2019, Vol. 49
2. 中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100;
3. 中国海洋大学山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 266100
地下咸水的存在严重影响了天然地下水的质量状态，限制了地下水的开发利用。尤其是沿海地区，海水入侵大幅度增加了地下咸水的范围和咸化程度，限制了当地居民用水和工农业发展[1]，国内外学者已用多种方法来研究沿海地区的地下咸水。通过对不同水体的主要水化学成分的分析，识别出不同水体的水化学类型及其形成作用[2-3]；用环境稳定同位素作为示踪剂，来研究地下咸水的来源[4]；还可以用水化学模拟的方法对地下水化学演化进行研究，进而揭示地下水的咸化过程[5]。不同方法揭示了沿海地区地下咸水的形成机制，不仅是由于和海水发生了混合作用而形成，还有以下三类形成作用：①溶解作用，包括水-岩相互作用和灌溉水的溶滤作用；②蒸发浓缩作用；③越流污染的混合作用[6-8]。地下咸水的形成复杂，需结合当地的地质、水文地质等条件进行具体研究。
大沽河水源地是青岛市主要供水源之一，由于上世纪80年代以来的地下水过量开采，李哥庄一带形成了面积约100 km2的地下漏斗[9]，导致胶州湾海水入侵地下水，下游沿岸地区形成了大面积咸水体。关于大沽河海水入侵相关研究集中在麻湾截渗墙以北的咸水体，主要研究了截渗墙以北地区的海水入侵范围、模型预测、防治措施等[10-12]，也有学者对入侵成因、机理[9, 13]进行研究。截渗墙以南地区的海水入侵更加严重，但对其地下咸水的相关研究甚少。且之前研究没有考虑到当地的古地理、地层等背景情况，故有必要对研究区地下咸水的盐分来源、成因进行系统全面研究。
本研究通过对大沽河下游地区不同水体的现场测定数据和水化学离子数据进行分析，来确定研究区内地下咸水的分布特征，识别盐分来源，进而揭示地下咸水的形成机理。
1 研究区概况研究区位于大沽河下游(见图 1)，地理坐标为120.10°E~120.20°E、36.27°N~36.38°N，北起南堤子-贾疃-小窑-郭家屋子一线，南至桃源河交叉口，南端距大沽河入海口约10 km，东、西到古河谷边缘。
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图 1 青岛市大沽河水源地及研究区位置示意图 Fig. 1 Locations of the Dagu River and study area in Qingdao |
研究区属于北温带季风气候，年平均气温为12.5 ℃。根据南村水文站的1951—2017年降水量监测资料显示，降水量年际变化比较大，年平均降水量为650.1 mm，最大、小年降水量分别为1 242.6 mm(1964年)和317.2 mm(1997年)；并且年内降水分配不均，多集中在6—9月(丰水期)，多年(1976—2017年)的丰水期平均降水量占全年降水量的71.58%(见图 2)。
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图 2 青岛市南村站降水量图 Fig. 2 The precipitation map of Nancun Station, Qingdao City |
研究区内地下水主要赋存于第四系冲积—冲洪积层下部的砂和砂砾石层[14]，含水层位于海相淤泥质沉积层之上，局部砂层被弱透水性的土层覆盖，水位较高时具有微承压性，是覆盖层较薄的潜水含水层。含水层沿大沽河呈条带状分布，含水层的两侧较中间而言厚度薄，且富水性和导水性差。研究区内存在着全新世海侵事件，根据前期的大沽河古河口湾内的钻孔资料和海相沉积物的14C测年数据[15-16]，全新世海侵是在胶州湾北部，顺原大沽河谷地入侵20 km以上。
2 样品采集与分析在研究区内共布设26个地下水监测点，监测点的位置分布如图 1。在2017年的枯水期(4月)、丰水期(8月)和平水期(10月)三个时期进行监测，共采集78个地下水样品，并于8月采集了2个大沽河河水样品和1个胶州湾海水样品。地下水样品取自灌溉水井和养殖用水井，采样深度主要集中在2~8 m，河水样品采自河流干流水面以下数厘米处。
现场采用高精度GPS仪测定采样点的经纬度和井的地面高程。在野外，使用美国YSI型多参数水质监测仪原位测量地下水的水温(T)、pH、电导率(EC)、矿化度(TDS)、溶解氧(DO)和氧化还原电位(ORP)。使用FFS-A型地下水取样器采集地下水，先用预采样品对采样瓶进行两次冲洗，之后再进行取样。采集的地下水通过0.22 μm滤膜进行过滤，后分别收集在250 mL的聚乙烯塑料瓶(测主要离子)和50 mL的棕色玻璃瓶(测Br-、I-)中，并密封后于0~4 ℃冷藏保存、待测。
按照DZ/T 0064-1993规定的地下水质检测方法，使用美国ICS-3000型离子色谱仪测量溶解性阳离子浓度(Na+、K+、Mg2+、Ca2+)和阴离子的浓度(Cl-、SO42-、NO3-)，采用滴定法测量HCO3-浓度，确保每个水样的主要阴、阳离子之间的电荷平衡误差小于10%。使用紫外-可见分光光度计，采用溴酚红比色法测量Br-，采用淀粉比色法来测量I-。监测得到的地下水化学数据，统计后如表 1所示，河水和海水的监测结果见表 2。
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表 1 研究区地下水水化学监测统计表 Table 1 The statistical table of groundwater hydrochemical monitoring in the study area |
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表 2 研究区内河水和海水的水化学组分监测结果 Table 2 Results of water chemical components of the river and sea water in the study area |
研究区地下水一般均无色、无嗅、无异味。pH值变化范围为6.23~9.74，平均值为7.46，大部分呈中性，少部分呈弱碱性。地下水取自潜水，DO含量较高，在0.20~11.25 mg/L范围内变化。不同位置、不同时期的ORP值表现出很大的差异，其值受水温、pH、DO及化学反应可逆性等多种因素影响，极不稳定。EC和TDS在不同时期的变异系数约100%左右，表现出明显的空间差异性。并且在不同时期，地下水的Na+和Cl-含量的变异系数均大于100%，空间变异性大，研究区内的离子浓度特征和水化学类型均显示出明显的分带性。
在水平分布上，TDS含量由西北部向东南部逐渐增加，变化范围为0.169~15.730 g/L。根据TDS的高低可将研究区内的地下水样品划分为淡水(< 1 g/L)、微咸水(1~3 g/L)、咸水(3~10 g/L)和盐水(>10 g/L)[17]。淡水主要分布在研究区的上游，水化学类型为HCO3-Ca；微咸水的水化学类型呈现出多样化，优势阳离子Ca2+逐渐被Na+取代，优势阴离子HCO3-，经由HCO3→HCO3·Cl→Cl·HCO3的过程，逐渐被Cl-取代，其形成过程复杂；咸水主要分布在研究区东部和南部地区，水化学类型为Cl-Na，TDS变化范围是3~7 g/L；盐水的水化学类型为Cl-Na，只有10、15两个样品为盐水，均位于研究区南端，水化学成分受海水影响较大。河水有两个取样点(H1和H2)，两者的TDS值差异很大，前者的TDS值为0.169 g/L，后者的TDS值为12.447 g/L，远远超过大沽河河水的背景值(H1)，且其位于大沽河最后一个拦河闸坝工程(南庄橡胶坝)的下游，高TDS值可能是由于海水(S)沿着河道上溯造成的。
由Piper图(见图 3)可以看出：4、8和10月的水化学成分含量差别不大，这是由于研究区内地下水具有高盐度的特点，且近些年来的年降水量都低于年平均降水量(650.1 mm)，降水基本不会对地下水的水化学类型造成影响。淡水样品中，仅有样品34的水化学组成差异较大，水化学类型为SO4-Ca·Na·Mg，这是由于研究区的东北部蓝村为往年硫酸泄露区[14]，造成周围地下水的硫酸盐污染。微咸水样品存在着明显不同，大部分微咸水样品处于地下淡水与海水混合线附近，其主要是由淡水与海水混合而成；部分微咸水样品偏离了混合线，可能是由于混合过程中发生了阳离子交替吸附、矿物的溶解和沉淀、无机物和有机物的氧化还原等水文地球化学作用[18]，其中，样品1、26和36的(Ca2++Mg2+)所占比例明显增加，在混合过程中发生了阳离子交换作用。咸水样品处于地下淡水与海水的混合线上，向图中的海水点趋近。盐水样品基本与海水点重合，且Cl>5 000 mg/L，该点盐分来源于海水或受海水影响较大。
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图 3 研究区不同水体样品的Piper三线图 Fig. 3 Piper diagram of various water samples from different water bodies in the study area |
吉布斯(Gibbs)图代表了地下水样品中阴离子γCl-/γ(Cl-+HCO3-)与TDS之间的一种内在关系，它可用来分析形成地下水化学成分的水文化学作用，如降水作用、岩石风化-溶滤作用和蒸发浓缩作用[19]。由图 4可以看出：研究区内地下水都分布在Gibbs图的中上部，说明研究区内地下水主要受岩石风化-溶滤作用和蒸发浓缩作用的控制，受到大气降水的影响很小，其中，淡水和微咸水的形成主要受到了岩石风化-溶滤作用和蒸发浓缩作用的共同影响；咸水在受到海水混合作用的同时还受到蒸发浓缩作用的影响。
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图 4 研究区不同水体的Gibbs图 Fig. 4 Gibbs map of various water samples from different water bodies in the study area |
根据主要阳离子与Cl的关系图(见图 5)可知，Na和Mg的含量与Cl浓度呈较好的线性关系，咸水和盐水位于海水比值线上，高盐分来源于海水，而微咸水大部分位于海水比值线之上，且Na和Mg含量与Cl浓度呈正比关系，揭示出微咸水盐分的另一主要来源——蒸发盐的溶解。K含量大部分超过海水比值线，来源于富钾的硅铝酸盐矿物(长石、伊利石)[20]溶解。Ca含量与Cl浓度的线性关系不好，这是由于Ca在混合作用的基础上，会参与多种矿物的溶解与沉淀作用、阳离子吸附交换作用等，其形成作用比较复杂；从Ca-Cl关系图可看出：淡水水体的Ca几乎不受Cl的影响，微咸水体的Ca含量变化幅度最大，其中样品1、26和36的Ca含量明显高于同类其他样品，这是由于与陆相源的混合，样品26受到研究区以北的淡水影响，样品1和36考虑到其临近河流，易受到与河水(H1)的混合作用，这与样品1和36在Na-Cl关系图中低于海水比值线的结果相一致，河流对沿岸地区的地下水水化学组分有着很大影响。
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图 5 研究区不同水体主要阳离子与Cl-的关系 Fig. 5 Relationships between main cations vs. chloride of various water samples from different water bodies in the study area |
由主要阳离子与Cl关系可知，控制地下水离子浓度的重要水文化学作用除了Gibbs图可反映出来的三种作用外，还有阳离子交换吸附这一重要作用，可用(Na+-Cl-)与(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)的关系图来揭示。从图 6可以看出，(Na+-Cl-)与(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)呈负相关关系，淡水和微咸水样品分散在斜率为-0.789 3的直线两侧，线性关系较好(R2=0.760 1)，阳离子交换吸附作用在这两类水体的形成过程中起重要作用，而咸水(6、7、29和30)和盐水样品偏离直线，这两类水体的水化学成分主要源于混合作用。
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图 6 Na+-Cl-与(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)关系图 Fig. 6 Relationship between (Na+-Cl-) and (Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-) |
对于TDS>2 g/L的浅层地下水体，卤族元素Br能够有效识别地下水咸水来源，是反映沿海含水层海水入侵的较敏感指标[21-23]。滨海地区的地下水中溴主要来源于岩石中处于分散状态的溴和海洋中的溴，海水入侵后，Br含量将升高，前者可忽略。根据研究区的Br/Cl-Cl关系图(见图 7)，淡水样品受到海水入侵影响较小，Br主要来源于岩石中处于分散状态的溴，Br值偏小，Br/Cl比值易受农业人为输入的影响，分布无规律。微咸水、咸水和盐水水体受到海水入侵影响，水体中的Br主要来源于海水，又考虑到滨海地区降水携带海洋气溶胶[24]，故地下水Br/Cl比值的起始值就是海水比值。研究区内的绝大部分地下水样品在海水比值线(0.003 4)以下，这是由于研究区近些年的干旱少雨造成。咸水和盐水水体随着Cl浓度的增加，固体石盐溶解量逐渐增加，并结合对I-Cl关系图的分析得知，这是由于海相沉积层中存在着石盐的溶解造成的。
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图 7 Br-/Cl--Cl-关系图 Fig. 7 Relationship between Br-/Cl- and Cl- |
I在海水中是一种微量稳定元素，地下水中的高I值主要由其所处的地质条件决定，胶州湾海洋沉积物的I含量远高于淡水含量[25]，考虑到研究区内存在着由于全新世海侵事件形成的海相淤泥质沉积层，高I浓度主要来源于海相沉积物。从图 8可看出，海水样品的I含量是0.094 mg/L，部分微咸水样品(3、5、13)、部分咸水样品(6、7)和全部盐水样品的I含量均高于海水，这些样品均受到海相沉积物的溶解作用。在平面分布上，这些样品点均位于研究区的东南地区(陈家埠子-毛家庄-高家村一线的东南侧)，这也揭示出这部分地区存在着另一重要盐分来源——海相沉积物的溶解。
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图 8 I--Cl-关系图 Fig. 8 Relationship between I- and Cl- |
(1) 由于研究区近些年的降水量较小，且地下水TDS含量较高，地下水在丰、平、枯水期的TDS含量差异不大，地下水化学类型基本不受降水季节变化。由西北向东南方向，TDS和Cl浓度均逐渐升高，水质由淡水逐渐向盐水转化，地下水的优势阴离子类型沿着HCO3型→HCO3·Cl型→Cl·HCO3型→Cl型变化，大部分地区的阳离子以Na+占主导地位。
(2) 通过研究区Piper图、Gibbs图和离子比值的分析研究，大沽河下游地区浅层淡水受到岩石风化-溶滤作用和蒸发浓缩的共同影响；地下咸水的形成作用比较复杂，主要受混合作用控制，局部地下咸水可能受到阳离子的交换吸附和矿物溶解作用影响。
(3) 滨海地区地下水可用Br含量来判断受海水入侵的程度，本研究区以2 mg/L为界限。当Br＜2 mg/L，研究区内地下水未受到或受到轻微的海水入侵影响；当Br＞2 mg/L，受到中度到重度的入侵影响。
(4) 结合研究区古地理资料，Br/Cl证实了研究区地下水发生了岩盐溶解作用，后可依据I含量大于0.10 mg/L的地下水样品所在的地理位置，来划分出受海相沉积物溶解作用影响较大的区域位于研究区东南部。
| [1] |
Werner A D, Bakker M, Post V E A, et al. Seawater instrusion processes, investigation and managemant: Recent advances and future challenges[J]. Advances in Water Resources, 2013, 51: 3-26. DOI:10.1016/j.advwatres.2012.03.004
(  0) |
| [2] |
Carol E, Kruse E, Mas-Pla J. Hydrochemical and isotopical evidence of ground water salinization processes on the coastal plain of Samborombón Bay, Argentina[J]. Journal of Hydrology, 2009, 365: 335-345. DOI:10.1016/j.jhydrol.2008.11.041
( 0) |
| [3] |
Ahmed M A, Samie S G A, Badawy H A. Factors controlling mechanisms of groundwater salinization and hydrogeochemical processes in the Quaternary aquifer of the Eastern Nile Delta, Egypt[J]. Environmental Earth Sciences, 2013, 68: 369-394. DOI:10.1007/s12665-012-1744-6
( 0) |
| [4] |
Gattacceca J C, Vallet-Coulomb C, Mayer A, et al. Isotopic and geochemical characterization of salinization in the shallow aquifers of a reclaimed subsiding zone: The southern Venice Lagoon coastland[J]. Journal of Hydrology, 2009, 378: 46-61. DOI:10.1016/j.jhydrol.2009.09.005
( 0) |
| [5] |
姚锦梅, 周训, 谢朝海. 广西北海市海城区西段含水层海水入侵地球化学过程研究[J]. 地质学报, 2011, 85(1): 136-144. Yao J M, Zhou X, Xie C H. On the geochemical processes of seawater intrusion in the western section of the Haicheng District of Beihai, Guangxi[J]. Acta Geologica Sinica, 2011, 85(1): 136-144. DOI:10.3969/j.issn.1006-7493.2011.01.018 ( 0) |
| [6] |
Cardona A, Carrillo-Rivera J J, Huizar-Alvarez R, et al. Salinization in coastal aquifers of arid zones: An example from Santo Domingo, Baja California Sur, Mexico[J]. Environmental Geology, 2004, 45: 350-366. DOI:10.1007/s00254-003-0874-2
( 0) |
| [7] |
Hamouda M F B, Tarhouni J, Leduc C, et al. Understanding the origin of salinization of the Plio-quaternary eastern coastal aquifer of Cap Bon (Tunisia) using geochemical and isotope investigations[J]. Environmental Earth Sciences, 2011, 63: 889-901. DOI:10.1007/s12665-010-0758-1
( 0) |
| [8] |
Bouzourra H, Bouhlila R, Elango L, et al. Characterization of mechanisms and processes of groundwater salinization in irrigated coastal area using statistics, GIS, and hydrogeochemical investigations[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22: 2643-2660. DOI:10.1007/s11356-014-3428-0
( 0) |
| [9] |
肖菲, 周勇华, 陈小英. 青岛沿岸海(咸)水入侵灾害的成因与现状[J]. 海洋地质前沿, 2012, 28(5): 54-58. Xiao F, Zhou Y H, Chen X Y. Research on origin and current status of sea(salt) water intrusion in coastal zone of Qingdao[J]. Marine Geology Frontiers, 2012, 28(5): 54-58. ( 0) |
| [10] |
刘衍美, 徐有杰, 解风云, 等. 大沽河海水入侵综合治理效果分析与防治对策[J]. 山东水利, 2006(12): 13-14. Liu Y M, Xu Y J, Xie F Y, et al. Effect analysis and Control Countermeasures of comprehensive treatment of seawater intrusion in Dagu River[J]. Shandong Water Resources, 2006(12): 13-14. DOI:10.3969/j.issn.1009-6159.2006.12.005 ( 0) |
| [11] |
栾熙明, 郑西来, 林国庆, 等. 青岛大沽河下游地下咸水体变化的数值模拟[J]. 地下水, 2009, 31(3): 7-10. Luan X M, Zheng X L, Lin G Q, et al. Numerical simulation of underground salt water changes at the lower area of Dagu River in Qingdao[J]. Ground Water, 2009, 31(3): 7-10. DOI:10.3969/j.issn.1004-1184.2009.03.003 ( 0) |
| [12] |
焦超颖, 邱汉学, 刘贯群. 青岛市大沽河水源地数值模拟模型[J]. 青岛海洋大学学报, 1994(S3): 122-126. Jiao C Y, Qiu H X, Liu G Q. A numerical simulation model of Dagu River groundwater field in Qingdao City[J]. Journal of Ocean University of Qingdao, 1994(S3): 122-126. ( 0) |
| [13] |
袁月平, 黄修东, 孙团先, 等. 青岛市海(咸)水入侵普查与机理研究[J]. 中国水利, 2017(15): 17-19. Yuan Y P, Huang X D, Sun T X, et al. General survey of seawater intrusion in Qingdao City and mechanism studies[J]. China Water Resources, 2017(15): 17-19. DOI:10.3969/j.issn.1000-1123.2017.15.007 ( 0) |
| [14] |
青岛市水利局.青岛市大沽河地下水库可行性研究专题报告[R].青岛: 青岛市水利局, 1999. Hydrology Bureau of Qingdao. The Special Report on the Feasibility Study of the Underground Reservoir of the Dagu River in Qingdao[R]. Qingdao: Hydrology Bureau of Qingdao, 1999. ( 0) |
| [15] |
刘志杰, 庄振业, 韩德亮, 等. 全新世胶州湾海侵及大沽河古河口湾的形成和演变[J]. 海岸工程, 2004, 23(1): 5-12. Liu Z J, Zhuang Z Y, Han D L, et al. Holocene transgression in the Jiaozhou Bay and formation and evolution of the Daguhe Paleoestuarine Bay[J]. Coastal Engineering, 2004, 23(1): 5-12. DOI:10.3969/j.issn.1002-3682.2004.01.002 ( 0) |
| [16] |
韩有松, 孟广兰. 胶州湾地区全新世海侵及其海平面变化[J]. 科学通报, 1984(20): 1255-1258. Han Y S, Meng G L. Holocene transgression and changes in sea levels in the Jiaozhou Bay Area[J]. Chinese Science Bulletin, 1984(20): 1255-1258. ( 0) |
| [17] |
中国地质调查局. 水文地质手册[M]. 北京: 地质出版社, 2012. Geological Survey of China. Hydrogeological Manual[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2012. ( 0) |
| [18] |
Han D, Post V E A, Song X. Groundwater salinization processes and reversibility of seawater intrusion in coastal carbonate aquifers[J]. Journal of Hydrology, 2015, 531: 1067-1080. DOI:10.1016/j.jhydrol.2015.11.013
( 0) |
| [19] |
Mondal N C, Singh V S, Saxena V K, et al. Assessment of seawater impact using major hydrochemical ions: A case study from Sadras, Tamilnadu, India[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2011, 177: 315-335. DOI:10.1007/s10661-010-1636-8
( 0) |
| [20] |
黄翠, 郑西来, 栾熙明, 等. 咸淡水驱替过程中含水介质渗透性变化的试验研究[J]. 水文地质工程地质, 2009(6): 21-25. Huang C, Zheng X L, Luan X M, et al. Experimental study of changes in hydraulic conductivity of aquifer medium in salt-freshwater displacement process[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2009(6): 21-25. DOI:10.3969/j.issn.1000-3665.2009.06.006 ( 0) |
| [21] |
Alcala′ F J, Custodio E. Using the Cl/Br ratio as a tracer to identify the origin of salinity in aquifers in Spain and Portugal[J]. Journal of Hydrology, 2008, 359: 189-207. DOI:10.1016/j.jhydrol.2008.06.028
( 0) |
| [22] |
Han D, Kohfahl C, Song X, et al. Geochemical and isotopic evidence for palaeo-seawater intrusion into the south coast aquifer of Laizhou Bay, China[J]. Applied Geochemistry, 2011, 26: 863-883. DOI:10.1016/j.apgeochem.2011.02.007
( 0) |
| [23] |
杨巧凤, 王瑞久, 徐素宁, 等. 莱州湾白浪河河水和河口海水的水化学和氢氧稳定同位素特征[J]. 水文地质工程地质, 2016, 43(5): 48-55. Yang Q F, Wang R J, Xu S N, et al. Hydrochemical and stable isotopic characteristics of estuarial seawater and river water of Bailang River in Laizhou Bay[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2016, 43(5): 48-55. ( 0) |
| [24] |
Ouhamdouch S, Bahir M, Carreira P M. Geochemical and isotopic tools to deciphering the origin of mineralization of the coastal aquifer of Essaouira basin, Morocco[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2017, 17: 73-76. DOI:10.1016/j.proeps.2016.12.038
( 0) |
| [25] |
刘广山, 纪丽红, 谢林波, 等. 四种不同海域沉积物碘研究[J]. 地球科学进展, 2012, 27(S1): 494-496. Liu G S, Ji L H, Xie L B, et al. Iodine study of marine sediments from four sea areas[J]. Advances in Earth Science, 2012, 27(S1): 494-496. ( 0) |
2. College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China;
3. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China