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    近日,青岛海洋地质研究所深海极端环境探测研究团队在东海冲绳海槽冷泉沉积物铁、锰、硫、碳元素循环耦合研究方面取得新进展,研究成果发表在地球科学领域国际权威期刊Global and Planetary Change。

    作为典型的弧后盆地,冲绳海槽广泛发育海底热液和冷泉系统,这对该区域的碳循环具有重要影响。以往冷泉碳酸盐岩的记录显示,热液来源的金属驱动了冷泉区甲烷的厌氧氧化作用,从而降低了冷泉碳泄漏强度。然而,由于缺乏现代孔隙水地球化学数据,导致对研究区域内铁、锰、硫和碳循环之间动态相互作用的认识仍不清晰。

    针对上述问题,该研究利用冲绳海槽中段的海底浅钻和重力柱沉积物样品,开展了孔隙水地球化学研究,研究数据首次记录到了热液锰供应对有机质矿化的增强作用,从而降低了弧后盆地中有机碳的埋藏效率。

    研究证实:通过厌氧氧化作用可显著改变孔隙水碱度,并促进碳酸盐岩沉淀,从而实现冷泉碳泄漏的截留。此外,该研究还提出了一种新的海底白云石形成机制,认为其与产甲烷带内厌氧氧化作用有关,而非前人认为的沉积物风化、逆风化控制的白云岩化作用。

    上述研究对理解弧后盆地中铁、锰、硫和碳的循环具有重要意义,也为认识甲烷丰富但硫酸盐贫乏的太古代海洋提供了科学依据。该研究由青岛海洋地质研究所和崂山实验室共同完成。

     冲绳海槽冷泉沉积物铁、锰、硫、碳元素循环耦合模式

    青岛海洋地质研究所在弧后盆地冷泉区沉积物元素循环...

    自然资源部中国地质调查局地学文献中心近期出版的内部刊物《国外地质调查管理》2020年第11期对《Nature》杂志2020年2月号发表的一篇题为《通过矿物碳化封存二氧化碳》的述评文章进行了报道,以期为支持和促进我国应对气候变化的行动提供参考和借鉴。

    碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage,简称CCS)是指将大型发电厂所产生的二氧化碳收集起来,并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。文章指出,碳捕集与封存技术对于实现《巴黎协定》减缓气候变暖的目标具有关键作用。目前大多数正在进行的CCS项目都是将CO2注入沉积盆地,但此方法捕集时间可能过长,存在二氧化碳泄露的风险。另一种方式是,将捕集的碳注入活性岩石中来封存,激发CO2的矿化作用,从而永久固碳,这样碳返回大气的风险可忽略不计。

    文章对矿物碳化封存二氧化碳的原理、目前完成的实验和现场研究进行了详细的论述,研究分析了矿物碳化的潜力(指出洋中脊的理论封存能力约为100~250万亿吨CO2——这比所有化石燃料燃烧所产生的CO2量还大),重点阐述了使该技术更具成本效益以及探索二氧化碳矿化的限制因素和全球适用性方面的进展。文章就矿物碳化CCS技术的未来指出:(1)在向沉积盆地注入CO2不可行的情况下,原位矿物碳化可以提供一种安全和经济的选择,需要大量努力来通过矿物碳化加速二氧化碳封存的部署。(2)更大规模应用原位碳矿化的最大障碍不是技术,而是对CCS的经济鼓励措施。(3)已经确定了碳矿化的最优选项,但是只有通过加深对这种方法局限性和应用潜力的认识,才能实现其更广泛的适用性。

    地学文献中心报道通过矿物碳化封存二氧化碳技术进展
    所在单位:地科院地质研究所
    完成人员:朱祥坤、孙剑、房楠、李世珍、潘晨旭、陈岳龙
    项目来源:国家自然科学基金项目,行业基金项目
    起止时间:2009年1月-2014年12月

    主要进展

      白云鄂博稀土-铌-铁矿床是世界著名的超大型多金属矿床,受到国内外地学界的广泛关注。自1927年发现以来,前人在此做了大量工作,取得了一系列成果,但对矿床形成机制和成矿时代或期次的认识仍存在很大分歧。本项目利用新兴的铁、镁同位素示踪技术,结合传统的钐-钕、锶、碳、氧同位素体系,对矿床的形成机制和成矿时代进行研究,取得了以下创新性成果:

      1.首次系统地开展了白云鄂博矿床的铁、镁同位素研究,对矿化元素本身和赋矿层的主量元素进行了直接示踪,结果为矿床的岩浆成因提供了有力的证据。这不仅是白云鄂博矿床成因研究的一大重要进展,也为如何运用铁、镁等新兴同位素体系进行矿床成因研究提供了范例(成果发表在Precambrian Research, International Geology Reivews, Chinese Journal of Geochemistry, 岩石学报等)。

      在白云鄂博矿床的成矿机制方面,前人争论的焦点在于铁的物质来源和赋矿层“H8”白云岩的成因(火成或水成),但缺乏直接可靠的证据。由于铁是成矿元素,铁、镁是赋矿层的主量元素,本研究系统开展铁、镁同位素研究,为矿床的成矿物质来源和矿床成因进行直接示踪。

      首先对典型沉积成因的含铁建造及其碳酸盐岩、和矿区广泛分布的火成碳酸岩墙的铁、镁同位素进行了研究,结合已有工作,厘定了沉积、火成岩石的Fe、Mg同位素组成分布范围。在此基础上,详细调查了白云鄂博矿床铁矿体及赋矿层“H8”白云质大理岩的铁、镁同位素分布特征。研究结果表明,白云鄂博矿床细粒铁矿石和“H8”白云岩的铁同位素平均值δ56Fe-IRMM在0附近,并且变化范围很窄,与火成岩的铁同位素组成一致;同时,磁铁矿和白云石矿物之间的铁同位素分馏很小,指示高温形成环境。“H8”白云岩的大部分样品镁同位素组成落在火成岩范围,少量数据落在火成岩和沉积白云岩之间。这表明白云鄂博矿床是以岩浆作用为主导而形成的矿床。由于铁、镁是白云鄂博矿床的主量元素,铁、镁同位素的研究成果为该观点提供了有力而直接的证据。

      2. 运用Sm-Nd同位素技术对白云鄂博矿床的形成时代进行了精确定年,并重新厘定了矿床的成矿时代和成矿期次(成果发表在Ore Geology Review, 地球学报等)。

      在白云鄂博矿床成矿年代学方面,前人已对开展大量的研究,获得了大量的年龄数据。虽然如此,这些年龄数据所代表的真正地质意义仍有待进一步研究,白云鄂博矿床的成矿时代和成矿期次仍然存在激烈的争论。由于白云鄂博矿床是一个稀土矿床,本研究利用Sm-Nd同位素体系对矿床的成矿时代和成矿期次进行直接制约和厘定。

      由于白云鄂博矿床遭受了复杂的地质作用和多期次的交代作用,选取合适的样品是获得可靠的定年结果的基础。本研究首先开展了详细的岩相学和矿相学研究,对矿石和赋矿岩石的期次进行了划分。在此基础上,选取了未遭受交代作用的白云岩“原岩”进行Sm-Nd同位素定年,获得了高精度的等时线年龄1287±26Ma。同时,对不同期次的矿石和赋矿岩石的全岩和单矿物进行了Sm-Nd同位素测定。综合前人的数据,利用Sm-Nd同位素体系对矿床的成矿时代和期次进行了厘定。结果表明,白云鄂博稀土的成矿时代约为1.3Ga,与碳酸岩墙的形成时间一致,成矿物质来源于地幔。加里东期的热事件(约0.44Ga) 导致了白云鄂博矿床的晚期稀土矿脉的形成和原有矿体中部分稀土矿物的重结晶,但成矿物质主要来源于矿体内部的稀土再循环,外源物质的贡献不明显。约1.3Ga到约0.44Ga间的一系列中间年龄为后期热扰动的结果,并不代表成矿事件。简言之,白云鄂博矿床只在中元古代发生过一次实质性的稀土矿化作用,地幔是稀土物质的单一源区。

      3. 对白云鄂博矿床开展了铁、镁、碳、氧、锶、钕等同位素的综合研究,完善了白云鄂博矿床的成矿模式。
      利用不同同位素的特点,综合开展了铁、镁、碳、氧、锶、钕等同位素的综合研究,从不同角度对矿床的成因进行制约。研究表明,白云鄂博矿床可能是在中元古代时期(约1.3Ga)的大陆裂谷环境下,由火成碳酸岩岩浆在海底侵入或喷出而形成,岩浆侵入或喷发期间可能有海水或少量沉积碳酸盐岩加入,也很有可能伴随热液活动。矿床形成后区域上发生了多次地质事件,矿床发生了一定的热扰动,但成矿物质只在内部发生了再循环,外源成矿物质的加入很有限。
     
      上述研究为白云鄂博矿床的成因和成矿时代提供了重要制约,完善了白云鄂博矿床的成矿模式。

      上述研究的部分成果已在国内外期刊上发表论文18篇(其中SCI期刊8篇,EI期刊3篇)。


    图1 白云鄂博矿床Fe同位素组成及与其他类型矿床的对比


    图2 白云鄂博矿床Mg同位素组成


    图3 白云鄂博矿床成矿模式图

    1-5 白云鄂博矿床成因再研究

    中国地质调查局水文地质环境地质研究所在北方陆相页岩气开发中地下水循环演变及异常评估研究取得新进展。该研究以我国北方侏罗统大煤沟组页岩气储层为研究对象,分析页岩地层水的主要补给来源和水化学演化机制,识别地层水赋予返排液的地球化学特征,筛选返排液潜在识别指标,揭示水力压裂引发的水岩作用对页岩矿物相关识别指标的影响及其机理,提出可广泛应用于我国北方陆相页岩返排液污染浅层含水层的标识,为我国北方陆相页岩气开发区地下水循环演变及异常评估提供科学依据。

    随着全球范围内页岩气开采程度的不断增长,主要页岩气开采国对页岩气开发潜在的地下水影响越发关注,使水力压裂返排液在浅层地下水中的识别成为当前研究热点。研究发现:一是大煤沟组陆相页岩地层水起源于受大气降水补给的古湖水,并在形成过程中发生了蒸发浓缩作用、硫酸盐热化学还原作用、长石的伊利石化/高岭石化作用、白云石/方解石化作用和硼酸盐溶解作用,使地层水形成了独特的水化学和同位素特征,并通过和压裂液的混合作用,赋予了返排液与其相似的地球化学特征。经分析Br/Cl、Ba/Sr、87Sr/86Srδ11B可作为返排液的潜在识别指标。二是压裂引发的页岩中长石溶解,可赋予返排液陆相页岩独特的硼同位素指纹特征,而且不因地层水的混合而明显改变。因此,硼同位素可广泛应用于我国北方以大气降水为主要补给来源的浅层地下水中陆相页岩返排液的污染标识。但压裂引发的页岩中碳酸盐矿物溶解,释放低87Sr/86Sr值、高元素浓度的Sr,阻碍返排液“继承”陆相富硅酸盐页岩高87Sr/86Sr和高Ba/Sr的特征,故87Sr/86Sr和Ba/Sr成为贫碳酸盐陆相页岩返排液污染标识的潜力较大。

         

     

    大煤沟组陆相页岩压裂返排液主要识别指标及其特征区间值

     大煤沟组陆相页岩压裂返排液主要识别指标对压裂引发水岩作用的响应

    水环所在北方陆相页岩气开发中浅层地下水循环演变及...

    新疆彩南油田二氧化碳驱水与地质储存先导性试验示意图

    鄂尔多斯二氧化碳地质储存示范工程立体化监测技术体系

    为应对气候变化,我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”等承诺。“双碳”目标下,作为可以实现化石能源大规模低碳利用的重要技术途径,碳捕集、利用和封存技术成为当下研究热点。

    在自然资源部、中国地质调查局的推动下,我国二氧化碳地质封存技术研究与工程示范已取得初步进展,如今正在加快研究步伐,力争为我国实现碳中和作出更大贡献。记者近日走访了我国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)产业技术创新战略联盟理事单位——中国地质调查局水文地质环境地质调查中心的相关负责人和专家。

    我国二氧化碳地质封存潜力大,深部咸水层是主力储存空间

    水环地调中心专家介绍,二氧化碳地质封存,是指通过工程技术手段将从碳排放工业源捕集的二氧化碳直接注入至地下800~3500米深度范围内的地质构造中,通过一系列的岩石物理束缚、溶解和矿化作用而将二氧化碳封存在地质体中。可用于封存二氧化碳的地质体有陆上咸水层、海底咸水层、枯竭油气田等。

    当前,全球二氧化碳地质利用与封存技术以二氧化碳驱油和深部咸水层地质封存最为成熟,驱油工程已安全投入商业运营近50年。截至2020年底,全球目前共有26个正在运行的商业项目,合计捕集二氧化碳规模约4000万吨/年。就深部咸水层储集介质来看,截至2020年底,全球拟建和在建的地质封存项目超过了12个,且正在逐步从小规模示范向大规模集成过渡。

    中国地质调查局水文地质环境地质调查中心主任文冬光介绍,我国二氧化碳地质储存研究始于上世纪70年代。2009年,原国土资源部将二氧化碳地质储存调查评价纳入《地质矿产保障工程实施方案(2010-2020)》地质基础支撑计划内的全球变化调查监测与评价和地下空间资源调查后,中国地质调查局先后启动了我国二氧化碳地质储存关键技术研究、全国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程、二氧化碳地质储存调查与资源化利用、准噶尔等盆地二氧化碳地质储存综合地质调查等项目,由水环地调中心组织实施。“十二五”期间,该中心与国家能源集团神华煤制油化工有限公司合作,建成了我国首个30万吨级深部咸水层二氧化碳地质储存示范工程;2018年,与新疆油田合作,在准东彩南油田近枯竭油田实施了二氧化碳强化深部咸水开采与封存先导性现场试验。

    基于调查和研究成果,由水环地调中心主编的《中国及毗邻海域主要沉积盆地二氧化碳地质储存适宜性评价图(1∶500万)》,于2018年正式出版。这是第一幅展示我国二氧化碳地质储存综合适宜条件的专业性图件。该图显示,我国深部咸水层二氧化碳地质储存潜力巨大,占总潜力的90%以上,远远超过油田、天然气田和煤层气田,是我国未来实现规模化二氧化碳地质储存的主力储存空间。其中,我国陆域塔里木、鄂尔多斯、松辽等13个大中型盆地,以及海域东海陆架/渤海、珠江口等16个大中型沉积盆地,储存潜力大,储盖层条件相对较好。

    二氧化碳地质封存示范工程的实施,验证了技术的可行性和地质安全性

    瞄准深部咸水层这一主力储存空间,水环地调中心研究团队开展了对二氧化碳地质储存从基础理论、场地勘查技术方法到完井技术与灌注试验、安全与环境风险评价,直至后期环境监测的全过程研究,攻克了一系列技术难题。比如:提出了综合咸水层地质条件、储存量、勘探成本的地球物理圈闭识别与评价体系,以及二氧化碳地质封存潜力评价有效系数取值评估准则;创新了深部咸水层二氧化碳地质储存工程完井与灌注试验技术等。

    水环地调中心与国家能源集团神华煤制油化工有限公司合作,在内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗实施了我国首个二氧化碳捕集、运输与深部地质封存全流程示范工程。其中,水环地调中心主导完成了示范工程封存场地的调查勘查,并组织实施了一口监测井,建立了“大气—地表—地下”立体化监测系统。该示范工程于2011年5月9日开始实施二氧化碳灌注实验,截至2015年4月实现累计注入二氧化碳30.2万吨。持续监测结果表明,示范工程场地未出现二氧化碳泄漏。该工程的实施,初步形成了10万吨/年二氧化碳地质封存技术体系,同时为每年百万吨级规模化封存工程和产业化实施储备了一批关键技术。

    准噶尔盆地赋存丰富的油气资源,同时也蕴藏着丰富的煤层气和页岩气资源,为在该区开展二氧化碳地质储存与工程示范提供了有利条件。结合准东地区低碳减排及对水资源的强烈需求,以及该区二氧化碳捕集、利用与储存较好发展前景,水环地调中心与中石油新疆油田分公司合作,通过调查研究,选定彩南油田作为实施二氧化碳强化深部咸水开采与储存先导性试验示范场地。

    2018年6月,从克拉玛依敦华公司捕集的二氧化碳,用槽车沿沙漠公路运至彩南油田。一场二氧化碳驱水与地质储存一体化的先导性试验准备就绪。试验井组由一眼注入井、3眼一线监测井、6眼二线监测井组成。从2018年6月29日16时30分,试验开始注入二氧化碳,至2018年7月16日22时结束注入,累计注入二氧化碳1010吨。整个试验过程在保持一定注入速度和注入压力下平稳进行,现场监测结果显示,二氧化碳在地下储层中运移规律与预期较吻合,地表没有发现气态二氧化碳泄漏。由此可见,二氧化碳驱水封存技术是可行的,也是可以安全实施的。

    这次试验,只是揭开了准噶尔盆地二氧化碳地质储存潜力的冰山一角。评估结果表明,通过咸水层二氧化碳地质储存或二氧化碳驱水技术,准噶尔盆地可实现二氧化碳的地质储存量达480×10 8 ~1640×10吨。而且,准噶尔盆地源汇匹配情况较好。尤其是,准东五彩湾工业园区的排放源附近有成片连接的咸水层储存场地,不仅有适宜性很好的咸水层,同时也是多个大型油田的所在地,是进行二氧化碳驱替咸水或二氧化碳驱替石油利用的良好场地。

    开展二氧化碳地质封存环境风险监测研究,取得一系列科技创新成果

    把二氧化碳“埋”在地下,保障地质封存工程的安全性至关重要。

    存入地下的二氧化碳气体,一方面由于其自身具有较强的穿透性,另一方面由于地下储存空间不可预知的裂隙或隐伏断裂等地质构造的原因,都可能造成二氧化碳的泄漏。在陆地上储存二氧化碳时,最可能发生的问题是二氧化碳泄漏进入地下水补给层,即使是少量的泄漏,也可能造成饮用地下水质量的明显下降。一旦二氧化碳突破水力圈闭,将会向上进入浅层土壤,从而改变土壤物化性质,影响土壤生物,进而进入包气带和大气环境中,连锁影响生态系统和人群健康。

    “为保障二氧化碳地质封存工程的安全性,必须合理选择工程场地,提高施工质量,并加强对封存全过程的监测。”专家强调。而我国以陆相沉积为主要特征的沉积盆地复杂区域地质条件,使得二氧化碳地质储存相对于国外已有工程面临更大的挑战。

    正是认识到这一点,除了在二氧化碳地质储存场地选址阶段进行详细调查和综合评价,水环地调中心的研究团队还创新开展了二氧化碳地质储存的环境风险监测研究,确定了二氧化碳地质储存盖层力学作用机制,提出了盖层力学稳定性标准,以指导储存场地的选址及工程注入压力设计,并阐释了二氧化碳一旦泄漏可能对地下水和地表生态环境的影响机理。

    此外,该团队研发的二氧化碳迁移转化数值模拟系统,达到国际先进水平,可满足二氧化碳地质储存储层建模、评价预测等技术需求;研发了深层pH值原位监测系统,填补了国内pH值深层原位监测技术空白,可满足1500米以深的监测技术要求。

    水环地调中心还在陕西西安建设了人工控制二氧化碳泄漏环境影响及监测试验场地,在青海平安建设了天然二氧化碳泄漏环境影响及监测野外科研观测基地,基于人工模拟试验与天然二氧化碳泄漏环境影响观测,建立了二氧化碳地质封存对大气、土壤、水、生态系统等环境影响评价方法与指标体系,以及监测技术方法,为生态环境部制定《二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南(试行)》提供了支撑。

    我国二氧化碳地质封存技术还处于示范阶段,亟待深入研究

    当前,我国距离实现碳达峰目标已不足10年,从碳达峰到实现碳中和目标也仅有30年,与发达国家相比,我国实现碳达峰、碳中和远景目标时间更紧、困难更多,任务异常艰巨。当前,在我国以煤为主的能源消耗结构短期内难以改变的形势下,开展二氧化碳地质储存是实现我国碳减排承诺的一项有效措施。

    近年来,我国二氧化碳地质储存在区域调查评价、关键技术研究和工程示范等领域有了较快的发展,二氧化碳地质利用与储存技术渐成体系,但总体上仍处于示范研究阶段,继续开展二氧化碳地质储存调查评价、技术方法创新,不断加大研究深度,对我国规划、实施碳捕集、利用与储存具有重要意义。

    为支撑我国实现碳中和目标,“十四五”期间,水环地调中心将进一步聚焦重大需求,在鄂尔多斯盆地、东北地区等地的国家级能源基地,以及京津冀、长三角、粤港澳大湾区等高碳排放源集中区,开展区域二氧化碳地质封存潜力评价与封存场地调查。同时,创新合作机制,实施二氧化碳地质封存示范工程,研发关键技术,形成潜力评价、调查选址等技术标准;统筹考虑地下多种资源空间叠置及相互影响等因素,探索提出地下空间利用与国土空间规划管理的建议。 

    把二氧化碳“埋”在地下

    在广东罗定河口开展红土壤野外调查。 卜建军 摄

    近日,中国地质调查局地质力学研究所组织相关人员在北京进行下一年度地质调查项目立项论证时,一项有关南方红土的基础地质调查项目引起了人们的关注。那么,广泛分布于我国南方地区的红土有着怎样的地质生态意义?即将推进的地质调查工作,将对开发这类土地资源、解决红色荒漠化等地质环境问题发挥哪些作用?请看地质力学所有关专家的解读——

    探寻红土水热、植被、母质条件与水、气、生物、岩石圈层物质循环的关系

    “南方红土是我国热带、亚热带以各类岩石和第四纪松散沉积物为母质发育的红色风化壳,也是我国分布最广的第四纪土状堆积之一。它与我国西北地区深厚的黄土—古土壤沉积物相对应,精确记录了第四纪的古气候环境信息。”

    地表作用与系统演变基础地质调查工程首席专家、地质力学所研究员胡健民介绍说,“早中更新世以来,在中国南方自秦岭—淮河以南、青藏高原以东广大地区发育红土沉积物,据推测面积达220万平方公里。它们是我国中、低纬度地区受第四纪季风气候影响下形成的特征沉积物,其分布、成因、来源及理化特征与新构造运动的发展、东亚季风系统的建立及第四纪全球气候变化的纬度效应均有着潜在耦合关系。”

    比如,南方网纹红土属富铝红色沉积物,呈强酸性,高度风化,主要形成于中更新世—晚更新世早期,经历了长期相对湿热的气候环境。但从沉积物颜色变化、粒度组成、化学成分、孢粉组合等指标看,网纹红土并不是在持续湿热背景下形成的,其间可能经历了相对冷湿或凉干的气候。这样说明中国南方古气候存在多个“沉积—成土—构造”过程的旋回。

    可见,红土中隐藏着反映气候周期性变化的“密码”,记录了全球气候变化、青藏高原隆升所引发的季风环流的形成与发展的过程,特别是中更新世全球气候和环境巨变等构造—气候事件,并且可与北方黄土—古土壤序列以及深海沉积记录相对比。

    那么,为什么与西北地区的黄土沉积相比,有关南方红土的研究相对薄弱呢?

    专家指出,中国南方湿热气候导致的强化学风化作用,使得红土的原始沉积学信息在成土过程中被显著改变。而正是由于红土成因的多元性、物质来源及沉积模式的不确定性,阻碍了科学家对中国南方红土的认识以及对其所含古气候信息的提取,阻碍了对第四纪全球变化及区域气候相应的认识。

    地球系统科学是地质调查工作的理论基础。

    近年来,地学界已开辟红土成土过程与全球变化研究的新方向,将红土的成土过程与宏观时空变化相结合,探寻红土水热、植被、母质条件与水、气、生物、岩石圈层物质循环的关系,以及红壤物质循环对环境和全球变化的影响。“目前,亟需获得中国南方红土沉积物地球化学信息及有效物源指标,探究南方红土表生风化特征及沉积物的来源,从而认识南方红土蕴含的有关圈层相互关系的地质记录。”胡健民说。

    探查红土区生态地质环境演变规律,助力南方红土丘陵区生态脆弱性的改善

    自然资源部成立之后,基础地质调查工作正在从支撑矿产资源向自然资源转变。只有查明自然资源的物质基础和空间载体,才能为支撑自然资源管理、经济社会发展、生态文明建设提供基础信息资料和科学决策依据。

    “在当前和今后一段时间,基础地质调查工作将着力解决自然资源和生态环境关键基础地质问题,深化多圈层交互作用调查,全面支撑服务自然资源管理和生态文明建设。”胡健民告诉记者,红土分布区涉及多种类型重要生态系统,是生态环境比较脆弱的地方,人地关系矛盾极为突出。

    这与红土区地形起伏多变、降水时空不均匀等自然条件和红土自身酸、瘦、黏的性质有着很大关联。加上人类的不合理开发利用,导致中国南方红土生态系统面临着水土流失、土壤酸化、肥力退化、季节性干旱、土壤污染、生物退化、石漠化及土地沙化、耕地面积缩减和系统功能衰减等一系列生态环境问题。

    红土区的生态环境脆弱性表现为:土层较薄,肥力贫瘠;人口密度大,人为活动强烈、土地严重过垦,土壤质量下降明显;自然植被破坏严重,雨量多而集中,暴雨强度大,水土流失严重。

    资源潜在的生产能力得不到应有的发挥,整个地区农业及经济持续发展必然受到严重影响。

    目前,我国对红土的认识尚存在一些不足:一是对红壤肥力的现状及其分布认识的不足;二是对红土质量的评价指标和保护认识不足,评价指标上偏重于土壤化学和物理性质的评价;三是对红土的认识缺乏系统性和整体性,未将其看成一个生态系统。

    认识上的不足,也大大限制了人类对红土区自然资源的合理开发和利用。

    “因此,我们在明年的地调项目中特地安排了有关南方红土覆盖区的基础地质调查项目,着重对红土与环境变化进行研究。”胡健民说。

    地质力学所副研究员傅建利告诉记者,当前国际土壤学围绕环境与农业问题,形成了以研究土壤与环境保护、土地覆被与土地利用、土地评价、土地退化与修复、全球变化与区域治理等重大问题为核心的综合研究趋向。我国也应加强对红土的综合性研究,尤其要关注自然和人为活动影响下红壤生物地球化学循环、红壤丘陵区地表侵蚀速率及其动力学、红壤退化的时空变化和退化机理、土壤温室气体及其源汇领域研究,从而揭示现代生物气候条件和人类活动对红土表层的影响与改变,为现代生态环境恢复奠定基础。

    深化对“红土荒漠化”等灾害的认识,服务区域经济发展规划和防灾减灾工作

    严重的水土流失还会造成红土覆盖区“红土荒漠化”等地质灾害。

    华南红土区具有中亚热带优越的生物气候条件,是我国热带和亚热带经济及粮食作物的重要生产基地。由于该区雨量丰沛但时空分布极不均匀,洪涝与干旱并存,同时坡面分布广泛,加上长期对土地资源的不合理开发与利用,整个地区水土流失十分严重,其严重程度并不亚于黄土区。

    据统计,长江流域以南的红土丘陵地区水土流失涉及琼、粤、桂、湘、赣、闽、鄂七省( 区 ),水土流失面积已达 220万平方千米,仅长江上游地区就达35.2万平方千米,水土流失区的土壤流失量高达15.6亿吨。

    另据国家林业局统计,我国南方的湿润沙化土地分布面积达到0.88万平方千米,范围包括浙江、福建、江西、湖南、湖北、广东、广西、海南、贵州、云南、四川、重庆等12个省(区、市)的260个县(市、区)。

    红土荒漠化是中国南方湿润区水土流失的一种重要形式。如东南沿海及江南丘陵山地区的花岗岩、红色岩系和红土分布区等生态脆弱带出现的土地荒漠化,其基本特征为基岩裸露和生态功能丧失,其中劣地式红层荒漠是通过表土层被流水侵蚀,造成红层基岩或其风化壳斑点状暴露作为开始,进而形成大面积的裸露的红层基岩或密集侵蚀沟的劣地式红色荒漠,俗称“红砂岭”或“牛肝地”。这些地区植被演替脱离湿润区的生态发展轨迹,形成旱生灌丛群落,并最终失去生物生产力,土壤含水量降低,有机质减少直至完全检测不到有机质,变成寸草不生的裸地。

    红土荒漠化不仅造成大量的水土流失,而且也存在严重的地质灾害、水资源和水环境以及土地退化等问题,对区内的道路建设与养护、城镇建设、工农业生产和居民区安全也构成隐患。

    “严重的水土流失,已严重影响了人民的生存环境,不仅危害人类的健康和生命,也严重影响了人类的生产和生活活动。加深对红土区地质灾害发育规律的认识,不仅能有效服务于区域的防灾减灾工作,而且对于国土资源的合理开发利用、城市建设和区域经济发展规划等提供科学依据。”胡健民表示。

    加强现代化地质调查,促进人类对红土区自然资源的合理开发和利用

    人地矛盾的解决,依赖于该区基础地质调查资料的支持,特别是对反映地区特点的自然资源和地质环境条件,综合评价地区资源环境承载能力的综合调查。

    虽然,之前地质工作者曾对南方红土区进行过基础地质调查等多方面的区域地质工作,对红土区分布区的基岩和构造等基础地质有了清晰的认识,对长江下游流域的红土层的沉积结构和元素地球化学特征及成壤作用过程和古气候记录等也开展了大量研究,但是对于不同红土类型的划分和空间分布及其与之相关的生态环境问题方面的研究仍显不足,无法满足当前区域经济发展和生态文明建设对基础地质调查工作的要求。

    自然资源部成立之后,地质调查工作积极拓展工作领域,将开展数量、质量与生态“三位一体”的多门类自然资源综合调查。不仅将针对山水林田湖草共同体,大力加强资源环境承载能力调查评价、监测预警和国土空间适宜性评价,而且将加强地球多圈层交互作用研究,提供地球系统科学解决方案。

    傅建利说:“地球表层系统是一个相互作用的耦合系统,红土作为地球表面最表层的地质体,是深、浅部和人类及大气等圈层综合作用的结果。红土的形成演化既受母质基岩岩性控制,又受到气候的影响;同时,红土的发育受地表水圈和人类活动的影响,同时又影响地表水圈的演化和人类的活动。加强对地表红土层为重心的综合调查,深化对红土成因机理的认识,将对科学合理、绿色高效开发利用红土区资源有着重要意义。”

    “地质力学所正在组织力量,从统一的生态系统整体角度,针对南方不同类型红土地层记录的热带亚热带地区古气候古环境演变过程、南方红土区水土流失和红色荒漠化等地质灾害发育规律、不同类型红土的理化性质和发育过程对地球表层系统的响应等三个方面开展地质调查和研究,为优化国土空间开发格局、构建可持续的山水林田湖草生态体系提供基础地质图件及科学理论依据。”傅建利介绍说。

     

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    南方红土是我国热带、亚热带以各类岩石和第四纪松散沉积物为母质发育的红色风化壳, 也是我国分布最广的第四纪土状堆积。因此,南方红土大致可以划分为两种类型:一类是以第四纪松散堆积物为母质发育的红色风化壳,另一类是以各种基岩为母质发育的红色风化壳型。

    加积型红土是以松散沉积物为母质的红色风化壳,一般称为南方红土,其中分布在长江中下游地区的加积型红土,主要包括网纹红土、下蜀土和成都黏土等。

    风化残积型红土以各类基岩为母质发育的红色风化壳也可称为风化残积型红土,主要分布在长江以南地区。按照其母质的分布,大致又分为两个区域,第一个区域以碳酸盐岩为母质发育的风化壳,主要分布在我国西南的云贵高原、四川东部、广西、广东北部、湖南西部及湖北西部的岩溶山区,厚度一般较小;第二个区域以花岗岩、砂岩、变质岩、玄武岩为母质发育的风化壳,主要分布在我国华南的广大区域,厚度不一。

    另外,在我国浙江、福建、广东等地的沿海岬湾地区的向岸风岸段台地上断续分布着一种红色、棕红色半胶结的中细砂风成沉积物,经后期风化,这些沉积物的上部呈红色、棕红色甚至出现网纹红土,地质调查中一般泛称这些砂质沉积为“老红砂”。

    破译环境气候周期性变化“密码”

    近日,由中国地质调查局岩溶地质研究所组织实施的“百色市平果县(田东县、田阳县)1:25万土地质量地球化学调查”子项目,在广西平果县发现了大面积的富硒土壤。该项目隶属“滇黔桂岩溶区土地质量地球化学调查”二级项目。

    项目组按照国家相关标准开展平果县1:25万土地质量地球化学调查,采样面积2512平方千米,共采集浅层土壤样品2522件、深层土壤样品640件。测试结果表明,平果县土壤硒(Se)元素含量区间为0.231-2.464毫克/千克,平均值0.585毫克/千克,中值0.542毫克/千克,变异系数为35%,平果县土壤硒(Se)元素含量高于全国土壤硒(Se)元素背景值(0.29毫克/千克)的2.02倍。参照相关标准,土壤硒元素含量≥0.4毫克/千克为富硒土壤。照这一标准,圈定平果县富硒土壤2188平方千米,约占全县总面积的87%,主要分布在果化镇、太平镇、四塘镇、新安镇、平果县、坡造镇、旧城镇、榜圩镇、黎明乡。

    依托位于平果县的国土资源部果化野外科学观测研究基地,开展火龙果种植示范,对示范区岩石、土壤、火龙果中的元素含量进行了初步分析,结果表明示范区石漠化后残留的石缝土壤比洼地土壤富硒,含量相差一倍,但种植的火龙果根系、枝条和果实硒元素含量均无明显差异。土壤、根系、枝条和果实中硒元素含量均值分别为1.23毫克/千克、0.22毫克/千克、0.06毫克/千克和0.03毫克/千克,火龙果中硒元素平均含量达到0.03毫克/千克。根据广西地方标准《富硒农产品硒含量分类要求》,富硒鲜水果硒含量指标0.01-0.1毫克/千克,示范区火龙果为富硒产品。

    富硒土壤是富含硒的地质体及其风化产生的土壤,是农、林、果业发展的优势土壤资源,硒(Se)元素含量受成土母质的组成和性质、成土过程、生物富集、淋溶与黏化作用的多重因素的影响,在空间上,平果县富硒(Se)土壤分布较广,呈连片分布的特征,集中分布于岩溶地区。依托项目成果,支撑服务平果县调整农业种植结构、打造富硒火龙果等特色农业品牌和精准扶贫,驱动平果县火龙果生态产业跨越式发展,为平果县国土规划、划定三条“红线”、石漠化治理、生态文明建设及经济社会可持续发展提供了科学依据和技术服务。平果县岩溶石山区富硒土壤资源和富硒农产品的发现,从富硒到富民,探索出一条利用富硒土壤资源培育富硒农业产业、变资源优势为经济优势、加快农民增收步伐的新路子,为国家有关部门部署农业地质调查工作提供了依据。

    平果县火龙果生态产业跨越式发展 

     
    岩溶所在平果县发现大面积富硒土壤

    地下水是全球经济一体化的重要资源保障,为支撑“一带一路”国家战略,中国地质调查局部署了“中国及周边地区地下水资源与地质环境系列图编制”子项目,由中国地质调查局水文地质环境地质研究所承担,主要目标任务是通过亚洲重大地质环境问题研究,与亚洲主要国家合作编制《亚洲地下水系列图》和续编《亚洲地下水环境系列图》工作,中国地质科学院岩溶地质研究所参与开展了中泰岩溶水文地质对比研究。项目周期为2013年至2016年,是“全国系列基础地质综合编图项目”的子项目,实施单位为中国地质调查局发展研究中心。

    中国及周边地区地下水资源与地质环境系列图编制”项目取得重要成果主要包括《亚洲地下水系列图》、《亚洲地下水环境系列图》2套6张1:800万国际性地质制图系列图件;编写了《亚洲地下水与环境》1部专著;完成“澜沧江-湄公河流域跨界含水层研究”、“克鲁伦河流域地下水资源与环境地质”与“黑龙江-阿穆尔河流域生态地质环境”3份专题报告;编制《亚洲地下水与环境图集》1部。该系列研究成果,重要的洲际性文献资料,可为绿色“一带一路”建设、资源开发和重大基础设施建设提供水文地质、地下水资源与地热资源的重要的资料和数据依据,对于亚洲地下水资源、地热能源和环境地质研究具有推动性作用。该系列成果尤其是《亚洲地下水系列图》被联合国教科文组织在跨界含水层研究与管理中应用,被作为亚洲跨界含水层管理的基础数据;诸多成果已被国内和亚洲国家许多科研院所、大学作为水文地质、地下水资源、地热研究和自然资源开发利用的基础资料广泛应用。《亚洲地下水环境系列图》可为保障我国与周边国家和谐的地质环境关系提供重要依据,为合理开发利用资源和更好地保护环境提供科技支撑,该系列成果还填补了许多国际上的空白,对亚洲乃至世界水资源研究将起到重要作用,对解决国际资源环境矛盾和生态环境问题具有深远的科学与政治意义。

    一、出版《亚洲地下水系列图》(1:800万)填补了洲际地下水资源及地热图件亚洲地区的空白,建立亚洲地下水资源与环境信息平台,为亚洲各国自然资源开发利用、水资源规划、地质环境保护防灾减灾提供科学依据。

    《亚洲地下水资源图》是通过亚洲地下水系统的划分,提出气候地貌为主控依据的宏观地下水系统划分的准则,综合气候地貌、地质构造、水文地质结构、地表水系等因素,划分了亚洲11个地下水系统36个子系统,并评估了不同类型地下水的补给和可采资源量,是首个亚洲地下水资源分布的成果图件。

    《亚洲水文地质图》是在张宗祜院士1992年主编的“亚洲水文地质图”和地质所最新编制的“国际亚洲地质图”基础上,重新划分了亚洲地下水赋存类型及富水程度,将亚洲地下水划分为孔隙水、岩溶水、裂隙孔隙水和裂隙水,更为准确地揭示了亚洲地下水的水文地质特征的循环规律。

    《亚洲地热图》反映了亚洲的地热存储类型,将亚洲热储类型划分为现代火山型、隆起断裂型和沉积盆地型,并且反映了大地热流及其分布规律,表示了3000 m深度地温场及其地热资源分布的内在规律。

    二、编制《亚洲地下水环境系列图》(1:800万)以资源可持续利用和地质环境保护并重为理念,应用地下水与环境地图时空认知理论,通过国际间合作总结了亚洲地下水与地质环境关系特征和规律,开展了与地下水相关地质环境问题研究,剖析了亚洲地下水质量状况,归纳了地下水过量开发的地质环境负面效应,地下水与生态环境的依存关系,探索了地下水环境地图时空认知及变化规律总结研究亚洲地下水与地质环境的特征和规律,开展地质环境系列图件编制及相关地质环境问题研究,剖析我国及周边国家地下水资源开发所引发的环境地质问题,开展黑龙江(阿穆尔河)流域主要地质环境问题专题研究。工作是在研究国际编图技术与亚洲地质环境编图特点基础上,借鉴已出版的国际编图成果,特别是美国和欧洲等国家地质环境的编图模式,同亚洲地质环境特征及其问题相结合开展的。

    《亚洲地下水环境系列图》由亚洲地下水质量图,亚洲地下水开发地质环境效应图,亚洲地下水生态环境图三张图件和说明书组成,该成果分析了原生地质环境与现代全球变化及其人类活动的关系,将亚洲地质环境背景与地下水环境问题联系起来,建立了新的亚洲地质环境编图理念,反映与地下水密切相关的地质环境,揭示了地质环境时空特征及分布规律。走在了国际同类编图研究成果前列,在编图内容和表现形式上体现出亚洲地质环境特色。

    《亚洲地下水质量图》亚洲地下水水质分带受到气候和地形地貌的主导和控制。地下水循环交替条件决定着地下水质量优劣,通过综合评价亚洲地下水质量编制的,研究了地质环境对地下水质量的影响以及对生命健康的危害。地下水的溶滤淡化和浓缩盐化作用的程度,划分出亚洲四大水质分带,其空间分布特征主要是由南北向中间的阶梯状地势、海岸带走向和气候的综合影响的结果,自补给区淡水带,到径流区淡水-微咸水带,逐渐演变成微咸水-咸水带,直至到大陆盐化作用的咸水带。

    亚洲地下水开发地质环境效应图首先根据地下水开发利用所引起的地质环境负面效应,作出单要素分析图件,然后以地下水开采引起的地质环境负效应为依据,以不同的地形地貌和含水岩组类型作为重要判断标准,划分出地下水开采的6个地质环境效应分区是:平原盆地地下水强烈开采大范围缓变危害效应区;平原盆地地下水一般开采无明显危害效应区;岩溶地下水局部开采易发突变性危害效应区;矿区地下水疏干开采易发突变性危害效应区;丘陵山地地下水分散开采无明显危害效应区;其他地下水零星开采常态效应区。归纳出地下水不合理开发引起的地质环境负效应主要危害有:区域地下水位持续下降、地面沉降、岩溶塌陷、地裂缝、海水入侵、油田地下水开采水位下降和矿区采空塌陷等7大危害。

    《亚洲地下水生态环境图》是用系统理论将地下水与生态环境建立起有机的联系,反映地下水生态环境主要类型、时空特征分布规律。揭示大气圈、岩石圈、水圈与生物圈之间的物质迁移和能量转换关系尤其是气候地貌对地下水生态环境的控制作用,结合人类和其他生物的改造作用,确定出地下水生态环境三大类型分别是:地下水调蓄支撑生态环境、地下水涵养维持生态环境、地下水贫乏脆弱生态环境。主要分区有:沿海口岸三角洲与滨海低地地下水调蓄支撑区,平原、盆地及丘陵低地地下水调蓄支撑区,低山丘陵地下水涵养区,高原山地地下水涵养区,高寒冻原地下水(生态)涵养区,沙漠、戈壁地下水贫乏区,黄土高原地下水贫乏区,岩溶石漠化地下水贫乏区。

    完成“澜沧江-湄公河流域跨界含水层研究”、“克鲁伦河流域地下水资源与环境地质”专题研究报告,对亚洲主要跨界含水层进行了评价,创建了跨界含水层和谐度定量评价的数学模型,建立了湄公河流域跨界含水层和谐度定量评价模型和指标体系,功能指标-社会经济管理指标-法律效应指标权重迭加的数学模型,并进行了跨界含水层定量评价,为跨界含水层研究提供了示范。

    三、实现亚洲地下水资源与环境地质空间信息技术共享建立了亚洲地下水资源与环境空间信息系统,解决了流域、国家、地区和单元等多尺度的信息元在洲际尺度上的信息处理问题;协调了不同年纪、不同时段等多时态的空间信息认知;规范了10种气候地貌类型、4种含水类型、3种地下水资源类型和3种热储类型等多类型的图面表达;图面结构合理、表现形式精细、色彩协调美观、科学普适易读。

    四、参与地调局《“一带一路”地质矿产资源图集》编制,服务国家决策。水环所与岩溶所共同参与编制了《“一带一路”地质矿产资源图集》中的地下水资源和地热资源图件,为服务国家决策提供了科学依据。

    五、中国与中南半岛岩溶地质对比研究,国际间专家携手共同提高科研水平。岩溶所与泰国自然资源与环境部地下水资源厅合作,在泰国中西部典型岩溶区开展了岩溶水文地质调查与碳循环监测、地球物理探测技术应用试验与研究工作,并建立了2个地下水与碳循环中泰联合监测站,对比中泰岩溶形态组合特征与发育环境差异,初步估计了泰国岩溶作用与碳循环强度。

    六、开展黑龙江(阿穆尔河)流域生态地质环境研究通过不同时段卫星遥感数据解译对比分析和实地考察验证,一是原生地质环境问题主要有地方病、多年冻土与冻胀融陷、界河坍塌等;二是次生地质环境问题主要有江河水质污染、城市地下水超采地下水位持续下降、矿山开采地面塌陷等;三是人类与自然共同作用下的生态地质环境问题包括土壤盐渍化、土地沙化、湿地退化、草场退化、森林退化、水土流失以及冻结层退缩等,这些问题的存在一方面是气候变化下自然生态缓慢的发展趋势,更重要的一方面是人类在发展社会经济的同时违背了自然规律,给大自然和人类造成重大损失。

    七、亚洲地下水与环境专著出版发行在即通过项目研究的不断深入,对大量的信息资料归纳分析,编撰了亚洲地下水与环境专著。

    八、《亚洲地下水与环境图集》即将付梓。为了更广泛体现编图成果的应用性,编辑了亚洲地下水与环境图集

     

    图片1_副本

    亚洲地下水系列图 

    图片2_副本

    亚洲地下水资源与环境空间信息系统 

    图片3_副本

    地下水与碳循环中泰联合监测站

    亚洲地下水与环境专著

    亚洲地下水与环境图集

    中国及周边地区地下水资源与地质环境编图成果支撑绿...