硼 (δ¹¹B)、鍶 (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)、鋰 (δ⁷Li)等同位素常被用于示蹤水溶組分的來(lái)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(lèi)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(guò)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出現，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(guān)測或定量化。此外，粘土礦物的吸附態(tài)（可交換態(tài)）特征不明，導致吸附-解吸附作用對這些溶質(zhì)同位素的影響機理認識不清，在實(shí)際應用中也無(wú)法考慮。 

　　針對上述問(wèn)題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程院重點(diǎn)實(shí)驗室黃天明研究員、利振彬博士、龐忠和研究員等人利用頁(yè)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(zhù)；（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。對可能影響水巖相互作用的頁(yè)巖各個(gè)形態(tài)組成，采用順序提取法確定壓裂段頁(yè)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)結合相匹配的室內水巖反應實(shí)驗和野外采用無(wú)添加劑的清水的水力壓裂試驗，對返排液進(jìn)行高頻率采樣，研究了吸附-解吸附作用對返排液溶質(zhì)含量和同位素組成的影響。 

圖1 頁(yè)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(yè)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。研究結果發(fā)現，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(xiàn)，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相對較低的可交換B。對于Sr而言，含量呈現減少趨勢，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）。然而室內水巖反應實(shí)驗表明在吸附過(guò)程中⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值幾乎不變，意味著(zhù)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(yè)巖吸附態(tài)Sr（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.71803）同位素再平衡所導致。相匹配的室內水巖實(shí)驗也證實(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理（Li與B的機制類(lèi)似）

　　該項研究表明吸附-解吸附作用顯著(zhù)影響B、Sr等同位素的示蹤和水中Na來(lái)源解析。返排液Na含量增加、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值增加，常被認為是硅酸鹽的溶解（本研究頁(yè)巖樣品⁸⁷Sr/⁸⁶Sr=0.75402），而實(shí)際上是由吸附-解吸附作用導致的，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(yè)巖、16%為砂巖，同時(shí)大多數含水層含有粘土礦物，因此本研究對于同位素示蹤水巖相互作用以及解析特定離子的來(lái)源具有重要意義。