硼 (δ11B)、鍶 (87Sr/86Sr)、鋰 (δ7Li)等同位素常被用于示蹤水溶組分的來源與演化。例如，海水及其衍生鹵水的δ11B值較高（通常40‰–60‰），相比之下，巖石（通常<30‰）和生活廢水（0‰–13‰）δ11B值較低。與此類似，海相碳酸鹽87Sr/86Sr 值較低（通常小于0.709），而大陸硅酸鹽溶解的87Sr/86Sr值較高（溶解過程87Sr/86Sr分餾不明顯）。在含有粘土礦物的水-巖體系中，吸附-解吸附作用（吸附-解吸附和離子交換具有很多共同特征，在自然界中很難單獨(dú)出現(xiàn)，因此通常被一起考慮）可能會(huì)影響這些溶質(zhì)同位素的示蹤。然而吸附-解吸附作用速度快（幾分鐘到幾小時(shí)），而地下水流速一般較慢，吸附-解吸附作用在野外樣品中不易被觀測(cè)或定量化。此外，粘土礦物的吸附態(tài)（可交換態(tài)）特征不明，導(dǎo)致吸附-解吸附作用對(duì)這些溶質(zhì)同位素的影響機(jī)理認(rèn)識(shí)不清，在實(shí)際應(yīng)用中也無法考慮。 針對(duì)上述問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所頁巖氣與地質(zhì)工程院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃天明研究員(第8批會(huì)員)、利振彬博士、龐忠和研究員等人利用頁巖氣水力壓裂的返排液中溶質(zhì)同位素組成的短期變化探討了粘土吸附-解吸附作用對(duì)幾種特定同位素的影響。返排液的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）粘土礦物含量較高，吸附-解析作用可能比較顯著；（2）壓裂段的巖性較為均一，吸附態(tài)組成易于確定；（3）由于水力壓裂的時(shí)間較短，可排除硅酸鹽溶解作用的干擾。對(duì)可能影響水巖相互作用的頁巖各個(gè)形態(tài)組成，采用順序提取法確定壓裂段頁巖樣品水溶性、可交換性（吸附態(tài)）和碳酸鹽等三種形態(tài)的相關(guān)元素含量及同位素組成（圖1），同時(shí)結(jié)合相匹配的室內(nèi)水巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)和野外采用無添加劑的清水的水力壓裂試驗(yàn)，對(duì)返排液進(jìn)行高頻率采樣，研究了吸附-解吸附作用對(duì)返排液溶質(zhì)含量和同位素組成的影響。 
圖1 頁巖樣品中不同形態(tài)（水溶性、可交換態(tài)和碳酸鹽）B、Sr、Li含量及同位素組成 返排液是由壓裂水和頁巖地層水以不同比例組成，在返排初期主要由壓裂水組成，后期主要由地層水組成。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吸附-解吸附作用是控制初期返排液B、Sr、Li含量和同位素組成的關(guān)鍵因素，而碳酸鹽的溶解作用貢獻(xiàn)率小于16%。由于壓裂水和地層水之間的混合，如圖2所示的混合線，粘土礦物中的B被解吸到返排液中，使得返排液的B含量增加，其同位素δ11B值降低，代表了δ11B相對(duì)較低的可交換B。對(duì)于Sr而言，含量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，這主要是由于發(fā)生了吸附作用（即水中Sr、Ca等被吸附到粘土礦物表面，同時(shí)原被吸附的Na、K、Li等被解吸附到水中）。然而室內(nèi)水巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明在吸附過程中87Sr/86Sr值幾乎不變，意味著吸附作用僅僅使得返排液Sr含量減少。而返排液87Sr/86Sr值的增加（圖2），則是由于返排液中溶解態(tài)Sr與頁巖吸附態(tài)Sr（87Sr/86Sr=0.71803）同位素再平衡所導(dǎo)致。相匹配的室內(nèi)水巖實(shí)驗(yàn)也證實(shí)這一點(diǎn)。 
圖2 返排液B和Sr含量及同位素變化特征及機(jī)理（Li與B的機(jī)制類似） 該項(xiàng)研究表明吸附-解吸附作用顯著影響B(tài)、Sr等同位素的示蹤和水中Na來源解析。返排液Na含量增加、87Sr/86Sr比值增加，常被認(rèn)為是硅酸鹽的溶解（本研究頁巖樣品87Sr/86Sr=0.75402），而實(shí)際上是由吸附-解吸附作用導(dǎo)致的，因此忽視該作用則會(huì)高估硅酸鹽的溶解作用。全球大陸地表出露的巖石中，約33%為頁巖、16%為砂巖，同時(shí)大多數(shù)含水層含有粘土礦物，因此本研究對(duì)于同位素示蹤水巖相互作用以及解析特定離子的來源具有重要意義。 研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Hydrology（黃天明，利振彬，龍吟，張芬，龐忠和. Role of desorption-adsorption and ion exchange in isotopic and chemical (Li, B, and Sr) evolution of water following water–rock interaction [J]. Journal of Hydrology, 2022, 610: 127800. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2022.127800）。該成果受到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41877207、42141009、42172277）、第二次青藏科考項(xiàng)目（2019QZKK0904）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目（XDB10030603）和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等共同資助。 | 
