CN105548523A - 一种泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法，以淤泥为实验起点，在制定合理增温增压方案的基础上，运用现代先进的原位监测技术，并配合自动化技术，动态监测实验过程中水、矿、气、有机质和微生物指标的变化规律，不仅可以在实验室有限时间内重溯泥质沉积物埋藏演化这一漫长的地质过程，更重要的是可通过模拟过程中各指标的变化规律来揭示演化过程中的水-矿-气-微生物相互作用机理，建立相应的作用模型，从而定量评价淤泥释水固结为粘土隔水层(或粘土透镜体)过程对含水层水量和水质的贡献。
Description
技术领域
本发明涉及一种泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法，涉及水文地质学和沉积学领域
背景技术
淤泥是一种细粒饱水未固结、具有流动性的现代蓄水盆地的沉积物，多沉积于地下水系统的排泄区，包括海洋、湖泊、三角洲、湿地、河流等，属于水的滞留带和化学能的储积带，是物质循环中一个重要的“汇”。它在地球科学的众多领域扮演着重要角色，其重要性体现在以下几个方面：(1)在沉积学领域，淤泥是泥页岩沉积的起点；(2)在能源领域，淤泥中有机质是众多矿产资源的起源，在漫长的地质演化过程中，形成固态的煤、液态的石油和气态的天然气；(3)在工程地质领域，淤泥的力学性质一直是研究淤泥地基稳定性和地面沉降的重要因素。
而在水文地质领域，人们对于淤泥的研究程度却十分有限，传统水文地质多关注含水层。淤泥及由其衍生的粘土是地下水系统非均质性的重要体现，含水层与粘土透镜体或粘土隔水层相伴而生。由于透水性差，淤泥一般被界定为隔水层或弱透水层，但淤泥富水(初始含水量高达75％以上)，在上覆地层压力的作用下，大量孔隙水会被压出而进入孔隙较大的沉积物(即相邻含水层)中。认识淤泥释水固结为粘土隔水层(或粘土透镜体)过程对含水层水量和水质的贡献并揭示其影响机理，可能成为开启水文地质研究新领域的突破点和敲门砖。
然而，淤泥埋藏演化过程十分漫长，在自然界很难观察到这一完整过程。随着各种增温增压仪器的不断涌现，以及原位监测技术的快速发展，利用室内增温增压技术来模拟泥质沉积物的埋藏演化过程成为可能。
目前，有机质生烃模拟、成岩模拟和生物气模拟等方面的实验研究都已从不同角度对淤泥埋藏演化过程进行了室内模拟。然而，精确认识淤泥释水固结为粘土隔水层(或粘土透镜体)过程对含水层水量和水质的贡献，需全方位考虑此过程中孔隙水、矿物、微生物、气体等要素的演化，因此，在借鉴有机质生烃模拟、成岩模拟和生物气模拟实践经验的基础上，需要对其进行拓展，即综合考虑水-矿物-气体-微生物演化的泥质沉积物埋藏演化过程模拟。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法，以淤泥为实验起点，在制定合理增温增压方案的基础上，运用现代先进的原位监测技术，并配合自动化技术，动态监测实验过程中水、矿、气、有机质和微生物指标的变化规律，不仅可以在实验室有限时间内重溯泥质沉积物埋藏演化这一漫长的地质过程，更重要的是可通过模拟过程中各指标的变化规律来揭示演化过程中的水-矿-气-微生物相互作用机理，建立相应的作用模型，从而定量评价淤泥释水固结为粘土隔水层(或粘土透镜体)过程对含水层水量和水质的贡献。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法，包括以下步骤：
(1)实验装置装配：装配2个以上实验装置，每个实验装置包括伺服加压装置、压力室和气液收集装置，所述伺服加压装置包括安装有减速器的伺服电机，所述减速器通过丝杠与压力传感器连接，所述伺服电机与PC机或单片机连接；所述压力室上端设有与伺服电机连接的密封施压部件，压力室的下端设有密封部件，压力室的内部置有用于填充样品的样品室，样品室内从上到下依次放置有滤膜和聚四氟乙烯滤网，样品室的下端设有倒圆台形排水槽，排水头连接有螺纹接头，螺纹接头穿过压力室下端的密封部件与气液收集装置通过毛细管连通，压力室的侧壁内设有用于填充液体介质的通过热电偶加热的加热室，所述热电偶的接线穿过压力室的外壁接出并与温控加热装置连接，压力室的侧壁设有连通压力室外和样品室的一组探测孔口，各探测孔口设有电子探针，压力室的外壁设有保温层，压力室内设有无线温度传感器；所述气液收集装置包括与螺纹接头连接的毛细管，所述毛细管上安装有压力表、流体流量控制器以及重力式气液分离器，所述重力式气液分离器的入口与毛细管连通，重力式气液分离器的出气孔和出液孔与气体-液体收集装置连通；气体-液体收集装置连接有气体监测装置和液体监测装置，压力室外设置有CT；
(2)样品采集：选定自然水体底部作为淤泥采样点，分别实施钻探，采集表面淤泥，并在深部粘土层的不同深度采集沉积物样品，将表面淤泥淤泥分为2组以上，作为2组以上对比实验样品，将深部粘土层的各深度采集的沉积物样品，作为2组以上天然地质样品，每组天然地质样品对应一个深度采集的沉积物样品；所述自然水体底部为海底、湖底和河底中的一种；
(3)样品初测：对每组对比实验样品和天然地质样品进行孔隙结构、孔隙水、矿物、有机物和微生物指标定量表征；
(4)样品制备：将每组对比实验样品冷冻密封保存，并使每组天然地质样品均与样品室的尺寸匹配；
(5)样品装填：将每组对比实验样品的外层刮去，分别放置于一个实验装置的样品室中，在各实验装置的样品室中分别加入酸性溶液、碱性溶液和有机碳中的一种或一种以上的混合物，以模拟不同地质背景条件下泥质沉积物埋藏过程中地球化学演化的差异；
(6)增温增压：对于每一个实验装置，利用其温控加热装置对样品室升温，利用伺服加压装置对样品室加压；
(7)液体、气体收集：对于每个实验装置，将样品室中产生的气体和液体通过毛细管导入重力式气液分离器，分离后的气体和液体进入气体-液体收集装置；
(8)在线监测图像和数据：对于每个实验装置，利用电子探针实时监测对比实验样品的矿物化学成分、矿物表面形貌和部分微生物类型，利用无线温度传感器实时监测对比实验样品的温度，利用压力表实时监测对比实验样品的压力，利用气体监测装置实时监测对比实验样品的气体元素组成、气体成分和气体含量，利用液体监测装置实时监测对比实验样品的液体流量、电导率、溶解氧、离子组分与含量、元素组分与含量、氧化还原电位和PH，并根据液体流量计算含水率，利用CT实时监测对比实验样品的孔隙结构，将上述图像和数据采集和存储；
(9)检测固体样品数据：对于每组对比实验样品，取样品室中留存的固体淤泥，利用TOC分析仪对对比实验样品的总有机碳含量进行测定，通过宏基因组测序，获得对比实验样品的微生物群落结构；
(10)将步骤(8)和步骤(9)获得的图像、数据及固体样品数据与5组天然地质样品对比，以重现淤泥的地质演化过程。
步骤(1)装配的每个实验装置中，气体-液体收集装置包括气囊、集气袋、滴定装置和集液瓶，重力式气液分离器的出气孔通过气囊与集气袋连通，重力式气液分离器的出液口通过滴定装置与集液瓶连通，滴定装置上安装有液体流量控制器。
所述气体监测装置和液体监测装置均采用光谱仪。
所述样品室的室壁采用哈氏合金，样品室的内壁和外壁均标有刻度。
每组对比实验样品均选择有代表性的淤泥样品，含水量为60％以上，有机质含量为2％～12％。
步骤(6)中，利用实验装置的温控加热装置对样品室升温，利用伺服加压装置对样品室加压的过程中，先对温控加热装置进行预热，再按梯度设置升温周期、加压周期、终止温度以及终止压力。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明的泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法采用的实验装置设置有加压装置、利用加压装置加压的压力室以及气液收集装置，压力室内除了设置用于放置样品的样品室，还设置有加热室和探测孔口，能够完成样品装填和增温增压等一系列过程，能够实现多温压环境控制；并且加压装置的伺服电机安装有压力传感器，压力室内安装有温度传感器，压力传感器和温度传感器均与PC机连接，为自动化控制提供硬件基础；整个实验装置针对泥质沉积物设计，对不同温压作用下的样品采集设置了气液分离系统，该系统通过毛细管将温压作用后的样品导入，进而通过气液分离装置分离采集和检测，能够监测淤泥样品的孔隙结构、矿物化学成分与表面形貌、温度与压力变化情况、含水率、孔隙水的各项指标以及气体的各项指标；该装置能够较为真实的模拟地质演化过程，并能充分考虑泥质沉积物(或土壤)在不同环境因素下的地质演化过程；能够利用PC机对整个过程进行精确控制，能使增温增压实现接近线性的变化趋势；能够保证在长时间下进行试验；能够实时动态监测模拟过程中的物理与化学变化情况；能够测量多项参数：动态监测不同温度不同压力下的沉积物含水率变化、矿物成分变化、孔隙水的各项指标变化以及气体的各项指标变化等；
(2)本发明的泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法结合伺服控制技术、电子探针技术、CT实时扫描技术和集成传感器等先进技术开展泥质沉积物孔隙结构、孔隙水的含量及化学组成、有机质的含量及类型、矿物组成与元素组成、微生物群落结构与功能、气体的含量及组成等研究，形成一套模拟泥质沉积物埋藏演化的技术，能够研究泥质沉积物埋藏演化的整个过程和规律，此外，在对比实验中加入酸性、碱性溶液或有机碳等物质改变环境背景条件，旨在模拟不同地质背景条件下，泥质沉积物埋藏过程中地球化学演化的差异。
附图说明
图1是本发明整体实验系统示意图。
图2为伺服加压装置原理图。
图3为实验装置装配示意图。
图4为实际地质过程尺度上温度-压力-时间示意图。
图5为室内实验尺度上温度-压力-时间示意图。
图中，1-伺服加压装置，1-1-PC机，1-2-伺服电机，1-3减速器，1-4-丝杠，1-5-压力传感器，2-压力室，2-1-密封施压部件，2-2-保温层，2-3-热电偶，2-4-探测孔口，2-5-加热室，2-6-样品室，2-7-滤膜，2-8-密封部件，2-9-排水槽，2-10-螺纹接头，3-气液收集装置，3-1-毛细管，3-2-压力表，3-3-流体流量控制器，3-4-重力式气液分离器，3-5-气囊，3-6-集气袋，3-7-液体流量控制器，3-8-滴定装置，3-9-集液瓶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1、图2和图3，本发明提供了一种泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法，包括以下步骤：
(1)实验装置装配：装配2个以上实验装置，每个实验装置包括伺服加压装置1、压力室2和气液收集装置3，所述伺服加压装置1包括安装有减速器1-3的伺服电机1-2，所述减速器1-3通过丝杠1-4与压力传感器1-5连接，所述伺服电机与PC机1-1或单片机连接；所述压力室2上端设有与伺服电机1-2连接的密封施压部件2-1，压力室2的下端设有密封部件2-8，压力室2的内部置有用于填充样品的样品室2-6，样品室2-6内从上到下依次放置有滤膜2-7和聚四氟乙烯滤网，样品室2-6的下端设有倒圆台形排水槽2-9，排水头连接有螺纹接头2-10，螺纹接头2-10穿过压力室2下端的密封部件2-8与气液收集装置3通过毛细管3-1连通，压力室2的侧壁内设有用于填充液体介质的通过热电偶2-3加热的加热室2-5，所述热电偶2-3的接线穿过压力室2的外壁接出并与温控加热装置连接，压力室的侧壁设有连通压力室2外和样品室2-6的一组探测孔口2-4，各探测孔口2-4设有电子探针，压力室2的外壁设有保温层2-2，压力室2内设有无线温度传感器；所述气液收集装置3包括与螺纹接头2-10连接的毛细管3-1，所述毛细管3-1上安装有压力表3-2、流体流量控制器3-3以及重力式气液分离器3-4，所述重力式气液分离器3-4的入口与毛细管3-1连通，重力式气液分离器的出气孔和出液孔与气体-液体收集装置连通；气体-液体收集装置连接有气体监测装置和液体监测装置，压力室外设置有CT；气体-液体收集装置可以包括气囊3-5、集气袋3-6、滴定装置3-8和集液瓶3-9，重力式气液分离器3-4的出气孔通过气囊3-5与集气袋3-6连通，重力式气液分离器3-4的出液口通过滴定装置3-8与集液瓶3-9连通，滴定装置3-8上安装有液体流量控制器3-7；所述无线温度传感器和压力表为稳压传感装置，CT、电子探针、温压传感装置、流体流量控制器、气体监测装置和液体监测装置均可以与数据采集计算及控制装置连接；
(2)样品采集：选定自然水体底部作为淤泥采样点，分别实施钻探，采集表面淤泥，并在深部粘土层的不同深度采集沉积物样品，将表面淤泥淤泥分为2组以上，作为2组以上对比实验样品，将深部粘土层的各深度采集的沉积物样品，作为2组以上天然地质样品，每组天然地质样品对应一个深度采集的沉积物样品；所述自然水体底部为海底、湖底和河底中的一种；
(3)样品初测：对每组对比实验样品和天然地质样品进行孔隙结构、孔隙水、矿物、有机物和微生物指标定量表征；
(4)样品制备：将每组对比实验样品冷冻密封保存，并使每组天然地质样品均与样品室的尺寸匹配；
(5)样品装填：将每组对比实验样品的外层刮去，分别放置于一个实验装置的样品室中，在各实验装置的样品室中分别加入酸性溶液、碱性溶液和有机碳中的一种或一种以上的混合物，以模拟不同地质背景条件下泥质沉积物埋藏过程中地球化学演化的差异；
(6)增温增压：对于每一个实验装置，利用其温控加热装置对样品室升温，利用伺服加压装置对样品室加压；
(7)液体、气体收集：对于每个实验装置，将样品室中产生的气体和液体通过毛细管导入重力式气液分离器，分离后的气体和液体进入气体-液体收集装置；
(8)在线监测图像和数据：对于每个实验装置，利用电子探针实时监测对比实验样品的矿物化学成分、矿物表面形貌和部分微生物类型，利用无线温度传感器实时监测对比实验样品的温度，利用压力表实时监测对比实验样品的压力，利用气体监测装置实时监测对比实验样品的气体元素组成、气体成分和气体含量，利用液体监测装置实时监测对比实验样品的液体流量、电导率、溶解氧、离子组分与含量、元素组分与含量、氧化还原电位和PH，并根据液体流量计算含水率，利用CT实时监测对比实验样品的孔隙结构，将上述图像和数据采集和存储；
(9)检测固体样品数据：对于每组对比实验样品，取样品室中留存的固体淤泥，利用TOC分析仪对对比实验样品的总有机碳含量进行测定，通过宏基因组测序，获得对比实验样品的微生物群落结构；
(10)将步骤(8)和步骤(9)获得的图像、数据及固体样品数据与5组天然地质样品对比，以重现淤泥的地质演化过程。
根据实验目的不同，例如制定接近天然地质条件的淤泥增温增压方案、动态监测淤泥埋藏演化过程中的理化生指标变化、评价不同环境因素对淤泥埋藏过程中生物地球化学演化的影响等，可以选取主要指标和次要指标，对比分析实验和天然样品的指标的数据。
所述气体监测装置和液体监测装置均采用光谱仪。
所述样品室的室壁采用哈氏合金，样品室的内壁和外壁均标有刻度。
每组对比实验样品均选择有代表性的淤泥样品，含水量为60％以上，有机质含量为2％～12％。
步骤(6)中，利用实验装置的温控加热装置对样品室升温，利用伺服加压装置对样品室加压的过程中，先对温控加热装置进行预热，再按梯度设置升温周期、加压周期、终止温度以及终止压力。
模拟实验结束后，对实验数据进行整理分析，即可得到图5所示的室内实验尺度上温度-压力-时间示意图，进而模拟出实际地质过程尺度上温度-压力-时间示意图，如图4所示。
Claims (6)
1.一种泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)实验装置装配：装配2个以上实验装置，每个实验装置包括伺服加压装置、压力室和气液收集装置，所述伺服加压装置包括安装有减速器的伺服电机，所述减速器通过丝杠与压力传感器连接，所述伺服电机与PC机或单片机连接；所述压力室上端设有与伺服电机连接的密封施压部件，压力室的下端设有密封部件，压力室的内部置有用于填充样品的样品室，样品室内从上到下依次放置有滤膜和聚四氟乙烯滤网，样品室的下端设有倒圆台形排水槽，排水头连接有螺纹接头，螺纹接头穿过压力室下端的密封部件与气液收集装置通过毛细管连通，压力室的侧壁内设有用于填充液体介质的通过热电偶加热的加热室，所述热电偶的接线穿过压力室的外壁接出并与温控加热装置连接，压力室的侧壁设有连通压力室外和样品室的一组探测孔口，各探测孔口设有电子探针，压力室的外壁设有保温层，压力室内设有无线温度传感器；所述气液收集装置包括与螺纹接头连接的毛细管，所述毛细管上安装有压力表、流体流量控制器以及重力式气液分离器，所述重力式气液分离器的入口与毛细管连通，重力式气液分离器的出气孔和出液孔与气体-液体收集装置连通；气体-液体收集装置连接有气体监测装置和液体监测装置，压力室外设置有CT；
(2)样品采集：选定自然水体底部作为淤泥采样点，分别实施钻探，采集表面淤泥，并在深部粘土层的不同深度采集沉积物样品，将表面淤泥淤泥分为2组以上，作为2组以上对比实验样品，将深部粘土层的各深度采集的沉积物样品，作为2组以上天然地质样品，每组天然地质样品对应一个深度采集的沉积物样品；所述自然水体底部为海底、湖底和河底中的一种；
(3)样品初测：对每组对比实验样品和天然地质样品进行孔隙结构、孔隙水、矿物、有机物和微生物指标定量表征；
(4)样品制备：将每组对比实验样品冷冻密封保存，并使每组天然地质样品均与样品室的尺寸匹配；
(5)样品装填：将每组对比实验样品的外层刮去，分别放置于一个实验装置的样品室中，在各实验装置的样品室中分别加入酸性溶液、碱性溶液和有机碳中的一种或一种以上的混合物，以模拟不同地质背景条件下泥质沉积物埋藏过程中地球化学演化的差异；
(6)增温增压：对于每一个实验装置，利用其温控加热装置对样品室升温，利用伺服加压装置对样品室加压；
(7)液体、气体收集：对于每个实验装置，将样品室中产生的气体和液体通过毛细管导入重力式气液分离器，分离后的气体和液体进入气体-液体收集装置；
(8)在线监测图像和数据：对于每个实验装置，利用电子探针实时监测对比实验样品的矿物化学成分、矿物表面形貌和部分微生物类型，利用无线温度传感器实时监测对比实验样品的温度，利用压力表实时监测对比实验样品的压力，利用气体监测装置实时监测对比实验样品的气体元素组成、气体成分和气体含量，利用液体监测装置实时监测对比实验样品的液体流量、电导率和PH，并根据液体流量计算含水率，利用CT实时监测对比实验样品的孔隙结构，将上述图像和数据采集和存储；
(9)检测固体样品数据：对于每组对比实验样品，取样品室中留存的固体淤泥，利用TOC分析仪对对比实验样品的总有机碳含量进行测定，通过宏基因组测序，获得对比实验样品的微生物群落结构；
(10)将步骤(8)和步骤(9)获得的图像、数据及固体样品数据与5组天然地质样品对比，以重现淤泥的地质演化过程。
2.根据权利要求1所述泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法，其特征在于：步骤(1)装配的每个实验装置中，气体-液体收集装置包括气囊、集气袋、滴定装置和集液瓶，重力式气液分离器的出气孔通过气囊与集气袋连通，重力式气液分离器的出液口通过滴定装置与集液瓶连通，滴定装置上安装有液体流量控制器。
3.根据权利要求1所述泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法，其特征在于：所述气体监测装置和液体监测装置均采用光谱仪。
4.根据权利要求1所述泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法，其特征在于：所述样品室的室壁采用哈氏合金，样品室的内壁和外壁均标有刻度。
5.根据权利要求1所述泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法，其特征在于：每组对比实验样品均选择有代表性的淤泥样品，含水量为60％以上，有机质含量为2％～12％。
6.根据权利要求1所述泥质沉积物埋藏演化过程的模拟方法，其特征在于：步骤(6)中，利用实验装置的温控加热装置对样品室升温，利用伺服加压装置对样品室加压的过程中，先对温控加热装置进行预热，再按梯度设置升温周期、加压周期、终止温度以及终止压力。
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