一種泥質(zhì)沉積物埋藏演化過(guò)程的模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種泥質(zhì)沉積物埋藏演化過(guò)程的模擬方法，涉及水文地質(zhì)學(xué)和沉積學(xué)領(lǐng)域
【背景技術(shù)】
[0002]淤泥是一種細(xì)粒飽水未固結(jié)、具有流動(dòng)性的現(xiàn)代蓄水盆地的沉積物，多沉積于地下水系統(tǒng)的排泄區(qū)，包括海洋、湖泊、三角洲、濕地、河流等，屬于水的滯留帶和化學(xué)能的儲(chǔ)積帶，是物質(zhì)循環(huán)中一個(gè)重要的“匯”。它在地球科學(xué)的眾多領(lǐng)域扮演著重要角色，其重要性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(I)在沉積學(xué)領(lǐng)域，淤泥是泥頁(yè)巖沉積的起點(diǎn)；(2)在能源領(lǐng)域，淤泥中有機(jī)質(zhì)是眾多礦產(chǎn)資源的起源，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過(guò)程中，形成固態(tài)的煤、液態(tài)的石油和氣態(tài)的天然氣；(3)在工程地質(zhì)領(lǐng)域，淤泥的力學(xué)性質(zhì)一直是研究淤泥地基穩(wěn)定性和地面沉降的重要因素。
[0003]而在水文地質(zhì)領(lǐng)域，人們對(duì)于淤泥的研究程度卻十分有限，傳統(tǒng)水文地質(zhì)多關(guān)注含水層。淤泥及由其衍生的粘土是地下水系統(tǒng)非均質(zhì)性的重要體現(xiàn)，含水層與粘土透鏡體或粘土隔水層相伴而生。由于透水性差，淤泥一般被界定為隔水層或弱透水層，但淤泥富水(初始含水量高達(dá)75%以上)，在上覆地層壓力的作用下，大量孔隙水會(huì)被壓出而進(jìn)入孔隙較大的沉積物(即相鄰含水層)中。認(rèn)識(shí)淤泥釋水固結(jié)為粘土隔水層(或粘土透鏡體)過(guò)程對(duì)含水層水量和水質(zhì)的貢獻(xiàn)并揭示其影響機(jī)理，可能成為開(kāi)啟水文地質(zhì)研究新領(lǐng)域的突破點(diǎn)和敲門(mén)磚。
[0004]然而，淤泥埋藏演化過(guò)程十分漫長(zhǎng)，在自然界很難觀察到這一完整過(guò)程。隨著各種增溫增壓儀器的不斷涌現(xiàn)，以及原位監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，利用室內(nèi)增溫增壓技術(shù)來(lái)模擬泥質(zhì)沉積物的埋藏演化過(guò)程成為可能。
[0005]目前，有機(jī)質(zhì)生烴模擬、成巖模擬和生物氣模擬等方面的實(shí)驗(yàn)研究都已從不同角度對(duì)淤泥埋藏演化過(guò)程進(jìn)行了室內(nèi)模擬。然而，精確認(rèn)識(shí)淤泥釋水固結(jié)為粘土隔水層(或粘土透鏡體)過(guò)程對(duì)含水層水量和水質(zhì)的貢獻(xiàn)，需全方位考慮此過(guò)程中孔隙水、礦物、微生物、氣體等要素的演化，因此，在借鑒有機(jī)質(zhì)生烴模擬、成巖模擬和生物氣模擬實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)其進(jìn)行拓展，即綜合考慮水-礦物-氣體-微生物演化的泥質(zhì)沉積物埋藏演化過(guò)程模擬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種泥質(zhì)沉積物埋藏演化過(guò)程的模擬方法，以淤泥為實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)，在制定合理增溫增壓方案的基礎(chǔ)上，運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的原位監(jiān)測(cè)技術(shù)，并配合自動(dòng)化技術(shù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水、礦、氣、有機(jī)質(zhì)和微生物指標(biāo)的變化規(guī)律，不僅可以在實(shí)驗(yàn)室有限時(shí)間內(nèi)重溯泥質(zhì)沉積物埋藏演化這一漫長(zhǎng)的地質(zhì)過(guò)程，更重要的是可通過(guò)模擬過(guò)程中各指標(biāo)的變化規(guī)律來(lái)揭示演化過(guò)程中的水-礦-氣-微生物相互作用機(jī)理，建立相應(yīng)的作用模型，從而定量評(píng)價(jià)淤泥釋水固結(jié)為粘土隔水層(或粘土透鏡體)過(guò)程對(duì)含水層水量和水質(zhì)的貢獻(xiàn)。
[0007]本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:提供了一種泥質(zhì)沉積物埋藏演化過(guò)程的模擬方法，包括以下步驟:
[0008](I)實(shí)驗(yàn)裝置裝配:裝配2個(gè)以上實(shí)驗(yàn)裝置，每個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括伺服加壓裝置、壓力室和氣液收集裝置，所述伺服加壓裝置包括安裝有減速器的伺服電機(jī)，所述減速器通過(guò)絲杠與壓力傳感器連接，所述伺服電機(jī)與PC機(jī)或單片機(jī)連接;所述壓力室上端設(shè)有與伺服電機(jī)連接的密封施壓部件，壓力室的下端設(shè)有密封部件，壓力室的內(nèi)部置有用于填充樣品的樣品室，樣品室內(nèi)從上到下依次放置有濾膜和聚四氟乙烯濾網(wǎng)，樣品室的下端設(shè)有倒圓臺(tái)形排水槽，排水頭連接有螺紋接頭，螺紋接頭穿過(guò)壓力室下端的密封部件與氣液收集裝置通過(guò)毛細(xì)管連通，壓力室的側(cè)壁內(nèi)設(shè)有用于填充液體介質(zhì)的通過(guò)熱電偶加熱的加熱室，所述熱電偶的接線(xiàn)穿過(guò)壓力室的外壁接出并與溫控加熱裝置連接，壓力室的側(cè)壁設(shè)有連通壓力室外和樣品室的一組探測(cè)孔口，各探測(cè)孔口設(shè)有電子探針，壓力室的外壁設(shè)有保溫層，壓力室內(nèi)設(shè)有無(wú)線(xiàn)溫度傳感器;所述氣液收集裝置包括與螺紋接頭連接的毛細(xì)管，所述毛細(xì)管上安裝有壓力表、流體流量控制器以及重力式氣液分離器，所述重力式氣液分離器的入口與毛細(xì)管連通，重力式氣液分離器的出氣孔和出液孔與氣體-液體收集裝置連通;氣體-液體收集裝置連接有氣體監(jiān)測(cè)裝置和液體監(jiān)測(cè)裝置，壓力室外設(shè)置有CT;
[0009](2)樣品采集:選定自然水體底部作為淤泥采樣點(diǎn)，分別實(shí)施鉆探，采集表面淤泥，并在深部粘土層的不同深度采集沉積物樣品，將表面淤泥淤泥分為2組以上，作為2組以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品，將深部粘土層的各深度采集的沉積物樣品，作為2組以上天然地質(zhì)樣品，每組天然地質(zhì)樣品對(duì)應(yīng)一個(gè)深度采集的沉積物樣品；所述自然水體底部為海底、湖底和河底中的一種；
[0010](3)樣品初測(cè):對(duì)每組對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品和天然地質(zhì)樣品進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙水、礦物、有機(jī)物和微生物指標(biāo)定量表征；
[0011](4)樣品制備:將每組對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品冷凍密封保存，并使每組天然地質(zhì)樣品均與樣品室的尺寸匹配；
[0012](5)樣品裝填:將每組對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品的外層刮去，分別放置于一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的樣品室中，在各實(shí)驗(yàn)裝置的樣品室中分別加入酸性溶液、堿性溶液和有機(jī)碳中的一種或一種以上的混合物，以模擬不同地質(zhì)背景條件下泥質(zhì)沉積物埋藏過(guò)程中地球化學(xué)演化的差異；
[0013](6)增溫增壓:對(duì)于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，利用其溫控加熱裝置對(duì)樣品室升溫，利用伺服加壓裝置對(duì)樣品室加壓；
[0014](7)液體、氣體收集:對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，將樣品室中產(chǎn)生的氣體和液體通過(guò)毛細(xì)管導(dǎo)入重力式氣液分離器，分離后的氣體和液體進(jìn)入氣體-液體收集裝置；
[0015](8)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)圖像和數(shù)據(jù):對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，利用電子探針實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品的礦物化學(xué)成分、礦物表面形貌和部分微生物類(lèi)型，利用無(wú)線(xiàn)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品的溫度，利用壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品的壓力，利用氣體監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品的氣體元素組成、氣體成分和氣體含量，利用液體監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品的液體流量、電導(dǎo)率、溶解氧、離子組分與含量、元素組分與含量、氧化還原電位和PH，并根據(jù)液體流量計(jì)算含水率，利用CT實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品的孔隙結(jié)構(gòu)，將上述圖像和數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)；
[0016](9)檢測(cè)固體樣品數(shù)據(jù):對(duì)于每組對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品，取樣品室中留存的固體淤泥，利用TOC分析儀對(duì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品的總有機(jī)碳含量進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)宏基因組測(cè)序，獲得對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品的微生物群落結(jié)構(gòu)；
[0017](10)將步驟(8)和步驟(9)獲得的圖像、數(shù)據(jù)及固體樣品數(shù)據(jù)與5組天然地質(zhì)樣品對(duì)比，以重現(xiàn)淤泥的地質(zhì)演化過(guò)程。
[0018]步驟(I)裝配的每個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中，氣體-液體收集裝置包括氣囊、集氣袋、滴定裝置和集液瓶，重力式氣液分離器的出氣孔通過(guò)氣囊與集氣袋連通，重力式氣液分離器的出液口通過(guò)滴定裝置與集液瓶連通，滴定裝置上安裝有液體流量控制器。
[0019]所述氣體監(jiān)測(cè)裝置和液體監(jiān)測(cè)裝置均采用光譜儀。
[0020]所述樣品室的室壁采用哈氏合金，樣品室的內(nèi)壁和外壁均標(biāo)有刻度。
[0021]每組對(duì)比實(shí)驗(yàn)樣品均選擇有代表性的淤泥樣品，含水量為60%以上，有機(jī)質(zhì)含量為