遗留造纸厂污泥的渗滤作用通过河流沉积物的胶结作用引发了岩石化过程

《Anthropocene》：Leaching of legacy paper mill sludge induces lithification by cementation of fluvial sediment

本研究探讨苏格兰某河床因毗邻纸厂污泥（PMS）中钙离子淋溶导致沉积物压实胶结成人工conglomerate岩石的过程。通过扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDX）和X射线衍射（XRD）验证钙碳酸盐胶结，稳定同位素分析显示约40%碳源来自大气CO?，60%为岩源。该过程以地表短时尺度（数十年）模拟自然地质作用（数百万年），揭示人类活动对沉积系统的影响及潜在环境管理应用。

　　

Md Jahangir Alam | John M. MacDonald

格拉斯哥大学地理与地球科学学院，英国格拉斯哥 G12 8RZ

摘要

本研究探讨了由于邻近造纸厂污泥（PMS）沉积物中的钙离子渗出导致天然河流沉积物岩化而形成的人为砾岩过程。研究重点关注苏格兰Penicuik附近的一个地区，该地区历史上的造纸厂活动产生了富含钙的废弃物。实地观察发现，在PMS堆下方河床上存在经过岩化的沉积物，其中的天然碎屑被碳酸钙（CaCO?）胶结。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）进行的微观结构分析确认，胶结物质主要是方解石。X射线衍射（XRD）分析进一步验证了矿物组成，显示了方解石丰富的胶结现象。稳定同位素分析（δ13C和δ1?O）表明碳源混合，约40%来自大气中的CO?，60%来自岩石生成过程。这些发现表明，从PMS中渗出的Ca2?离子溶解到孔隙水中，然后向下迁移至河流沉积物中，促进了方解石的沉淀，并将沉积物颗粒结合成致密结构。这种人为形成的砾岩挑战了传统的沉积岩分类方法，对废物管理、污染物固定和局部碳封存具有重要意义。这种人为岩化过程与自然碎屑沉积岩的形成类似，但发生在地球表面且时间尺度较短。研究结果突显了工业废弃物与天然沉积物之间的地球化学相互作用，强调了人类活动对沉积系统的影响，弥合了自然地质与人为地质之间的差距。

引言

传统上，碎屑沉积岩的形成归因于自然地质过程，包括风化、侵蚀、搬运以及随后的沉积，随后在地质时间尺度上发生压实和胶结（Boggs, 2009; Folk, 1980; Johnsson, 1993; Kalinin et al., 2021; Lerman and Meybeck, 2012; Pettijohn, 1975; Stallard, 1988）。在胶结过程中，各种胶结物质将沉积物碎屑结合在一起，其中方解石（CaCO?）是最常见的胶结类型，尤其是在富含碳酸盐的沉积环境中（Wright & Tucker, 1990）。方解石胶结在沉积岩成岩过程中起着重要作用，通过沉积后发生的多种地球化学过程使沉积物稳定并结合成致密的岩石体（Wright & Tucker, 1990）。方解石可能来源于多种途径，包括现有碳酸盐矿物（如石灰岩和贝壳碎片）的溶解和重新沉淀（Burley and Worden, 2009; Morse et al., 2007; Worden and Burley, 2003），以及含碳酸钙的海洋生物的生物化学降解（Deocampo, 2010; Morse et al., 2007; Palmer and Wilson, 2004）。此外，孔隙空间中方解石的沉淀通常是由水化学变化引起的，这些变化导致碳酸钙过饱和（Hanshaw & Back, 1979），例如碱度增加或CO?压力降低（后者可能由有机物分解引起），或者与埋藏深度相关的温度和压力变化（Moore and Wade, 2013; Turley et al., 2004）。在这些条件下，碳酸钙的溶解度降低，从而在沉积物的孔隙空间中结晶（Moore & Wade, 2013）。这一过程涵盖了从温度和压力相对较低的浅层埋藏环境到压实作用增强的深层埋藏环境（Bathurst, 1974; Scholle and Halley, 1969）。这种方解石胶结的成岩过程显著促进了沉积岩的形成，最终将松散的沉积物转化为稳定的岩石结构。

最近的研究发现，由于人为过程和/或物质的作用，地球表面可以快速形成类似碎屑的沉积岩。有文献记录显示，富含钙的工业副产品（如矿渣）的化学分解会导致方解石胶结物的原位形成，将之前松散的颗粒胶结成较大的岩石状物质（MacDonald et al., 2023a）。许多工业副产品含有高浓度的钙，当这些物质溶解并渗出后，可以引发方解石胶结：例如，火法冶金矿石加工产生的矿渣含有硅酸钙（Ca?SiO?）和氢氧化钙（CaOH，Piatak et al., 2015）；水泥窑粉尘和造纸工业副产品含有碳酸钙（Huntzinger et al., 2009; Kunal et al., 2012; Pérez-López et al., 2008）；农业废弃物产生硫酸钙（CaSO?，Yadav et al., 2021）；煤炭燃烧产生的飞灰含有氧化钙（CaO，Catalfamo et al., 1997; Thomas et al., 1999）。

当水渗透到这些工业副产品中时，会开始钙离子（Ca2?）的渗出过程，这些离子从富含钙的相（如Ca?SiO?、CaCO?、CaSO?和CaO）中溶解出来。溶解后的Ca2?离子在多孔的废弃物中迁移，遇到化学条件的变化，特别是pH值和碳酸盐物种浓度的变化，这些变化受到其他废弃物成分相互作用或大气中CO?的影响（Mayes et al., 2018; Pullin et al., 2019）。这些化学变化创造了有利于碳酸钙（CaCO?）沉淀的条件。沉淀出的CaCO?在颗粒间的孔隙空间中形成胶结物，促进了工业副产品松散碎屑沉积物的稳定化和岩化（MacDonald et al., 2023a）。

工业废弃物的这种人为岩化不仅稳定了这些物质，还模仿了自然岩化过程，形成了具有潜在建筑和环境管理应用的耐用岩石状结构（MacDonald et al., 2023a）。这突显了人类活动对地质物质形成和改变的日益显著影响。这些效应在传统沉积学中常常被忽视，揭示了人类行为改变沉积系统的新方式。因此，需要重新审视沉积学概念，以更好地解释这些人为变化带来的复杂性。

在自然沉积环境中，通过方解石胶结的岩化通常发生在数千到数百万年的地质时间尺度上，由埋藏和成岩过程驱动（Bathurst, 1974; Moore and Wade, 2013）。相比之下，涉及富含钙的工业副产品的人为过程可以在几年到几十年的时间内在表面条件下引发方解石沉淀和岩化（MacDonald et al., 2023a）。这种时间尺度的显著差异凸显了地球表面人为地球化学过程的加速性质。MacDonald等人（2023a）的研究记录了由人工材料（如矿渣）构成的人为碎屑沉积岩的形成。在这项研究中，我们确定了这种新型人工碎屑沉积岩的岩化机制和驱动因素——即由于邻近历史上的富含钙的造纸厂污泥（PMS）堆的存在而使天然河流沉积物岩化。本研究具体探讨了这样一个问题：PMS中的钙离子渗出如何影响地球表面河流沉积物的地球化学和矿物学过程，从而导致岩化？为了回答这个问题，我们重点研究了胶结河流沉积物的微观结构、矿物组成和化学性质，以识别方解石胶结过程中发生的转变。通过阐明这一机制，研究为人类对沉积过程的影响提供了新的见解，并强调了其在废物管理、污染物固定和局部碳封存方面的意义。

地点与样品制备

本研究关注的岩石位于苏格兰Midlothian地区Penicuik镇附近的一条小溪中，这条小溪最终汇入North Esk河（图1a）。历史地图显示，一个与前造纸厂Dalmore Paper Mill相关的废弃物区域直接位于溪流的西侧（图1b）（坐标：55.840956°N, 3.192858°W）。实地调查确认历史地图所示的废弃物确实是PMS。在2004年关闭之前，Dalmore Paper Mill……

扫描电子显微镜（SEM）

对收集到的两个薄片多个区域进行SEM分析，揭示了一致的微观结构和元素分布。从这些样品中获得了四张大面积背散射电子（BSE）图像和相应的能量色散X射线（EDX）图谱，以详细表征其微观结构和成分特征。其中，两组代表性的BSE图像和EDX图谱分别展示在图3和图4中。

岩化机制

历史地图显示，研究区域内的溪流西岸是历史上的Dalmore Paper Mill产生的PMS的沉积区。实地调查发现，溪流边缘存在硬化的砾石沉积物（砾岩），表明沉积物随时间发生了岩化，而溪流床上的松散沉积物则表明仍在发生河流搬运和沉积。视觉观察以及SEM-BSE成像和EDX绘图（图3、图4）显示……

结论

本研究记录了由于邻近富含钙的PMS沉积物中的钙离子渗出，在河流沉积物中形成了方解石胶结物，从而形成了人为砾岩。SEM-BSE成像显示，该砾岩主要由河流搬运和沉积的天然岩石碎片组成，包括砂岩、泥岩和富含铁的碎屑，其中含有大量的石英颗粒。EDX绘图显示，这些碎片被富含钙的相胶结，没有其他显著的……

未引用的参考文献

(MacDonald et al. (2023))

CRediT作者贡献声明

Md Jahangir Alam：撰写初稿、验证、软件使用、资源获取、方法论设计、调查实施、数据分析、数据整理。John M. MacDonald：撰写审查与编辑、监督、方法论设计、调查实施、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢