水化学场动态演化规律,对沁水盆地南部多口煤层气井产出水进行连续长期的水化学场检测,通过对比3号和15号煤层产出水离子浓度的变化以及各离子之间、同位素的相关关系,发现3号和15号煤层产出水阳离子主要为Na++K+,阴离子以HCO-3和Cl-为主,水化学类型均多为HCO3·Cl—Na型。p H范围为7.5～8.6。溶解性总固体最小为1 149.6 mg/L,最大达到3 617.4 mg/L。3号煤层产出水δD平均为-80.7‰,δ~(18)O平均为-10.4‰,15号煤层气井产出水中δD值平均为-83.6‰,而δ~(18)O值平均为-11.2‰。由δD和δ~(18)O之间的关系可以判断出两个煤层均受大气降水补给。且随着埋深的变浅,δD和δ~(18)O值显示出递增的趋势。由煤层水和临近含水层水的离子成分以及δD与δ~(18)O值对比,可以推测煤层的补给水源。通过产气量与产水量分析,得出溶解性总固体与产气量有明显的正相关关系,这对于产能预测有重要意义。     

淮北煤田太原组灰岩水年龄及同位素地球化学特征

为了解淮北煤田太原组灰岩水年龄、水化学特征及演化,采集了淮北煤田29个矿井地下水样品进行水常规、氢氧同位素及~(14)C测试。利用传统图示及统计方法探讨了地下水化学特征及演化,约束了地下水年龄及径流特征。结果表明:淮北煤田太原组灰岩水年龄在2900～21910 a之间变化,不同矿区之间灰岩水化学特征有明显差异。闸河矿区以较低的TDS浓度、最小的地下水年龄和最高的δD和δ~(18)O值为特征,为淮北煤田太原组灰岩水主要的补给区;临涣矿区孙疃矿、宿县矿区桃园矿具有较大的地下水年龄、较高的TDS浓度和低的δD和δ~(18)O值,为主要排泄区。TDS浓度等值线图和地下水年龄等值线图呈现一致的演化规律,淮北煤田东北部闸河矿区为主要补给区。太原组灰岩水径流特征主要受构造背景的控制,地下水补给条件及水岩相互作用程度决定了水体中TDS浓度和氢氧同位素富集特征。     

水化学与灰色关联度法在煤层气井产出水水源判别中的应用

柿庄南区块排采15号煤层的煤层气井面临产出水量大、排水降压困难,水源判别不清的问题。通过常规离子和氢氧同位素测试,分析了煤层气井产出水及潜在来源水的水化学特征。结果显示,煤层气井产出水显示高矿化度特征,水质类型主要为Na-HCO_3·Cl型和Na-HCO_3型,个别为Na-Cl型;δD值为-85.5‰~-80.0‰,平均-83.2‰,δ~(18)O值为-11.8‰~-10.2‰,平均-11.2‰,说明地下水的初始来源为大气降水。利用灰色关联度法及稳定同位素特征判别了煤层气井产出水的水源,得出与产出水关联度最高的为15号煤层水(0.72~0.87),其次为顶板灰岩水(0.5~0.89),最小为地表水(0.43~0.6)。其中,产出水中煤层水占73.3%~95.3%,顶板水占4.7%~26.7%。提出了应加强顶板灰岩裂缝展布的研究,阻止灰岩水对15号煤层的越流补给的建议。     

香溪河流域大气降水稳定氢氧同位素时空分布特征

香溪河流域地处不同地理、气候、岩溶地貌分区的重要过渡位置,研究其大气降水氢氧同位素时空分布特征,是利用氢氧同位素示踪技术研究流域水循环特征的基础。本文通过不同高程布设的观测点,获取到研究区大气降水稳定氢氧同位素(D、~(18)O及17O)观测数据,由此首次建立了香溪河流域大气降水线(δD=8.17δ~(18)O+13.38),氧同位素间的关系式(δ'17O=0.512δ'~(18)O+0.024),并深入分析氢氧同位素时空分布特征。     

运用H、O同位素分析石阡地区地热水来源

通过对贵州省石阡地区地热水、冷泉及河流的地热地质条件、水化学成分及氢氧同位素分析,对该地区的地热水、冷泉及河流的水化学特征、来源及石阡地区的补给模式进行了研究。温泉水属于低中矿化度的弱碱性水;温泉群中阳离子以Ca^2+、Mg^2+为主,阴离子以SO4^2-和HCO3^-为主,研究区水化学类型主要为HCO3-Ca和SO4.HCO3-Ca型。区域内地热水中δ18O值为-9.32‰~-6.81‰,δD为-64.4‰~-44.9‰;冷泉及河流中δ18O值为-7.51‰~-6.00‰,δD为-50.7‰~-38.2‰,均分布在我国大气降水线及当地大气降水线附近,表明该地区主要是大气降水成因。通过H、O同位素计算补给区温度,地热水补给高程,以及冷泉及河流补给高程,推测出补给区可能为袍木寨背斜一带及红石走滑断裂及其断裂束附近的碳酸盐岩裸露地区。氚盈余参数d表明石阡地区大多数地热水埋深较浅,循环径流时间较短,地质环境处于开放与半开放之间,水-岩反应作用相对较弱。     

矿区流域不同水体同位素时空特征及水循环指示意义

为了探究平朔矿区所在流域不同水体同位素的时空变化规律, 揭示采煤活动下区域水循环规律, 于2020年8月和12月对流域内地表水、地下水和矿井水进行采样, 测试样品的D和18O同位素组成, 并利用贝叶斯混合模型MixSIAR计算了矿井水不同来源的贡献率。结果表明: ①地表水和矿井水δD和δ18O夏季较冬季高; 地下水δD和δ18O季节差异不明显。地表水氢氧同位素值沿程呈增加趋势, 但局部受到矿井水的补给, 出现贫化; 地下水氢氧同位素值沿径流方向呈逐渐增加趋势。②采煤区氢氧同位素值较非采煤区明显增加。受季节效应影响, 在空间分布上8月浅层地下水氢氧同位素高值区域较12月明显增多。③ δ18O与δD关系图表明, 地表水在接受大气降水的补给之后受到了蒸发分馏作用的影响; 浅层地下水的补给源较复杂, 深层地下水由于采煤形成的导水裂隙带受到了浅层地下水和地表水的补给; 矿井水受地表水、浅层地下水和深层地下水的补给。④ MixSIAR模型揭示出深层地下水是矿井水的主要补给来源, 占61.60%~67.20%, 且补给比例冬季大于夏季; 浅层地下水对矿井水的补给存在明显季节差异。     

刘桥矿区地下水环境同位素特征研究

通过对刘桥矿区主要含水层的环境同位素测试分析,表明研究区内各含水层δ18O值为-5.5 1‰~-10.87‰,平均-9.34‰;δD值为-5 6.3‰~83.4‰,平均-71.4 8‰,且δD与δ18O值自浅到深依次降低。还分析了该矿区地表水、新生界松散层一含水和二含水、煤系砂岩水、太灰水、奥灰水氢氧稳定同位素一般特征,研究了矿区主要含水层水的补给环境及奥灰水与其他含水层之间的联系。      

断陷盆地高原面典型岩溶洼地旱季土壤水氢氧同位素时空差异特征

以云南省蒙自断陷盆地东山山区典型岩溶洼地为研究区,通过野外采集土壤样品与实验室测试分析相结合的方法,运用稳定同位素技术研究旱季不同深度土壤水氢氧同位素组成,揭示区内土壤水氢氧同位素时空变化特征,为进一步研究云南断陷盆地山区土壤水分运移机制和当地农业合理利用和管理水资源提供科学依据。结果表明:(1)土壤水δD、δ18O同位素值的变化范围分别为-128.3‰~-27.6‰和-17.5‰~2.5‰,平均值分别为-96.1‰±20.7‰和-12.3‰±3.7‰,降雨转化为土壤水和水分在土壤中重新分布时发生一定程度的氢氧同位素分馏。(2)旱季两个月份土壤水氢氧同位素组成发生变化,4月份土壤水δD、δ18O同位素平均值分别为-86.3‰±23.83‰和-10.6‰±4.3‰,显著高于2月份(δD:-106.1‰±9.5‰;δ18O:-14.1‰±1.6‰)(p<0.05),主要和4月份土壤水的蒸发作用强烈有关。(3)在空间上,坡地与洼地之间土壤水氢氧同位素组成存在差异,2月份坡地与洼地之间土壤水δD、δ18O值差异显著(p<0.05),洼地土壤水δD、δ18O比坡地偏轻;4月份坡地与洼地之间土壤水δD、δ18O值差异不显著(p>0.05)。(4)土壤垂直剖面方向上土壤水δD、δ18O值随着土壤深度的增加而减小,浅层土壤水δ18O和深层土壤水δ18O存在显著差异,2月份浅层土壤水δ18O比深层土壤水δ18O偏正2.8‰,4月份浅层土壤水δ18O比深层土壤水δ18O偏正10.5‰。      

新疆阿勒泰地区地表水体氢氧同位素组成及空间分布特征

氢氧同位素可以识别水体来源,示踪水循环,自20世纪50年代以来已被广泛应用于水文地球化学领域。已有学者开展了新疆大气降水及部分河流湖泊的稳定同位素研究,而关于阿勒泰地区大气降水之外的地表水体稳定同位素研究尚需加强。本文采用液体水激光同位素分析法开展了新疆阿勒泰地区地表河水、湖泊、山泉水、雪水、锂矿坑裂隙水五类水体的氢氧同位素组成研究。结果表明:阿勒泰地区各种类型水体氢氧同位素组成差异明显,地表河流的δ~(18)O及δD值变化范围分别为-15.4‰～-11.5‰及-114‰～-100‰,氘过量参数(d值)变化范围为-12.4‰～12.4‰;乌伦古湖湖水的δ~(18)O及δD值均远高于地表河流,平均值分别为-5.95‰及-78.5‰,氘过量参数远低于地表河流,均值为-30.9‰。地表河流与全球及乌鲁木齐大气降水线相比差异很大,河水除了大气降水外还受到冰川融水的补给,且在水循环过程中经历了蒸发分馏作用,地表河流之间的氢氧同位素组成差异主要受水体补给来源及蒸发程度强弱的控制。由于氢氧同位素温度效应、纬度效应等的存在,阿勒泰地区水体δD及δ~(18)O与水温(T)、总溶解性固体(TDS)及主要离子Na~+、K~+、Ca~(2+)、Cl~-、SO■摩尔浓度呈显著正相关关系,而与采样点纬度及溶解氧含量(DO)呈显著负相关关系(P0.05,n=32)。本研究获得的氢氧同位素组成特征为阿勒泰地区各类型水体稳定同位素研究提供了基础数据。     

同位素技术解析安阳河与地下水相互作用

河流与地下水相互作用研究是水文学研究的难点和热点。安阳河与地下水相互作用研究,对于安阳市水资源科学开发与管理具有重要意义。安阳河冲洪积扇地表水与地下水转化率为17%～27%。潜水位标高为80 m,向下游逐渐变成多层含水层（水位40 m）。当地降水环境同位素监测数据表明,当地大气降水线与全球大气降水线接近平行,表明该线代表本地区大气降水的氢氧同位素特征。地表水同位素值较集中,2016年8月δ18O值变化范围为-9‰~-8.7‰,δD值变化范围为-65‰~-63‰,2017年1月δ18O值变化范围为-8.5‰~-8.2‰,δD值变化范围为-63‰~-61‰,河水水化学类型为HCO3·SO4—Ca型,表明流域内地表水的同位素值受距离的影响较小。地下水稳定同位素值变化较大,2016年8月δ18O值范围为-10.4‰~-5.5‰,δD值范围为-75‰~-46‰,2017年1月δ18O值范围为-10.2‰~-5.4‰,δD值范围为-75‰~-45‰,即从接近降水值到最大值形成一条“蒸发”线。河流出山口一带地下水同位素值呈现最大蒸发值,表明地表水补给地下水,地下水化学类型为HCO3·SO4·Cl—Ca,存在明显人为污染成分。下游为大气降水补给浅层地下水,中深层地下水主要来源于中游侧向径流,水化学类型主要为HCO3—Ca·Mg型,综合分析表明,安阳河中下游（冲洪积扇）地带“三水”转换积极,并影响其水质、水量。     

柿庄南区块3号煤层含气量三维建模

煤层含气量对煤层气开发有直接影响。柿庄南区块煤层含气量相对较高,但开发过程中存在较多低效井,开展含气量三维地质建模有助于厘定含气性对煤层气井产量的影响。以沁水盆地柿庄南区块3号煤层为研究对象,运用多元回归分析方法依次建立基于埋深、灰分、挥发分及固定碳含量等参数的含气量预测公式及基于测井数据的煤岩工业分析各组分含量预测公式,最终得出柿庄南区块基于测井数据的含气量预测模型并应用于全区,与实测值对比表明预测结果较好。运用Petrel软件基于预测结果构建含气量模型,探讨3号煤层含气量三维分布特征。研究表明,区内3号煤层含气量介于11~20 m3/t,其主控因素为煤层埋深和构造部位。该模型对研究区煤层气井低产因素厘定和煤层气开发生产具有指导意义。移动阅读      

保德地区煤层气地球化学特征及成因探讨

为了查明保德地区煤层气地球化学特征及成因,采集煤样、煤层气样及水样,开展气体组分分析、煤层气井产出水水质检测和稳定同位素分析。结果表明:煤层气组成中烃类气体以CH₄为主,体积分数为88.60%~97.59%;含有少量乙烷,体积分数仅为0.01%~0.14%;干燥系数均大于0.99,属于极干煤层气。非烃类组分中,主要含有CO₂和N₂,其中,CO₂体积分数为1.74%~7.61%,N₂体积分数为0.04%~8.18%。煤层气δ13C(CH₄)值为–56.8‰~–47.7‰,δ13C(CO₂)值为–6.6‰~13.9‰,δD(CH₄)值为–252.6‰~–241.6‰。煤层产出水呈弱碱性,属于NaHCO₃类型水,与地表水离子构成、矿化度、δD(H₂O)和δ18O(H₂O)值均相近,有地表水的补给,有利于产CH₄菌大量繁殖,生成次生生物气。综合认为,研究区煤层气为热成因气和生物气的混合气,生物成因气主要是通过二氧化碳还原作用形成,受煤层解吸–扩散–运移作用、水溶作用和次生生物作用导致煤层气“变轻”。研究成果为后续煤层气勘探开发提供指导。      

拉萨河流域地表径流氢氧同位素空间分布特征

为了探析径流过程中稳定同位素变化特征及其控制因子, 利用2008年拉萨河流域地表径流中δ18O和δD的监测数据以及相关气象和水文资料, 初步研究了流域δ18O和δD的空间分布特征.研究发现: (1)拉萨河流域以大气降水为主要补给来源, 且干流体现了较明显的蒸发效应; (2)河水偏正的d过量参数特征指示了冰雪融水的补给特征; (3)季风降水期间, 拉萨河流域由高程效应和水平距离所造成的δ18O递减率约为0.16‰·(100 m)-1; (4)大循环尺度下, 流域内河水呈现了明显的大陆效应.研究表明高海拔地区地表径流氧氘同位素分布特征能够有效示踪流域水文循环过程, 并提供古高度变化研究的稳定同位素证据.      

西部侏罗系矿区充水含水层水文地球化学特征及矿井水来源综合识别

本文以水文地球化学理论为指导,基于研究区水文地质条件及矿山水害研究基础,构建了不同充水含水层水化学和氢、氧同位素基础特征值,结合不同煤层埋深煤矿含隔水层组合特征和导水裂隙带发育高度,综合识别了浅埋、中深埋和深埋多个煤矿的矿井水来源。研究结果显示,受水岩作用和水动力条件等因素影响,煤层上覆不同充水含水层地下水水化学类型和氢、氧同位素值差异明显;随着煤层埋深的增大,矿井水的矿化度呈显著增加趋势,氢、氧同位素整体呈减小趋势;在此基础上,综合采用水化学和环境同位素的方法对研究区不同煤层埋深煤矿的矿井涌水进行识别,认为浅埋煤矿矿井水为第四系松散含水层地下水和侏罗系砂岩含水层地下水的混合水,深埋和中深埋煤矿矿井水主要为侏罗系砂岩含水层地下水。     

北极沿岸地区水体中氢氧稳定同位素组成及水分转化过程研究

2010年7月参加第三届北京中学生北极科学考察活动,收集了北极沿岸地区的挪威斯瓦尔巴德群岛(Svalbard)、冰岛、格陵兰沿岸地区的海水、沿岸海水、海冰表面冰样、地表径流等水体样品,对样品进行了氢氧稳定同位素成分测定,分析了北极沿岸地区水体的水循环过程.结果表明,该地区不同水体中的稳定同位素具有不同特征.沿岸海水中δ...     

新疆焉耆盆地水环境氢氧同位素特征及其指示作用

根据焉耆盆地开都河水及其两岸地下水中的氢氧稳定同位素资料及氘过量参数(d)值,分析了焉耆盆地内不同水体的δ(D)、δ(18O)和d值的分布规律,并得到地下水的主要补给来源及其与开都河水的相互作用关系;地下水的δ(D)在-87.60‰～-61.82‰间,δ(18O)在-10.90‰～-9.73‰间;开都河水的δ(D)在-71.95‰～-58.58‰间,δ(18O)在-9.57‰～-8.64‰间。结果表明:焉耆盆地内地下水和地表水同源于山区的降水和冰雪融水,且经历了较强的蒸发作用;地下水与地表水之间的直接水力联系较弱,深层地下水主要接受开都河水在洪积扇区的入渗补给,浅层地下水主要接受河流引水灌溉入渗;不同深度地下水之间的水力联系较为密切,为统一的地下水系统。     

干旱区植物水分来源的D、18O同位素示踪研究进展

在干旱、半干旱地区,水是生态系统的主要限制因子,对植物水源的研究有助于指导干旱、半干旱地区的生态建设.在水分被根系吸收和从根系向叶片输送的过程中,其δ(D)、δ(18O)值一般不会发生变化.因此,水中天然δ(D)、δ(18O)值的分析为确定植物的水分来源提供了一种有效的途径:只要各潜在水源的稳定同位素组成具有显著差异,就可通过植物体内水的δ(D)、δ(18O)值和各潜在水源δ(D)、δ(18O)值的对比,定量确定植物对这些水源的吸收情况.但是,由于各潜在水源的不确定性和蒸发富集等因素的影响,该技术还存在一些不足.另外,隐性降水是干旱环境下植物的重要水源,但目前尚未开展隐性降水对植物补给作用的定量评价.利用稳定同位素技术定量评价干旱区植物隐性水源将是今后重要的研究方向.     

微量水氢氧同位素在线同时测试技术——热转换元素分析同位素比质谱法

水中氢氧同位素组成的时空差异性,为水循环、古气候环境反演、水源识别等研究提供了一种非常有效的技术手段。文章采用热转换元素分析同位素比质谱法(TC/EA-IRMS),实现了在线单次分析过程中同时测定微量水的δD和1δ8O,用样量仅需0.2μL;δD和1δ8O的分析精度分别为0.81‰和0.06‰。通过分类测试(δD值相差小于50‰的水样和标准水列为同一类进行测试)等措施可消除记忆效应,同时实现对测试结果的精确校正,而无需准确标定参考气和测定H3+因子。