Shrinking Sphere Kinetics for Batch Dissolution of Mixed Particles of a Single Substance at High Under-Saturation: Validation with Sodium Chloride, but with Biogenic Silica in Mind

The cubic equation recently derived for the increase in concentration of a solute with time, as the solid dissolves in batch according to the shrinking sphere model at high under-saturation, is extended to dissolutions of mixtures of differently sized particles. This problem needs to be solved if batch dissolutions are to play their part in the proposed amelioration of global warming and associated climate change by accelerated ‘re-burial’ of excess CO₂ in ocean sediment. The upgraded model was tested using sodium chloride dissolved in 50% aqueous propanone, whence the model fitted two separate runs with 500 and 212 μm, and 212 and 38 μm, diameter crystals, respectively. The key to simulating dissolution in this way lies in the dissolutions being independent of each other. It is further shown that although this condition was implicit in the recent derivation of the cubic equation, it was not recognised at the time. The work should be applicable to any batch dissolution of mixed particles at high under-saturation, and hence, may find use in many industrial and laboratory dissolutions. Simulations show how agglomerated mixtures can yield a straight line on the plot of ln(1 − C/C _T) versus time, as was reported to occur recently with sodium chloride taken ‘straight from the bottle’. It is shown that this probably explains why exponential dissolutions may have seemed appropriate to the dissolution of biogenic silica in earlier literature. This study suggests that a new round of biogenic silica dissolutions, but with sieved samples, would be worthwhile, with the likelihood that shrinking sphere behaviour might well be found to characterise the kinetics. The opportunity is taken to investigate a number of aspects of the shrinking sphere model not generally discussed before, e.g. the graph for the change in surface area with time. The limitations of using cubic salt crystals with the shrinking sphere model are discussed.     

中纬度荒漠区河西走廊沙丘地貌的演化特征及其环境指示

北半球中纬度地区的沙丘地貌变化和粉尘活动历史是探索全球环境变化与景观响应问题的良好档案。本文从风沙地貌学、粒度沉积学、地球化学和气候学等方面综合分析了中纬度典型荒漠区河西走廊的典型沙丘动态变化、物质来源、粉尘活动历史及其影响因素等。结果表明,20世纪60年代以来研究区典型新月形沙丘和新月形沙丘链等发生了较大的移动或摆动,平均移动速度介于0.8~6.2 m/a之间。沙丘的动态变化主要受年降水量、年平均风速和年大风日数的影响,表明气候是沙丘地貌变化的首要影响因素。沙丘沙（三段式）与戈壁沉积物的两段式粒度曲线模式明显不同,揭示了后者在沉积学上的“不成熟性”而前者经历了高效的风成分异作用且非局地起源。古地理、沉积学和地球化学综合证据揭示沙丘沙的母源物质主要是冲洪积物和古河流沉积物等,包括南北山麓剥蚀带的碎屑沉积等。地表细颗粒物质的比例、表层盐结皮的覆盖率和可蚀性砂质物质含量等指标指示了西部戈壁区不是中东部风尘的主要来源区。沙丘移动方向与区域性主导风向在空间分布上具有相似性,表明河西走廊东、西部间之间在沙丘地貌动态演化上的差异应受控于区域尺度的环流风系,即受控于动力机制而不是物质来源上的差异。区域气候的暖湿化是对全球增温和亚洲夏季风增强的同步响应,也是研究区沙尘暴减少的主要原因,同期河西走廊潜在的逆沙漠化过程亦受控于气候变化;但绿洲区沙漠化过程还是起因于人类活动影响的地下水波动。     

青海湖湖东沙地河湖-风成沉积记录的中晚全新世以来环境变化

青海湖盆地因其独特的地理位置和气候环境,对气候变化响应敏感,是研究环境变化重要的场所。本研究在青海湖湖东沙地获取两个剖面,采用AMS¹⁴C测年,结合岩性、粒径组分和常量元素氧化物及其比值等多指标分析方法,重建了湖东沙地8.4 ka BP以来的环境演变过程。结果表明：除少量沉积物处于中等化学风化阶段外,大部分沉积物处于物理风化和初级化学风化阶段,说明自8.4 ka BP以来研究区气候环境总体上相对寒冷干燥。在千年尺度上,研究区不同时间段的气候环境存在较大的差异。8.4—4.2 ka BP气候相对温暖湿润;其中,8.4—6.2 ka BP河湖相和风成相沉积互层,表明存在明显的百年尺度气候波动;6.2—4.2 ka BP化学风化和淋溶作用较强,表明季风降水较多,径流较强,发育了较为稳定的湖泊沉积环境。4.2 ka BP以来湖泊消失,化学风化和淋溶作用减弱,沉积物从砾石转变为砂质黄土,显示气候较为冷干且波动较大。对比分析表明,中晚全新世以来青海湖湖东沙地的气候变化特征与东亚季风边缘区其他区域基本一致,并主导了区域沉积环境的演变过程。     

黑龙江省柳树河盆地始新统八虎力组油页岩元素地球化学特征及沉积环境

黑龙江省柳树河盆地始新统八虎力组发育多层油页岩。通过对油页岩样品元素地球化学分析测试,研究了其常量元素、微量元素和稀土元素特征,分析了油页岩沉积环境。研究结果表明,常量元素以富Al₂O₃、Fe和CaO,贫SiO₂、MgO、Na₂O和K₂O为特征,微量元素总体上表现出不同程度的亏损特征,稀土元素总量平均为140.7×10^-6,表现出轻稀土元素轻度富集特征。稀土元素具有较为一致的变化趋势,表明油页岩沉积时物源和沉积环境较为稳定。Mn/Ti值表明油页岩组成物质的搬运距离随着时间变化经历了远→近→远的变化,反映水体深度经历了深→浅→深的变化。Sr/Cu值和Rb/Sr值表明油页岩沉积时为相对炎热干旱的环境。Sr/Ba值反映当时为炎热干旱气候条件下的过渡相咸水湖泊沉积环境。V/(V+Ni)值、δEu和有机碳含量表明油页岩沉积时处于缺氧的还原沉积环境中。总体上,柳树河盆地油页岩发育于炎热干旱气候、咸水、缺氧条件下的湖泊沉积环境中。     

晚第四纪钱塘江下切河谷充填物物源特征*

对晚第四纪钱塘江下切河谷内SE2孔沉积物重矿物和稀土-微量元素进行系统分析,并与邻区长江沉积物相应特征进行对比。结果显示: (1)晚第四纪钱塘江下切河谷充填物中河床(U5)、河漫滩(U4)和古河口湾(U3)沉积物的重矿物组合为赤褐铁矿-磁铁矿-锆石-白钛石-锐钛矿;微量元素中的铁族元素、大离子亲石元素和高场强元素与平均大陆上地壳(UCC)相近,且大离子亲石元素和大部分高场强元素与北美页岩(NASC)相近,在Th/Co-Cr/Th投点图中靠近钱塘江物源区,远离现代长江沉积物投点区;稀土元素球粒陨石和NASC标准化曲线与钱塘江沉积物特征相似,不同于现代长江沉积物。(2)近岸浅海(U2)和现代河口湾(U1)沉积物的重矿物组合为绿帘石-辉石-角闪石-石榴石-榍石-金红石-电气石;微量元素具有与UCC较为相近或富集的铁族元素,大离子亲石元素和高场强元素相对亏损,且与NASC相比,铁族和高场强元素明显亏损,大离子亲石元素亏损较弱,在Th/Co-Cr/Th投点图中主要落于长江和钱塘江来源沉积物之间;稀土元素在球粒陨石和NASC标准化曲线中,配分模式与现代长江沉积物极为相似。(3)U5、U4和U3单元具有与U1和U2单元不同的沉积物来源: 前者母岩主要为长英质中酸性火成岩,为古钱塘江提供; 而后者沉积物主要来源于中基性物源区,由长江提供,同时上游钱塘江也提供了部分沉积物。可见,长江沉积物自近岸浅海沉积时期开始大量进入到钱塘江下切河谷内,为钱塘江下切河谷的沉积环境演化提供了重要物质基础。     

降雨渗流及干湿循环作用下红砂岩顺层边坡稳定性分析

针对红砂岩顺层岩质边坡稳定性问题,建立顺层岩质边坡力学模型,对降雨渗流条件下边坡受到的力学作用进行了计算;选取典型结构面,通过室内干湿循环试验,分析了结构面强度参数衰减规律;综合考虑降雨渗流及结构面强度弱化,对降雨渗流及干湿循环综合影响下红砂岩顺层岩质边坡稳定性进行了分析,获得了边坡稳定性衰减变化规律;通过炎汝高速公路边坡稳定性监测对理论计算结果进行了验证。结果表明,边坡受到的水力作用与后缘张拉裂隙充水高度呈正比;干湿循环作用下,结构面黏聚力呈幂指数形式衰减,内摩擦角呈二次函数衰减;边坡稳定性与后缘张拉裂隙充水高度呈线性关系,而与干湿循环呈指数关系,且干湿循环对边坡稳定性影响比后缘裂隙充水高度大;在降雨渗流及干湿循环综合作用下,边坡稳定性系数降低了约66%,较考虑单一影响因素有了大幅度降低;边坡稳定性监测结果与理论计算结果吻合较好,进一步证明了理论计算结果的正确性。     

Study on elemental fingerprint of traditional marine Chinese medicine oysters from Jiaozhou Bay, China

In order to investigate the relationship between the trace elements and the characteristics of the oysters, we analyzed the trace elements present in the germplasm of oysters from different producing areas in the Jiaozhou Bay. The element fingerprints were established to reflect the elemental characteristics of the oysters. Concentration patterns of the elements were deciphered by principle component analysis (PCA) and hierarchical cluster analysis (HCA). The six regions were discriminated with accuracy using HCA and PCA based on the concentration of 16 trace elements. The elements were viewed as characteristic elements of the oysters and the fingerprints of these elements could be used to distinguish the quality of the oysters.     

莱州浅滩表层沉积物元素地球化学特征及物源识别

使用电感耦合等离子体质谱仪对采自莱州浅滩表层沉积物悬浮组分进行研究, 从地球化学角度分析了6 种常量元素质量分数、24 种微量元素质量比特征及它们与黄河细粒沉积物的联系。研究表明:莱州浅滩所取的7 个样品东西两侧略有差异, 元素质量分数的变异系数较小, 样品间变化不明显, 同源性和整体性显著。同黄河沉积物相比, 莱州浅滩细粒泥沙Al, Fe, Ca, K, Mg 和部分金属元素Cu, Zn质量分数略高, 大多数微量元素质量比略低, 两者大多数元素的判别系数绝对值较低, 标准偏差比值也较小, 经过Al 标准化处理后, 各元素对比值变化趋势较一致, 表现出较强的相似性。黄河细颗粒沉积物可以通过余流、环流扩散迁移至整个渤海, 而莱州浅滩所处地理位置及水文环境为黄河悬浮泥沙提供了良好的沉积条件, 黄河泥沙的沉积使浅滩细粒沉积物表现出了黄河沉积物的元素特征, 而两者细微差异可能与附近河流输沙、元素迁移方式及人类活动影响有关。通过莱州浅滩表层沉积物与黄河样各元素地球化学特征对比分析可以为探索黄河的入海悬浮组分在海域中的混合及扩散提供参考。     

渭河盆地末次冰盛期以来沉积环境变化研究

研究过去气候快速变化能为当前极端气候分析和未来环境预测提供自然背景理解。亚洲季风在北半球乃至全球的第四纪气候变化中扮演着重要角色,其演化是全球气候变化背景下的典型区域响应。然而,不同地质载体及不同指标所记录的亚洲冬、夏季风变化存在着较大差异,产生差异的原因及受到的动力机制是值得深入研究的科学问题。渭河盆地位于黄土高原和古三门湖沉积交叠的区域,是研究第四纪亚洲季风演化的理想场所。在盆地西南部西安市户县和长安县获取了两个黄土沉积钻孔,户县ZZC孔长4 m,长安县XFC孔长3 m,两孔的年代均超过25 ka。通过两钻孔的粒度和元素地球化学等代用指标研究,对比分析不同指标对气候变化的敏感度差异,反演了末次冰盛期(LGM)以来的区域沉积环境变化,并尝试探讨该时期发生的气候突变事件及反映的季风强度变化。结果表明,两钻孔的平均粒径从LGM到中全新世逐渐变细,中全新世之后少许变粗,空间上表现出一致性,总体反映了末次冰盛期以来的冬季风强度演化;Ca/Ti反映了与季风降水相关的淋溶强度,从LGM到全新世暖期夏季风逐渐减弱,并记录了若干次气候快速变化。粒度和元素比值变化表明,渭河盆地沉积良好地记录了末次冰盛期至全新世的大幅冷干-暖湿波动及若干次持续时间较短的快速水文变化事件,主要是受到太阳辐射和冰量等因素调控的影响。由于渭河盆地有上千米的新生代沉积,未来开展高分辨率研究有望揭示不同时间尺度季风变化特征及其与区域和全球变化的联系。     

人类巨量碳排放后果分析: 来自青藏高原综合调查的启示

人类巨量碳排放究竟导致什么后果,争议颇大,只有深入研究始新世以来大气CO₂浓度与环境变化,才有可能正确认识未来人类自身巨量碳排放之后果。大量研究揭示出: 从始新世到渐新世末期,大气CO₂浓度大幅下降,全球变冷,形成了大陆冰川; 中新世至今,大气CO₂浓度在低浓度背景之下长周期缓慢下降。当前尚不清楚何种机制主导了这一变化过程,也不清楚形成大陆冰川的水来自何方。为此,从青藏高原深部碳循环、表层水循环和环境变化的角度探讨这些问题,再分析未来人类巨量碳排放之后果。青藏高原在生长、隆升过程中,通过硅酸岩化学风化、植物光合作用、陆内俯冲(深埋)、水岩反应等方式,持续将巨量大气CO₂转化为富含碳元素的固、流体,封存在青藏高原新生的厚地壳之中,大幅降低了大气CO₂浓度,导致了全球变冷、大陆内陆(含青藏高原,下同)表层失水变干,形成了大陆冰川。渐新世—中新世之交,青藏高原生长到改变大气环流的规模,形成了亚洲季风,大陆内陆进一步荒漠化,捕获CO₂的量大幅下降,并与青藏高原内部所释放CO₂的量达到了准动态平衡,这是中新世以来大气CO₂浓度变化的主要机制。人类巨量碳排放彻底扭转了大气CO₂浓度长周期缓慢下降的趋势,大陆冰川因全球变暖所形成的液态水不会长期停留在海洋里,而以大气降水的方式重新回到干冷的大陆内陆,青藏高原将因此再次成为巨型水塔,缓解30多亿人的清洁饮用水问题。持续生长的高原和当前干冷荒漠化的大陆内陆通过前述多种方式固化人类排放的巨量CO₂,导致未来大气CO₂浓度在较高浓度背景下保持稳定,届时沙漠变绿洲,黄土高原变成有机质丰富的黑土高原,人居环境大幅改善; 但在盆地内部,PM2.5难以扩散,易形成雾霾。全球平均海平面因海水热膨胀而缓慢上升,上升速率约为1 mm/a。水主要在大陆冰川与内陆表层之间循环,与海平面升降之间没有因果关系。因此,人类巨量碳排放所导致的全球变暖对于人类自身的发展是利大于弊。