在CO₂地质封存中，深部咸水层是最具潜力的地下空间。在我国东部的中、新生代盆地中，广泛分布孔渗性良好的咸水层，具有较大的CO₂封存潜力。CO₂咸水层封存研究中，咸水层在区域尺度上的横向与纵向封闭性是关键科学问题。陆相咸水层非均一性强，受后期构造运动的影响，地质条件十分复杂。目前，对于区域性咸水层密封性的研究还很不够。

地质地球所工程地质与水资源研究室博士生杨峰田与导师庞忠和研究员等在国家“863计划”重点项目课题资助下，以渤海湾盆地为例，选择天津地区的沧县隆起、冀中凹陷和黄骅凹陷等构造单元中的明化镇组、馆陶组等咸水层系统，开展了水文地质过程研究，重点应用水化学和同位素方法（δ¹⁸O、δ²H、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、δ¹³C、¹⁴C），研究了咸水层的区域性封闭性问题。

他们的研究结果表明，在水平方向上，新近系咸水层属于半封闭系统。由于沧县隆起区新近系较薄，而碳酸盐咸水层水循环快，封闭性差，均不适宜封存CO₂。相反，冀中、黄骅凹陷中新近系地层较厚，水循环较慢，故沧县隆起两侧的凹陷区咸水层更适宜于封存CO₂。在垂直方向上，天津地区前新生代咸水层，包括蓟县系雾迷山组、寒武系和奥陶系碳酸盐岩之间的水力联系密切，而新近系馆陶组和明化镇组砂岩咸水层之间水力联系不密切。区内发育的沧东、海河和白塘口断裂等均为导水断裂（图1），易于连通不同的咸水层。在沧县隆起区，由于这些断裂的导通，前新生代咸水层中地下水可上涌至新近系咸水层，因而垂向水力联系比较强。上述认识也得到了稳定同位素⁸⁷Sr/⁸⁶Sr（图2）和地下水¹⁴C年龄的有力佐证，在断裂带附近的水样，由于混合作用，氘表现为前新生代咸水层地下水年龄较新（5.7~18.2 ka），循环较快；而新近系地下水年龄较老（8.4~24.0 ka），循环较慢。其中，明化镇组咸水年龄较其下伏馆陶组咸水为老，循环更慢。这项研究还表明，咸水的水化学和同位素组成特征是其天然标记，可作为识别咸水通过盖层发生穿层流动的有力证据，从而为咸水层区域封闭性评价提供依据。

图1  天津地区咸水层穿层流示意图。F2: 沧东断裂; F4: 白塘口断裂; F6: 海河断裂。

 图2  天津地区主要断裂附近咸水样品⁸⁷Sr/⁸⁶Sr–1/Sr混合关系图

前新生代碳酸盐岩地层咸水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值多高于0.710，新近系砂岩地层咸水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值低于0.710。断裂附近，前新生代和新近系地层咸水发生混合，指示断裂附近穿层流的存在。

该研究成果近期发表在国际地球化学专业杂志Applied Geochemistry上（Yang et al. Hydrogeochemical and isotopic evidence for trans-formational flow in a sedimentary basin: Implications for CO₂ storage. Applied Geochemistry, 2013, 30: 4-15）。

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