冲积平原区土壤中稀土元素分布模式及其示踪作用.pdf

第 3 0卷第2 期 2 0 0 6年 4月 物探与化探 GE OP HYS I C AL GEO CHE MI C AL E XP L O RAT I ON Vo 1 3 0。No 2 Ap r ，2 0 0 6 冲积平原区土壤中稀土元素分布模式及其示踪作用 马生日月，朱立新，王之峰，刘崇民，胡树起(中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊0 6 5 0 0 0)摘 要：根据科研生产工作的实际需要，借鉴稀土元素分布模式示踪物源的方法，对冲积平原景观区土壤中稀土元 素的分布模式进行了系统研究。结果发现冲积平原区土壤中稀土元素分布模式总体规律大同小异，表明冲积平原 区成壤母质特性基本相同。利用稀土元素分布模式的细微差异能够有效判别成壤母质特性的变化。关键词：冲积平原区；稀土元素分布模式；示踪作用 中图分类号：P 6 3 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 8 9 1 8(2 0 0 6)0 2 0 1 0 0 0 4 冲积平原区内人口相对集中，工农业生产发达，在我国国民经济发展中占有重要地位，由此也决定 了区内生态环境问题比较突出。为了客观评价区内 生态环境质量现状，相关研究工作受到普遍重视，环 境地球化学就是重要的研究领域之一，其中以省、部 合作开展的“多目 标”地球化学调查工作影响最大。但是在现阶段，此项工作遇到了一些技术难题，其中 最关键的问题是如何客观准确地确定土壤中化学元 素(特别是重金属污染元素)的自然背景含量(基准 值)，进而确定由人类活动造成的污染范围和污染 程度。在确定冲积平原区元素基准值过程中，首先 需要确认某一统计单元内成壤母质特性(主要是物 源或物质组成特性)是否相 同，因为只有在成壤母 质特性相同的情况下土壤的基准值才具有可比性和 实用价值 1 示踪平原区成壤母质特性的可行性 有研究资料表明，残坡积土壤中稀土元素主要 来自 成壤母岩，其含量高低与成壤母岩的类型有关，由不同成壤母岩发育而成的土壤稀土元素总量及组 成均有较大的差异。由酸I生 岩和碱性岩发育而成的 土壤中稀土元素含量通常较高，而由基性一超基性 岩发育而成的土壤中稀土元素含量一般较低。不只 是稀土元素的含量受成壤母岩的控制，各种土壤的 稀土元素分布模式也继承成壤母岩的稀土元素分布 特征。因此根据土壤的稀土元素分布特征可以判断 其成壤母岩来源。与残坡积土壤不同，冲积平原区土壤的成壤母 质来源于成壤母岩的风化、剥蚀产物，并且经历了强 烈的混匀和大范围的搬运、沉积等地质作用，这就使 得这种类型的土壤与成壤母质源岩间的关系无法确 认。但是我们知道，冲积平原区土壤是在河流沉积 物基础上发育而成的，沉积物中稀土元素的物源示 踪剂作用在研究冲积平原区成壤母质特性中应该具 有可借鉴的价值。稀土元素在表生环境中非常稳 定，在河流中主要以碎屑态搬运，沉积物中稀土元素 组成及分布模式主要取决于源岩，而受风化剥蚀、搬 运、水动力、沉积作用影响小，因而稀土元素可用作 沉积物的物源示踪剂 J。迁移物质中不是被溶解 的部分，而是碎屑部分异常富集稀土元素，这意味着 从风化到沉积稀土元素几乎没有参加任何明显的化 学作用 J。利用沉积物中稀土元素的上述分布特 征，有可能判别某一研究区不同地段成壤母质特性 间的异同，为确定土壤中元素的基准值提供地球化 学证据。笔者所说的示踪作用包括对成壤母质物源 的示踪和对成壤母质物质组成的示踪两层涵义。如 果土壤中稀土元素的分布模式相同或者相近，则认 为成壤母质的物源或物质组成基本相同，否则成壤 母质的物源或物质组成就很可能不同。2 试验方法 试验研究选择在长春、南京、漳州和广州等4个 研究区内进行，供试样品采 自2 4个土壤垂直剖面。在每个剖面上按 2 0 c m等问距采集 l 0件土壤样品 (总深度 2 0 0 c m)，样品总数为 2 3 8 件。样品使用等 离子质谱法(I C P M S)，由中国地质科学院地球物理 收稿 日期：2 0 0 4 0 91 0 基金项 目：科技部科技基础工作和社会公益研究专项(2 0 0 2 D I B 2 0 0 6 3)和2 0 0 3 D I B 3 J 0 7 1 维普资讯 http:/ 2 期 马生明等：冲积平原区土壤中稀土元素分布模式及其示踪作用 地球化学勘查 研究所 中心实 验室测定 L a、C e、P r、N d、S m、E u、G d、T b、D y、Ho、E r、T m、Y b、L u和 Y等 1 5 个稀土元素元素。根据已有研究资料，稀土元素示踪沉积物(土 壤)物源的参数比较多，本次试验中主要对稀土元 素经球粒陨石标准化后的对数值的分布模式对成壤 母质特性的示踪作用进行了研究。由于试验数据较 多，在此不便将结果一一列出，仅以个别研究区的部 分试验结果或综合性试验结果为例来阐述冲积平原 区土壤中稀土元素的分布模式及其示踪作用。3 分布模式 3 1 同一流域土壤中稀土元素分布模式 同一流域土壤中稀土元素分布模式以长春研究 区伊通河流域为例。伊通河是松花江的一个支流，(a)C C 0 6 t t KI 面 在该流域内共采集5个土壤垂直剖面。试验结果表 明，除经球粒陨石标准化后的对数值(实际上是土 壤中 R E E原始含量)略有差异之外，采 自该流域的 土壤样品中稀土元素的分布模式基本相同，不仅每 个剖面上不同深度土壤层中稀土元素的分布模式基 本相同(图 1 a，图中曲线由 C C 0 6剖面上 1 0 个土壤 样品中稀土元素分布模式组合而成，原始数据见表 1)，而且不同剖面问土壤中稀土元素的分布模式也 几乎一致(图 1 b，图 中曲线 由 C C 0 5、C C 0 6、C C 0 9、C C 1 0和 C C 1 1 剖面表层土壤样品中稀土元素分布 模式组合而成，原始数据见表 1)。曲线均呈右倾 状，E u 亏损明显，并出现微弱的 c e 和 E r 亏损。其 他研究区土壤中稀土元素分布模式的总体特征也基 本相同，表明在冲积平原区内，同一流域成壤母质的 特性大体相同。(b)伊通河流域 La CePrNdSm EuGdTbDyHoErTm YbLu L aGePrNdS m EuGdTbDyHoErTm YbL u 元素 元素 图1 长春研究区C C 0 6 剖面(a)和伊通河流域(b)土壤稀土元素球粒陨石标准化分布 表 1 长春研究区部分土壤样品中稀土元素含量 1 0 3 2 不同流域土壤中稀土元素分布模式 通过对比分析发现，不同流域之问(不同研究 区以及同一研究区不同流域之间)土壤中稀土元素 分布模式从总体上看大同小异，均呈右倾状，并出现 E u 亏损现象，因此很难根据分布模式的这一共性特 征区分不同流域问成壤母质特性的变化。据此推 测，冲积平原区不同流域间成壤母质的特性也基本 相同。5 0 5 O 5 2 2 1 l O 0 一 畚筒 旺#*、葛毒 叫 一 维普资讯 http:/ 1 0 2 物探与化探 3 O卷 一 2 5 罨 2 0 基 斌 1 兽 1 0 州 0 5 一0 (a)长春研究区(C)广州研究区(b)南京研究区(d)漳州研究 区 L a Ce Pr Nd S i n EuGd TbI)y HoE r r i l l Y b L 1 l L a C,e PrNd S m EL 1 Gd Tb Dy HoEr Tm Yb L u 元素 元素 图 2 不 同研 究区土壤 稀土元素球粒陨石标准化分布模式 但是，通过仔细的对比分析还是可以看出各流 域土壤中稀土元素分布模式问存在的细微的差异。从图2 a(长春研究区 5 0个土壤样品中稀土元素分 布模式综合曲线)、图2 b(南京研究区 8 O个土壤样 品中稀土元素分布模式综合曲线)、图2 c(广州研究 区2 0 个土壤样品中稀土元素分布模式综合曲线)、图2 d(漳州研究区 2 O个土壤样品中稀土元素分布 模式综合曲线)上可以看到除了土壤中稀土元素原 始含量 以外，主要差异表现在 E u、C e和 E r 的亏损 程度之上。由于不同流域间稀土元素分布模式总体 变化趋势十分相似，使得 E u、c e和 E r 亏损程度的 细微差异变得非常清晰。4 对成壤母质特性的示踪作用 土壤 中稀土元素的含量和分布模式主要受成壤 母岩、气候条件以及土壤中腐殖质和粘粒组分等的 影响，因此某一流域土壤中稀土元素的含量和分布 模式特征也就是上述各影响因素综合作用的结果，彼此之间应该存在着一定的差异，利用这种差异就 可以判断土壤的成壤母质特性是否相同，达到示踪 的 目的。在本次试验中发现，即使是在成壤母岩和气候 条件等差异很大的情况下(例如长春研究区和广州 研究区之间)，冲积平原区土壤中稀土元素的分布 模式也具有一定的相似性，这给利用稀土元素分布 模式示踪成壤母质特性带来了一定困难。本次试验 中对采自不同地质背景和气候条件下的2 3 8 件土壤 样品中的稀土元素分布模式进行了系统研究，结果 发现，尽管不同地质背景和气候条件下冲积平原区 土壤中稀土元素的分布模式非常相似，不过综合利 用土壤中稀土元素原始含量以及 E u、c e 和 E r 的亏 损程度等特征还是能够有效判别成壤母质特性的变 化，尤其是在研究同一地区成壤母质特性过程中作 用更大。图3 展示的是长春研究区松花江干流与其支流 伊通河流域土壤中稀土元素的分布模式。从图上可 以看到，两者稀土元素对数值、E u 亏损程度等特征 参数间的差异均较大，清晰地指明了两地成壤母质 在物源或物质组成上的差异。这正是本次试验中要 达到的目的，因为同一研究区不同地区成壤母质特 性的差异对确定土壤中元素的基准值具有更直接更 L a Ce P r Nd S m Eu(l Tb ny Ho E r T m Y b L u 元素 图3 长春研究区松花江与伊通河流域土壤稀土元素 球粒陨石标准化分布模式对比 5 O 5 O 5 2 2 l l O O 一 群 雄 静 童、量群 州 i 维普资讯 http:/ 2期 马生明等：冲积平原区土壤中稀土元素分布模式及其示踪作用 1 0 3 重要的意义。研究过程中也注意到，在大范围冲积平原区内，土壤中稀土元素分布模式可能极其相似，例如南京 研究区和广州研究区土壤中稀土元素的分布模式(图2 b、图2 c)，这是由于成壤母质经历了强烈的均 一化过程，使得土壤中稀土元素的分布模式受到成 壤母质物质组成的影响更大，而与物源区岩石类型 等的联系变得非常模糊。5 结论 从以上试验结果中不难看出，由于冲积平原区 土壤的成壤母质经历了强烈的均一化过程，使得土 壤中稀土元素分布模式总体规律大同小异，表明冲 积平原区成壤母质特性(主要是物质组成特性)基 本相同，但是利用稀土元素含量、E u和 E r 的亏损程 度等特征能够有效判别成壤母质特性的微小变化，也就是说，土壤中稀土元素含量及其分布模式可以 有效示踪冲积平原区成壤母质的特性(物源或物质 组成特性)。研究结果表明，同一流域土壤中稀土 元素的分布模式几乎一致，表明其成壤母质特性具 有可比性，从而为确定土壤中元素的基准值提供了 地球化学证据。冲积平原区土壤中稀土元素分布模式研究是一 项尝试性的试验工作，取得的试验结果达到了开展 此项研究工作的目的。值得一提的是，冲积平原区 土壤中稀土元素的分布模式受许多因素控制，并且 有着广泛的应用领域，迄今为止对此却知之甚少，有 必要进行深入系统的研究工作，以探究其在地质、地 球化学等领域中尚鲜为人知的理论和实用价值。参考文献：1 王中良，刘丛强，徐志方，等 河流稀土元素地球化学研究进展 J 地球科学进展，2 0 0 0，1 5(5)：5 5 3 2 杨守业，李从先 R E E示踪沉积物物源研究进展 J 地球科学 进展 1 9 9 9，1 4(2)：1 6 4 3 杨守业，李从先 长江与黄河沉积物 R E E地球化学及示踪作 用 地球化学 J 1 9 9 9，2 8(4)：3 7 4 4 C u l l e r s R L，B a e t t T，C a r l s o n R，e t a 1 R E E a n d m i n e r a l o g i c c h a n g e s i n Ho l o c e n e s o i l a n d s e d i me n t J C h e m G e o l，1 9 8 7，6 3：2 7 5 T HE DI S T RI B UT I ON P A T T E R NS O F R AR E E AR T H E L E ME N T S(R EE)I N S OI L AND THEI R TRACI NG ROLE I N ALL UVI AL PLAI N MA S h e n g mi n g，Z HU L i x i n，WAN G Z h i f e n g，L I U C h o n g mi n，HU S h u q i (I n s t i t u t e o fG e o p h y s ic a l G e o c h e mi c a l E x p l o r a t i o n，C A G S，L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0，C h i n a)Ab s t r a c t：C o n s i d e rin g t h e p r a c t i c a l r e q u i r e me n t i n s c i e n t i f i c r e s e a r c h a n d a d o p t i n g t h e t r a c i n g me t h o d f o r RE E d i s t ri b u t i o n p a t t e r n s，t h e a u t h o r s c a r r i e d o u t a s y s t e ma t i c r e s e a r c h o n t h e d i s t ri b u t i o n p a t t e r n s o f RE E i n s o i l s o f a l l u v i a l p l a i n T h e r e s u l t s s h o w t h a t d i s t r i b u-t i o n p a t t e r n s o f R E E i n s o i l o f a l l u v i a l p l a i n a r e o n t h e wh o l e s i mi l a r t o e a c h o t h e r，a n d t h a t t h e b a s i c c h a r a c t e ri s t i c s o f s o i l ma t e ri a l s i n a l l u v i a l p l a i n a rc g e n e r a l l y i d e n t i c a 1 S o me i n s i g n i fi c a n t d i f f e r e n c e s i n R EE d i s t ri b u t i o n p a t t e r n s c o u l d b e u s e d t o d i s t i n g u i s h c h a r a c t e r-i s t i e s o f s o i l ma t e rials ，Ke y wo r d s：a l l u v i a l p l a i n；d i s t r i b u t i o n p a t t e rns o f R E E；t r a c i n g r o l e 作者简介：马生明(1 9 6 3一)，男，教授级高级工程师，2 0 0 3年获中国地质大学(北京)水文学和水资源专业博士学位，长期从事 勘查地球化学、农业环境地球化学等研究工作，发表论文3 O 余篇。维普资讯 http:/