综合柱状实验与反应传输建模技术，用于识别浅层花岗岩/片麻岩含水层中二氧化碳（CO?）泄漏的化学指标

《International Journal of Gynecological Cancer》：Integrated column experiments and reactive transport modeling for identifying chemical indicators of CO 2 leakage in a shallow granitic/gneissic aquifer

二氧化碳泄漏对浅层花岗岩/片麻岩含水层 geochemical 响应机制及时空演化规律研究，采用多组分 reactive transport 模拟结合实验室柱试验数据，揭示矿物溶解（斜长石、黑云母）和 gibbsite 沉淀是主要 geochemical 反应过程，量化了泄漏后 2.5 米范围内 geochemical 响应的时空特征，为监测策略优化提供理论支撑。

　　
韩国 Jeonbuk 国立大学地球与环境科学系及地球系统环境研究中心的研究团队近期针对碳捕获与封存（CCS）技术中浅层含水层二氧化碳泄漏的地球化学响应机制开展了系统性研究。该成果通过整合实验室试验与多组分反应传输模型，为二氧化碳地下封存的安全监测提供了理论支撑与技术方法参考。

研究聚焦于 Jeollabuk-do 省 Eu姆斯eng 地区环境效应测试设施（EIT）的 гранит-gneiss（花岗岩-片麻岩）含水层系统。该区域地质特征特殊，属于典型的火成岩-变质岩含水层，其矿物组成以长石类（微斜长石、斜长石）、角闪石（黑云母）和石英为主，缺乏碳酸盐矿物，这导致系统对二氧化碳泄漏的缓冲能力显著弱于碳酸盐岩含水层。研究团队通过 X 射线衍射（XRD）分析确认现场矿物组成，发现原生矿物包括石英、微斜长石、斜长石、白云母和角闪石，次生矿物则以水铝英石（gibbsite）、方解石和白云石为主。

实验室模拟采用双柱测试系统：Column A 进行了主动推拉试验，模拟二氧化碳渗漏的瞬态过程；Column B 通过自然梯度试验观察长期影响。研究发现，当二氧化碳饱和地下水接触含水层时，pH 值在注入后立即下降约1.5-2.0个单位，随后在48小时内逐渐回升。这种动态变化揭示了矿物溶解-沉淀的耦合作用，其中长石类矿物（尤其是斜长石和角闪石）的溶解占主导地位，导致钙、镁离子浓度在渗漏初期显著升高，而铝离子的浓度受水铝英石沉淀的快速调控。

基于多组分反应传输模型（MIN3P）的数值模拟显示，地球化学扰动主要局限于渗漏点下方2.5米深度范围内。在30天观测周期内，pH 值波动范围控制在5.2-6.8之间，与实验室测得的柱状试验数据高度吻合（误差范围<15%）。模拟特别揭示了两种矿物的作用机制：斜长石（Anorthite）的溶解贡献了约65%的初始钙离子增量，而白云母（Biotite）的分解则主导了镁离子的释放。这两种铝硅酸盐矿物的溶解速率受 pH 值影响显著，当pH <5.5时溶解速率提升3-5倍。

对于铝离子的迁移控制，模型显示水铝英石（gibbsite）的沉淀速率在渗漏后4小时内达到峰值，其沉淀量占初始铝污染量的82%。这种快速沉淀反应有效抑制了铝的迁移扩散，但同时也导致系统中铝的富集区域集中在渗漏点周边1米范围内。研究指出，当pH 下降至4.0以下时，石英开始出现微量溶解，但该过程对整体地球化学参数的影响可忽略不计。

时空分布特征方面，数值模拟与实验室观测数据表明：在推拉试验（Column A）中，pH 的衰减前沿以0.8-1.2 m/d的速度向含水层深处推进，而电导率（EC）的上升沿则滞后约12-18小时。这种时间差揭示了矿物表面反应的动力学过程——电导率的即时升高主要来自溶解矿物离子的释放，而后续的pH回升则与次生矿物沉淀的缓冲作用相关。

在自然梯度试验（Column B）中，模型预测的地球化学扰动范围比实际观测数据扩大约40%，这可能与地下水流动路径的不确定性有关。研究特别强调，在花岗岩-片麻岩含水层中，孔隙度变化（从8%到12%）对二氧化碳运移的影响系数可达0.35，这显著高于碳酸盐岩系统（系数约0.15）。这种差异导致在相同渗漏量下，火成岩含水层中阳离子浓度的增幅比碳酸盐岩系统高2-3倍。

监测策略优化方面，研究提出了"三阶段递进式监测"框架：初期（渗漏后24小时内）应重点监测周边50米范围内井点的pH、EC和总溶解固体（TDS）浓度；中期（24-72小时）需加密布设观测井，关注钙镁离子的空间分布特征；长期（72小时以上）则应建立动态模型，预测水铝英石沉淀前沿的移动规律。研究证实，在渗漏后第10天，采用改进型MIN3P模型可提前72小时预测到铝浓度峰值的出现位置。

在模型验证过程中，研究团队创新性地引入"动态校准"机制：根据现场地质条件的时空变化，将矿物表面反应速率常数（ksp）从传统模型的0.3×10?? m3/mol·s提升至0.65×10?? m3/mol·s，使模拟结果与实验室数据的吻合度从78%提升至93%。这种参数优化方法为其他地质系统的模型构建提供了重要启示。

研究还揭示了环境因素对矿物反应的调控作用。当地下水流速超过0.1 m/d时，长石类矿物的溶解速率降低约40%，这可能与流体剪切作用导致的矿物表面活化能变化有关。在渗漏点周边300米范围内，由于黏土矿物含量较高（约15%），其孔隙中的CO?分压可维持在5-8 MPa，这种局部高压环境促使白云母的分解反应持续进行。

研究团队特别关注了次生矿物沉淀的滞后效应。在 Column A 的推拉试验中，水铝英石沉淀达到稳态需要约120小时，而方解石沉淀的激活时间仅为28小时。这种差异导致铝离子在渗漏初期具有更强的迁移能力，但随后被快速沉淀所限制。模型预测显示，在渗漏后第30天，铝的迁移距离仅扩展至2.8米，而钙的扩散半径达到4.2米，这为不同离子的监测策略提供了理论依据。

对于监测技术优化，研究建议采用"多参数耦合"监测方法：将pH、EC、 alkalinity（碱度）和特定离子（Ca2?、Mg2?、Al3?）的浓度数据输入改进的 MIN3P 模型，可实现渗漏点定位精度提升至85%以上。在 EIT 设施的实地测试中，这种方法成功识别出3处潜在渗漏点，其中2处与地下水的运移路径吻合度超过90%。

该研究对实际工程具有三方面指导意义：首先，建议在渗漏高风险区（如断层带附近）布设间距小于50米的监测井阵列；其次，优化采样频率——在渗漏后72小时内需每12小时采样，之后可延长至24-48小时间隔；最后，推荐使用具备实时数据输入功能的动态模型，可将预测精度提升至75%以上。

研究还发现，当渗漏量超过设计容量的15%时，含水层矿物组分的组合将显著影响地球化学响应。例如，在石英含量超过40%的岩层中，EC 的增幅会降低约30%，而铝浓度增幅则增加25%。这种非线性响应关系提示，在建立监测模型时必须充分考虑当地矿物组合的变异特征。

在长期演化预测方面，研究团队通过蒙特卡洛模拟发现，在持续渗漏条件下，含水层碱性度（Alkalinity）将在180-240天后出现不可逆下降，此时若未及时采取封堵措施，可能导致含水层整体酸化。这一发现为 CCS 系统的长期监测和工程安全评估提供了关键时间节点参考。

总体而言，本研究通过实验与模拟的深度融合，不仅揭示了火成岩含水层中矿物溶解-沉淀的动力学机制，更建立了可推广的监测模型优化框架。其成果对国际 CCS 示范项目（如美国 Fortune Valley 场、加拿大 NEB 站点）的现场监测具有直接借鉴价值，特别是针对浅层含水层（埋深<500米）的酸性化预警和渗漏定位技术。该研究方法论的突破，为地下封存系统的全生命周期风险管理提供了新的技术路径。