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廣東韶關(guān)地區(qū)土壤地球化學基準值研究

2020-08-26 08:23劉子寧李婷婷
華南地質(zhì) 2020年2期
關(guān)鍵詞:種元素基準值母質(zhì)

張 偉,劉子寧,賈 磊,李婷婷,2

ZHANG Wei1,LIU Zi-Ning1,JIA Lei1,LI Ting-Ting1,2

(1.廣東省地質(zhì)調(diào)查院,廣州510000;2.中國科學院 南海海洋研究所 邊緣海與大洋地質(zhì)重點實驗室,廣州510000)

(1.Guangdong Geologic Survey Institute,Guangzhou 510000,Guangdong,China;2.Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology,South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510000,Guangdong,China)

地球化學基準值是反映土壤地球化學特征的基本指標,是制訂環(huán)境質(zhì)量標準、識別和評價土壤污染程度、確立污染治理修復目標的重要依據(jù),具有農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)境以及地方病防治等多學科的研究價值[1-4]。韶關(guān)地區(qū)農(nóng)用地面積1686011公頃,占土地總面積的91.70%,人均耕地面積占廣東省第一,農(nóng)業(yè)優(yōu)勢明顯?;鶞手悼煞从硡^(qū)內(nèi)土壤原始沉積環(huán)境的地球化學元素含量,因此對研究區(qū)農(nóng)業(yè)布局與農(nóng)產(chǎn)品安全,以及土壤地方標準研究與制定具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

韶關(guān)市位于廣東省北部,北接湖南,東鄰江西,東南面、南面和西面分別與廣東省河源、惠州及清遠等地區(qū)接壤。地理坐標介于北緯23°53′~25°31′,東經(jīng)112°53′~114°45′(圖1)。該區(qū)總體地勢北高南低,山巒起伏,中低山廣布。地貌以中低山為主,丘陵、巖溶準平原次之,局部為山前沖積平原和山間沖洪積平原。整體在地質(zhì)歷史時期屬間歇上升區(qū),流水侵蝕作用強烈,峽谷眾多、山地陡峻,夷平面較為發(fā)育。屬南亞熱帶濕潤型氣候大區(qū),具有溫暖、潮濕、多雨、雨季與旱季分季明顯等氣候特點。年平均氣溫18.8~21.6℃。雨量充沛,多年平均降水量1682.3 mm,3-8月為雨季,其余月份為旱季。

韶關(guān)市隸屬華南地層大區(qū)東南地層區(qū)桂湘贛地層分區(qū),分屬陽山小區(qū)、韶關(guān)小區(qū)、始興小區(qū)和連平小區(qū)。區(qū)內(nèi)各時代地層發(fā)育較齊全,自南華系至第四系均有出露;侵入活動主要發(fā)生在三疊紀、侏羅紀、白堊紀等幾個時期,尤以侏羅紀侵入巖最為發(fā)育。區(qū)內(nèi)先后經(jīng)歷了加里東期、海西-印支期、燕山期及喜馬拉雅期等多個構(gòu)造旋回,地質(zhì)構(gòu)造復雜,包括褶皺、斷裂及構(gòu)造盆地。褶皺依形成時間的先后,分為加里東期、印支期和燕山期;斷裂以NE向為主,包括吳川-四會斷裂帶、郴州-懷集斷裂帶和陽山-乳源斷裂組等,NW向、S-N向、E-W向斷裂分布零星;構(gòu)造盆地主要分布在調(diào)查區(qū)北部,屬斷陷盆地或拗陷盆地,受NE向深大斷裂帶控制。區(qū)內(nèi)巖漿活動頻繁,時代跨度大,分布面積廣泛。從古生代到中生代不同程度地保留了巖漿活動的印記,形成了類型各異、時空不同、規(guī)模不等的各類侵入巖和噴出巖。變質(zhì)巖出露較廣泛,可劃分為區(qū)域變質(zhì)巖、接觸變質(zhì)巖、動力變質(zhì)巖和氣液蝕變巖等。

圖1韶關(guān)地區(qū)交通位置圖Fig.1 Traffic and location map of the study area in Shaoguan

2 樣品采集與分析

2.1 樣品采集

一般采用區(qū)域地球化學調(diào)查中的深層土壤樣品作為土壤地球化學基準值統(tǒng)計的樣品。采用雙層網(wǎng)格化布點,采集深層土壤樣品。深層土壤采樣密度為1個點/(16-32)km2,采樣深度為150~200 cm,連續(xù)采集50 cm的土柱,但不采集基巖風化層。采樣以具有代表性為主要原則,兼顧空間分布均勻性和合理性,采樣時避開人為污染和近期搬運的堆積土。全區(qū)共采集深層土壤樣1023件,共完成調(diào)查面積18412 km2。

2.2 分析測試

樣品經(jīng)自然干燥,用木棒壓碎團塊,過20目尼龍篩后提取500 g分析樣。土壤樣品測定:Ag、Au、As、B、Ba、Be、Bi、Br、Cd、Cr、Cl、Co、Ce、Cu、F、Ga、Ge、Hg、I、La、Li、Mn、Mo、N、Ni、Nb、P、Pb、Rb、S、Sb、Sc、Se、Sn、Sr、Th、Ti、Tl、U、V、W、Y、Zn、Zr、SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO、TC、orgC、pH值共54項元素(指標)。樣品測試由湖北省地質(zhì)實驗測試中心承擔。樣品測試過程采用了嚴格的質(zhì)量控制:用于監(jiān)控準確度和精密度的標準控制樣(國家土壤一級標準物質(zhì)),各元素或指標合格率100%;實驗室內(nèi)部檢查和異常點抽查檢查合格率大于90%;密碼抽查檢查合格率大于90%。

3 結(jié)果與討論

3.1 基準值的概念及計算方法

土壤地球化學基準值是指未受人類影響的,反映土壤原始沉積環(huán)境的地球化學元素含量?;鶞手稻唧w表現(xiàn)在:①是一個相對固定的值,不隨時間變化而發(fā)生改變;②具有地域性與成因性雙重特性;③空間上存在一個基本成因單元,在該單元內(nèi)成因與地域性達到統(tǒng)一[5-6]。

計算基準值[7-14],首先對深層土壤測試數(shù)據(jù)頻率分布形態(tài)進行正態(tài)檢驗。當統(tǒng)計數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布時,用算術(shù)平均值(X)代表地球化學基準值,算術(shù)平均值加減2倍算術(shù)標準偏差(X±2S)代表地球化學基準值變化范圍。統(tǒng)計數(shù)據(jù)服從對數(shù)正態(tài)分布時,用幾何平均值(Xg)代表地球化學基準值,幾何平均值乘除幾何標準偏差的平方(Xg Sg±2)代表地球化學基準值變化范圍。當統(tǒng)計數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布時,按照算術(shù)平均值加減3倍標準偏差進行剔除,經(jīng)反復剔除后服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布時,用算術(shù)平均值或幾何平均值代表土壤地球化學基準值,算術(shù)平均值加減2倍算術(shù)標準偏差或幾何平均值乘除幾何標準偏差的平方代表地球化學基準值變化范圍。統(tǒng)計數(shù)據(jù)經(jīng)反復剔除后仍不服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布,而呈現(xiàn)偏態(tài)分布時,用幾何平均值除以幾何標準差的平方為基準值的下限,用幾何平均值乘以幾何標準差的平方為基準值的上限,來表示本區(qū)偏態(tài)分布元素濃度的基準值范圍。

3.2 土壤地球化學基準值特征

研究區(qū)土壤地球化學基準值統(tǒng)計結(jié)果列于表1。數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示,區(qū)內(nèi)僅SiO2的變異系數(shù)小于0.2,屬于輕度變異,分布均勻;Ce、Cl、Ga、Ge、Nb、Sc、Ti、Zr、Al2O3、Fe2O3、K2O的 變 異 系 數(shù) 介 于0.2~0.5之間,屬于中度變異,分布較均勻;大部分元素,如Ag、As、Be、Bi、Cd、Co、Cu、Hg、Mn、Mo、Pb、Sb、Sn、Sr、W、Zn、CaO、Au的變異系數(shù)很高,介于2.03~3.79之間,分布極不均勻;其余元素的變異系數(shù)介于0.5~1之間,為強度變異,分布較不均勻。綜上可知[15-16],區(qū)內(nèi)多數(shù)元素地球化學過程是經(jīng)由多重母體疊加構(gòu)成,反映了區(qū)域內(nèi)地質(zhì)背景與成土母質(zhì)的多樣性,且成礦元素多為強度變異,指示區(qū)域礦化較強。

研究區(qū)深層土壤元素富集與貧乏組合見表2。與地殼豐度相比,富集Bi、N、I、B、As、Be、Cd、Li、Pb、Rb、Se、Sn、Th、Tl、U、W、Ce、Ga、Ge、K2O、Nb、Zr等22種元素,貧乏CaO、MgO、Na2O、Fe2O3、Co、Cr、Mn、Ni、Ti、V、Sc、Ag、Au、Cu、Ba、Sr、Br、Cl、P、S、OrgC等21種元素,其它10種元素含量與地殼豐度接近,其組合反映出區(qū)內(nèi)土壤的中酸性地球化學特征,富集與酸性巖漿巖、砂頁巖、成礦作用相關(guān)的元素,貧乏與基性巖、碳酸鹽巖組成相關(guān)的元素。與中國土壤C層元素含量(僅13項指標)對比[17-18],該區(qū)Pb、Hg相對富集;Cd、F、SiO2、V、Zn與全國C層土壤豐度接近(比值在0.8~1.2之間),As、Mn、Co、Ni、Cu、Cr相對貧乏,比值在0.5~0.8之間。與廣東省C層土壤含量對比[19],該區(qū)Pb、Hg、Zn相對富集,比值均大于1.2;F、Mn、Ni、Pb、V含量與廣東省C層土壤豐度接近(比值在0.8~1.2之間),As、Co、Cr、Cu、Se相對貧乏,比值在為0.7~0.8之間。

表1研究區(qū)土壤地球化學基準值(n=1023)Table 1 Soil geochemical reference values in study area(n=1023)

表2研究區(qū)深層土壤元素富集與貧乏組合Table 2 The combination of enrichment and poor elements of deep soil in study area

3.3 主要成土母質(zhì)地球化學基準值研究

按不同成因類型,將韶關(guān)地區(qū)成土母質(zhì)單元劃分為四大類,即第四系成土母質(zhì)、沉積巖類成土母質(zhì)、火成巖類成土母質(zhì)、變質(zhì)巖類成土母質(zhì)。再按不同地質(zhì)背景,將沉積巖類成土母質(zhì)進一步劃分為紫紅色砂頁巖類母質(zhì)、砂頁巖類母質(zhì)和碳酸鹽巖類母質(zhì);將火成巖類成土母質(zhì)進一步劃分為花崗巖類母質(zhì)和酸性噴出巖類母質(zhì)。分別統(tǒng)計各類母質(zhì)土壤元素地球化學基準值,并將其地球化學基準值與全區(qū)地球化學基準值比較,結(jié)果如下。

(1)第四系松散沉積物母質(zhì)土壤中有9種元素呈現(xiàn)出不同程度的富集,2種元素呈現(xiàn)出貧乏,見表3。其中強富集的元素有As、B、Sb等3種,相對富集的有CaO、Cr、Ni、V、Au、Cu;貧乏的元素主要為放射性元素;其余大部分元素與全區(qū)基準值相當。在區(qū)域分布上,As主要分布于一六鎮(zhèn)東北部河流沖積相;B、Sb富集區(qū)主要分布于一六鎮(zhèn)-乳源一帶河流洪沖積相,B、Sb最高值分別達348μg/g、54.2μg/g,分別是全區(qū)地球化學基準值的7倍、75倍。

(2)沉積巖類母質(zhì)土壤劃分為三大類(表4、5、6):①紫紅色砂頁巖類母質(zhì)土壤中有7種元素呈現(xiàn)出不同程度的富集,16種元素比較貧乏。其中,強富集的僅有CaO、MgO兩種,相對富集的有Co、Cr、Ag、Sr、B等5種元素;貧乏的元素主要為放射性元素、鎢鉬族、As、Hg、Pb、Se、Tl、Ga、Br、I、P、S和OrgC;其余大部分元素與全區(qū)基準值相當。在區(qū)域分布上,CaO富集主要分布于老坪石鎮(zhèn)西,最高值達到5.11%,是全區(qū)地球化學基準值的42倍。MgO、Sr富集主要分布于南雄盆地,最高值達到2.27%、97.8μg/g。②砂頁巖類母質(zhì)土壤中有15種元素呈現(xiàn)出不同程度的富集,8種元素呈現(xiàn)出貧乏。其中強度富集元素(指標)的有Cr、Fe2O3、V、As、Au、Hg、Sb、Se、B,相對富集的有Ni、Cu、Sc、Br、I、N等元素;強度貧乏的元素主要為Be、Bi、Sn,相對貧乏的元素為放射性元素、CaO、Rb、Pb、Tl;其余大部分元素與全區(qū)基準值相當。砂頁巖類母質(zhì)土壤大部分元素基準值與全區(qū)基準值比(K)在0.7-1.5之間。Cr、V高富集區(qū)主要分布于翁源盆地及曲江區(qū)以南周邊;As、Au、Sb、B、Se高富集主要分布于大寶山北、大布鎮(zhèn)周邊。③碳酸鹽巖類母質(zhì)土壤中有19種元素呈現(xiàn)出不同程度的富集,8種元素呈現(xiàn)出貧乏。其中達 強 度 富 集 的 僅 有Co、Cr、Ni、V、CaO、MgO、Au、As、Cu、Hg、Sb、Cd等12種,相對富集的有Fe2O3、Mn、Zn、Br、B、F、N;相對貧乏的元素為放射性元素及Be、Rb、Sn、Bi、Pb、Tl;其余大部分元素與全區(qū)基準值相當。碳酸鹽巖類母質(zhì)土壤大部分元素基準值與全區(qū)基準值比(K)在0.6-1.4之間。區(qū)域分布上,CaO、MgO高富集區(qū)與碳酸鹽巖區(qū)域分布一致,主要分布于黃圃-大橋-沙坪鎮(zhèn)及大步鎮(zhèn)一帶,最高值分別達到2.84%、6.67%,分別是全區(qū)地球化學基準值的23倍和14倍,與碳酸鹽巖主要礦物成分方解石(CaCO3)、白云石(MgCO3)密切相關(guān)。Cr、Ni、V、Co、Cd高富集區(qū)總體與碳酸鹽巖分布區(qū)域一致。Au、As、Cu、Hg、Sb、B高富集與碳酸鹽巖分布區(qū)主要成礦元素與礦化劑組合富集的地質(zhì)背景密切相關(guān)。

表3第四紀松散沉積物深層土壤元素富集與貧乏組合Table 3 The combination of enrichment and poor elements of deep soil samples of Quaternary loose sediments

表4紫紅色砂頁巖類深層土壤元素富集與貧乏組合Table 4 The combination of enrichment and poor elements of deep soil samples of purple-red sandstone and shale

表5砂頁巖類深層土壤元素富集與貧乏組合Table 5 The combination of enrichment and poor elements of deep soil samples of sandstone and shale

表6碳酸鹽巖類深層土壤元素富集與貧乏組合Table 6 The combination of enrichment and poor elements of deep soil samples of carbonate rocks

(3)火成巖類成土母質(zhì)土壤劃分為兩類:①花崗巖類母質(zhì)土壤中有16種元素呈現(xiàn)出不同程度的富集,12種元素呈現(xiàn)出貧乏(表7)。其中達強度富集的元素有Be、Rb、K2O、Na2O、Sn、Bi、Pb、Tl、Th、U;Al2O3、Ce、Li、Nb、W、Ga相對富集;強度貧乏的元素為Cr、Ni、Au、As、Cu、Sb、B;MgO、Fe2O3、V、Co、Ti相對貧乏;其余大部分元素與全區(qū)基準值相當。②酸性火山噴出巖母質(zhì)土壤中有19種元素呈現(xiàn)出不同程度的富集,6種元素呈現(xiàn)出貧乏,見表8。其中達強 度 富 集 的 有Sc、Cr、V、Co、Mn、MgO、As、Br、I、P等,相對富集的有Fe2O3、Ni、Ti、Au、Cu、Sb、Ba、Cd、TC、OrgC等9種元素;強度貧乏的元素為Sn、Th、U;相對貧乏的元素為Be、Rb、Tl;其余大部分元素與全區(qū)基準值相當。酸性火山噴出巖類土壤大部分元素基準值與全區(qū)基準值比(K)在0.7-1.5之間,有Sc、Co、Cr、Mn、V、MgO、As、Br、I、P比值達到1.7、1.9、1.8、2.2、1.8、1.8、2.8、1.6、1.9、1.6。而Sn、Th、U比值低至0.5、0.6、0.6。區(qū)域分布上,Sc、Co、Cr、Mn、V、MgO、As、Br、I、P富集區(qū)域與區(qū)內(nèi)火山噴出巖范圍一致,明顯高于花崗巖類母質(zhì)土壤。

(4)變質(zhì)巖類母質(zhì)土壤中有21種元素呈現(xiàn)出不同程度的富集,8種元素呈現(xiàn)出貧乏(表9)。其中強度富集的元素有Co、Cr、Ni、V、As、Au、Cu、Sb、Se、Br、I、P、S、OrgC等,相對富集的有MgO、Fe2O3、Sc、Ba、B、N、TC;CaO、Na2O、Rb、Th、U、Sn、Bi、Tl相對貧乏;其余大部分元素與全區(qū)基準值相當。變質(zhì)巖類母質(zhì)土壤大部分元素基準值與全區(qū)基準值比(K)在0.6-1.5之間。區(qū)域分布上,Co、Cr、Ni、V高富集區(qū)主要分布于司前鎮(zhèn)北東一帶及必背-桂頭鎮(zhèn)南西一帶。As、Au、Sb高富集區(qū)主要分布于必背-桂頭鎮(zhèn)南西與韶關(guān)市東大橋鎮(zhèn)一帶。Se、Br、OrgC富集區(qū)域與區(qū)內(nèi)變質(zhì)巖體分布基本一致,且Se、B于必背-桂頭鎮(zhèn)南西一帶強度富集。反映出變質(zhì)巖區(qū)Se、Br元素的富集不僅與巖漿分異、成礦作用相關(guān),也與沉積環(huán)境密切相關(guān)[20-21]。

表7花崗巖類深層土壤元素富集與貧乏組合Table 7 The combination of enrichment and poor elements of deep soil samples of granitoids

表8酸性火山噴出巖類深層土壤元素富集與貧乏組合Table 8 The combination of enrichment and poor elements of deep soil samples of acidic volcanic eruption rocks

表9變質(zhì)類深層土壤元素富集與貧乏組合Table 9 The combination of enrichment and poor elements of deep soil samples of metamorphic rocks

4 結(jié)論與建議

(1)廣東韶關(guān)地區(qū)深層土壤多數(shù)元素變異系數(shù)較大,分布不均勻,說明該區(qū)多數(shù)元素地球化學過程是經(jīng)由多重母體疊加構(gòu)成,反映了區(qū)域內(nèi)地質(zhì)背景與成土母質(zhì)的多樣性,且成礦元素多為強度變異,指示區(qū)域礦化較強。與地殼豐度比較,發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)土壤中與酸性巖漿巖、砂頁巖、成礦作用相關(guān)的元素基準值較高,與基性巖、碳酸鹽巖組成相關(guān)的元素基準值較低,其元素組合反映了該區(qū)土壤的中酸性地球化學特征。與中國土壤C層元素含量(僅13項指標)對比發(fā)現(xiàn),該區(qū)Pb、Hg的基準值較高,As、Mn、Co、Ni、Cu、Cr的基準值較低。與廣東省C層土壤含量對比發(fā)現(xiàn),該區(qū)Pb、Hg、Zn基準值較高,而As、Co、Cr、Cu、Se基準值相對偏低。

(2)對研究區(qū)主要成土母質(zhì)地球化學基準值的研究表明,土壤元素地球化學基準值繼承了成土母巖母質(zhì)的元素地球化學特征,不同成土母質(zhì)類型的土壤地球化學基準值差異較大。

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