表生地球化学动力学与中国西南土壤中化学元素分布模式的驱动机制

地球表层是由山水林田湖草等要素构成的互动和互馈的复杂系统,这些要素中化学元素的互动和互馈过程均可驱动化学元素分布模式的变化。本文以系统的1∶25万土地质量地球化学调查数据为基础,讨论了中国西南地区土壤中常量元素、亲生物元素、卤族元素、重金属元素分布模式的驱动机制和互动过程。结果发现成土母质决定了土地资源中化学元素的自然状况,表生地球化学动力学过程重塑了表层土壤中元素分布模式,生物地球化学过程驱动了土地质量的演化趋势,强烈的人类活动(如矿业活动)破坏了元素分布的自然演化规律。表生地球化学动力学理论的提出将引领山水林田湖草生命共同体知识体系构建和土地资源地球化学综合调查技术的革新。     

重要生态功能区土壤化学元素的空间分布模式——以大兴安岭松岭区为例

大兴安岭森林带是我国“两屏三带”生态安全战略格局中的重要一环,其北段松岭区目前是生态地质调查的空白区,查明区内土壤中的元素含量以及空间分布模式,可以为该区生态保护与修复提供基础支撑。以松岭区表层土壤和深层土壤为研究对象,利用多目标区域地球化学采样及分析方法,探讨了各元素指标的地球化学特征及分布模式。研究区土壤的元素分布模式有以下特征: 全C、N、P、S在表层土壤中显著富集; K₂O、CaO、Na₂O、SiO₂在表层土壤中明显贫化; F、Cl、Br、I在表层土壤中高值区的分布受深层土壤影响,同时Br和I在表层土壤中的富集与有机质关系密切; 内梅罗综合指数显示As、Cd、Hg、Ni、Pb、Zn等重金属元素在土壤中轻微超标。     

西南地区稀散元素伴生成矿的主要类型及伴生富集规律

西南地区稀散元素资源丰富,主要以伴生元素矿床产出,寄主矿床类型主要为沉积岩容矿型铅锌矿(伴生Cd、Ge、Ga、Tl)、锡石硫化物矿床(伴生In、Cd)和沉积型铝土矿(伴生Ga)及含锗煤等。这些矿床往往集中产出,主要分布在三江铅锌铜银多金属矿成矿域、川滇黔铅锌多金属成矿域、滇东南锡多金属矿成矿域、黔西北铝土矿含矿带及滇西第三系含煤盆地。本文以滇东南锡石硫化物矿床(个旧、都龙、白牛场)及沉积岩容矿型铅锌矿(包括兰坪金顶铅锌矿和川滇黔铅锌银多金属成矿域中的会泽、大梁子、天宝山和富乐铅锌矿等)等为主要对象,开展了不同金属硫化物中稀散元素含量及电子探针面扫描分析,查定了稀散元素伴生富集的赋存状态,并在矿床地球化学研究基础上,综合分析了这些稀散元素的伴生富集规律。研究结果进一步表明,稀散元素(In、Cd、Ge、Ga、Tl)伴生富集都具有明确的载体矿物专属性:热液矿床中In、Cd、Ge、Ga主要富集在闪锌矿中,Tl主要富集在黄铁矿中;沉积铝土矿中Ga的载体矿物主要是一水铝石,含锗煤中Ge主要以有机质结合态赋存在腐殖体中。在伴生富集规律上,In主要伴生富集在锡石硫化物矿床中,滇东南三大锡石硫化物矿床(个旧、都龙、白牛场)具有相似的地质地球化学特征,成因上与燕山晚期花岗岩侵入密切相关。沉积岩容矿型铅锌矿普遍含有Cd、Ge、Ga、Tl,但不同矿床在不同稀散金属富集程度上存在明显差异,其中,金顶矿床中的闪锌矿高度富Cd,平均含量达1.23%,其成因可能与生物有机作用有关。临沧盆地西缘含锗煤产出在以花岗岩为基底的帮卖陆相含煤碎屑岩盆地中,具有工业意义的Ge只集中在第一含煤段的煤层中,其含煤段有硅质岩和薄层含碳硅质灰岩,在上部缺乏硅质岩的两个含煤段的煤中无Ge矿化。Ga在铝土矿中的伴生富集具有全球性特点,不同成矿时代和不同工业类型铝土矿中都具有镓的伴生富集,含量一般在50×10~(-6)～200×10~(-6),贵州铝土矿床主要形成于石炭纪,其矿石以硬水铝石及少量黏土等为主,Ga含量在70×10~(-6)～143×10~(-6),略高于中国和世界铝土矿中镓的平均值。     

西南石漠化区林下土壤养分特征及差异性

文章采用文献检索法收集20世纪90年代以来石漠化区植被修复和土壤研究相关论文,以全国二次土壤普查养分分级标准为基础,探讨林下土壤养分改良情况及土壤化学计量特征。结果表明：（1）中国西南石漠化区林下土壤总有机碳、全氮均值均高于全国二次土壤普查养分一等级,全磷处于二级范围,土壤养分改善效果明显,而全钾含量属于五级低钾区;（2）广西壮族自治区总有机碳和全氮均值为五省（区、市）第一,全磷和全钾位于二等级和四等级,土壤养分含量增加最明显;贵州省总有机碳、全氮高于一等级34%和37%,全磷值在二等级范围,全钾值位于第五等级,贵州省石漠化林下土壤养分改良明显;云南省总有机碳、全磷指标分别高于一等级9%、21%,全氮属于二等级,全钾属于五等级,土壤养分指标有不同程度提高;重庆市总有机碳高于一等级1.75%,全氮和全磷属于二等级,全钾为五省中最高且属于四级,土壤养分指标改良较其他三省慢;湖南省总有机碳指标为二等级,全氮、全磷、全钾值分别属于二等级、五等级、五等级,湖南省需加强石漠化治理的力度;（3）西南石漠化区土壤总有机碳和全氮指标呈正相关,植被生长亦受钾元素限制。其中,广西壮族自治区总有机碳、全氮和全磷存储快,土壤改良效益极其显著;贵州省土壤固碳能力高于全国平均值;云南省石漠化地区土壤钾元素偏低,影响植被生长;重庆市土壤中全钾含量高与总有机碳、全氮、全磷关系不大,氮元素成为限制植物生长的元素;湖南省植被生长需补充磷、钾元素。西南石漠化区植被生长应充分补充钾元素,除此之外,湖南、重庆需加强磷、氮元素的补充;云南、湖南、重庆应借鉴广西壮族自治区生态修复经验,加强石漠化生态治理并发挥效益。     

西南岩溶区生态旅游评价模型研究

西南岩溶区高品位旅游资源丰富且种类齐全,但其独特的岩溶地质环境对旅游开发建设、旅游接待经营响应十分敏感。本文立足于“人地共生”的生态旅游理念,以污染、风险、干扰、垄断四大指标为依据,选取了12项评价因子和5项修正指数,构建出PRIM标靶评价模型。通过该模型可计算出生态旅游指数进而定量化评价岩溶区旅游开发项目的生态旅游开发态势;还可根据四大指标在标靶模型中的收敛程度和极轴分布,判定评价目标所存在的主要问题及应采取的相应措施。笔者结合路南石林、桂林漓江和福建天鹅洞三个案例,对PRIM标靶评价模型进行验证,评价结果显示,路南石林、桂林漓江生态旅游指数稳定,属于标准的生态旅游景区,但垄断指标较高,后期需要调整旅游收入再分配比例;福建天鹅洞属于准生态旅游景区,在旅游安全措施、开发垄断等方面还存在不足,需要进一步完善。      

Relationships between debris flows and earth surface factors in Southwest China

Southwest China, including the Provinces of Yunnan, Guizhou, Sichuan and Chongqing, is a region with serious debris flow hazards, where 7,561 debris flow sites have been identified. Based on the data from these sites, the distribution regularity of debris flows was analyzed. Earth surface factors that may influence the formation of debris flows were analyzed from the viewpoints of energy and material conditions. Four major earth surface factors were selected: relative relief, stratigraphy, fault density and land-use conditions. With the support of GIS, the research region was divided into 125,177 grid cells and for each cell data for the four factors were collected. Based on this information, the distribution of quantity and the occurrence probability of debris flows and the role of each factor were statistically analyzed. The results should be helpful for the assessment of debris flow hazards and debris flow forecasting in the research region.     

全国土地质量地球化学调查二十年

土地质量地球化学调查计划是我国继区域化探全国扫面计划之后一个新的国家地球化学填图计划,该计划实施20年来,在支撑土壤环境污染防控、土地资源管理、国家重大立法、精准扶贫等方面做出了重大贡献,显著拓展了地质工作服务链。本文从计划的提出背景、项目的组织实施、主要进展、调查技术的进步和分析测试技术的提高与质量控制方案的完善等方面回顾了该计划的发展历程。从全国耕地地球化学状况、全国省会城市土壤环境质量状况、中国主要淡水湖泊沉积物环境质量状况、中国主要农耕区20年来土壤碳库变化4个方面对调查成果做了全面总结。全方位介绍了调查应用成果在土地管理、土壤污染防治、农业种植结构调整、脱贫攻坚、地方病防治、油气勘查、固体矿产勘查等7个领域中的应用。并在调查技术革新、评价方法创新和调查与研究融合三个方面对土地质量地球化学调查工作的未来发展趋势做了展望。     

四川省南部县土壤地球化学元素分布特征研究

基于成渝地区土地质量地球化学调查资料,研究四川南部县土壤中54种元素的地球化学特征。结果表明,与全国土壤相比,研究区重金属元素As、Cu、Hg、Pb、Zn基准值较低,Cd、Cr较高,Ni相当;多数重金属元素和植物营养元素背景值低于全国A层土壤背景值,仅CaO、Cd、MgO、Cr、F等的背景值高于全国土壤水平。多数元素(指标)背景值与基准值相当,说明表生作用和人为活动对表层土壤影响较小;而C、CaO、Cd、Org.C、I、MgO、N、P、S、Se等10种元素(指标)在表层土壤富集,表明这些元素受自身地球化学行为和人为活动输入影响。第四系和侏罗系遂宁组地层表层土壤元素分布差异较大,富集或贫化特征明显。就pH值而言,Cd、F、Cl、Mn、N、P、K₂O、S、CaO、C、Org.C均在碱性环境含量较高,As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、Co、B、Mo、Ge、TFe₂O₃、SiO₂在酸性环境含量高,多数元素在中性环境中趋于稳定。     

Vertical patterns of stable carbon isotope in soils and particle-size fractions of karst areas, Southwest China

Taking limestone soil and yellow soil, the two major soil types in karst areas as examples, analyzing stable carbon isotope composition (δ¹³C value) of soil organic matter (SOM) in bulk soils and particle-size fractions of four soil profiles under three vegetable forms, the following results are reached: in the limestone soil profile, soil organic carbon contents are all above 1.0%, the highest value is 7.1% in the surface soil; however, they are between 0.3% and 4.6% in the three yellow soil profiles. From the surface to the bottom of the soil profiles, the variation of δ¹³C value of soil organic carbon for limestone soil profile is only between −24.1‰ and −23.0‰, however, it’s between −24.8‰ and −21.1‰ for yellow soil profiles. The variation range of δ¹³C value of soil organic carbon associated with particle-size separates is slight for limestone soil but is considerable for yellow soil. The contrast research indicates that the changes between the contents and the δ¹³C value of soil organic carbon with depth are complex. The vertical patterns of stable carbon isotope in soil organic matter have a distinct regional characteristic in karst areas.     

西南三江构造体系及演化、成因

西南三江构造体系突出表现为以昌都-兰坪-思茅地块为中轴的不对称走滑对冲构造,次为与走滑断裂相伴的伸展滑脱、走滑拉分盆地构造体系,再次为块体内部的近北东、北西向走滑断裂系。西南三江造山带构造体系演化分为挤压收缩变形、走滑深熔热隆、走滑剪切伸展、走滑剥蚀隆升等4个阶段。自晚白垩世开始,印度板块与欧亚板块碰撞,西南三江造山带对冲体构造体系初始形成。自渐新世开始,印度板块持续向北楔入欧亚大陆,印度板块与扬子克拉通构成力偶,两者相向、相对运动,挤压与剪切特提斯大洋缝合带及两大陆边缘弧盆系等地质体,西南三江造山带对冲体构造体系进一步发展,近南北向剪切走滑构造体系形成,构造方向也由近东西转为近南北向。而与近南北向主走滑断裂带之相伴的伸展滑脱构造、拉分盆地,块体内部近北东、北西“X”型剪切走滑断裂同时相伴形成。这样,就形成了西南三江造山带大规模的对冲、走滑、旋转及其伴生的伸展、拉分盆地构造的构造体系。     

新一轮全球地球化学填图:中国的机遇和挑战

论述从1988年联合国教科文组织相继批准实施国际地球化学填图(IGCP259)和全球地球化学基准(IGCP360)项目以来,中国和欧洲在制定全球地球化学填图的方法指南及技术标准方面作出的决定性贡献。文中指出,中国的"环境地球化学监控网络及动态地球化学填图"项目、欧洲的FOREGS地球化学基准值填图项目为全球其他国家开展类似工作提供了示范,但地球化学家预期10年内获得全球地表地球化学概貌的愿望至今未能实现。挪威和中国的地球化学家通过IAHS/ICCE正在酝酿"Global geochemical mapping and the sediment-bound flux of major world rivers"重大国际合作项目,以开展新一轮全球地球化学填图。通过国际极地年,IPY317项目首先从北极地区启动。新一轮全球地球化学填图项目计划以中国提出的"全球地球化学填图的泛滥平原沉积物采样草案"和挪威提出的"三角洲中河漫滩沉积物的采样草案"作为实施方案,因而巩固和扩大了中国地球化学填图技术在全球的优势地位。论文在分析中国面临的机遇与挑战后,建议政府主管部门对新一轮全球地球化学填图给予优先支持。     

我国平原区土壤地球化学异常成因研究

我国平原地区土壤地球化学异常普遍存在,但是目前对这些异常的成因缺乏系统认识。这里以长春和南京地区的Hg、Cd异常试验研究结果为例,利用元素相关关系法,对此进行了系统研究。结果表明,城镇及其周边地区的土壤地球化学异常,异常组分叠加量表现出表层累积型特点,此类异常的成因与人类活动有关。分布在河流沿岸的土壤地球化学异常,在垂向上,异常组分叠加量表现出了连续型分布特点,且异常组分含量主要受土壤物质组成的控制,此类异常是在河流沉积物自然沉积过程中形成的。     

西南喀斯特山地水土流失特点及有关石漠化的几个科学问题

由于特殊的岩土组构,喀斯特坡地的水土流失具有如下特点:地表和地下流失相互叠加;地表产流、产沙少;纯碳酸盐岩区地下流失比例大。论文区别了石漠化和石质化的科学内涵,指出了喀斯特山地石漠化的核心是土地的石质化,提出了按照地面物质组成与裸岩率叠加的石漠化分类系统。根据土壤中硅酸盐矿物的物质平衡,提出了不同碎屑岩含量碳酸盐岩区的土壤允许流失量介于5～500 t/(km2?a)之间。喀斯特坡地土壤虽然肥沃,但总量太少,矿质养分不足可能是石质坡地植物生产力低的重要原因。此外,根据农耕驱动土地石质化的机制,提出了相应的石漠化治理的对策建议,具体是:（1）不但要治标,提高植被覆盖率,更要治本,防止或减缓土地石质化,同时还要增加群众收入;（2）按照坡地岩土组成的垂直分带特点,因地（土）制宜,开展治理;（3）重视矿质肥料的施用;（4）在纯碳酸盐岩土石质和石质坡地农田的小型蓄水工程修建中,要加强集流面建设。      

On the character of distribution of chemical elements in nature

Distribution of chemical elements in nature is controlled by the general physical-chemical state of natural processes, a result of the effort to reach thermodynamic equilibrium. Natural processes, forming geologic objects (e.g., rocks, ores) usually do not reach total chemical equilibrium. This is reflected in distributions of chemical elements in nature. We recognize symmetric as well as asymmetric distributions. The question arises, what distribution in nature is most commonly followed? Evidently, this should be a distribution of chemical elements in thermodynamic equilibrium throughout the system, thus with maximum entropy. This paper notes that Gauss's normal distribution may be derived from statistic explanation of entropy as a function of contnt of chemical elements in a system with application of Einstein's formula.     

The effect of weathering on the grain-size distribution of red soils in south-eastern China and its climatic implications

Particle-size analysis is a useful way to determine the source and deposition of sediments. However, there are inconsistencies when this method is used to constrain the origin of the red soils in south-eastern China. To address this problem, we performed a detailed grain-size analysis of two red soil sequences in Xuancheng and Qiliting located along the lower reaches of the Yangtze River. By comparing their particle-size characteristics with those of the loess on the Loess Plateau in northern China, we found that the aeolian samples plot in a particular zone in the C–M (grain size of the cumulative 1% versus median grain size) plot and cluster nearer the lower left corner of the plot as their degree of weathering increases. The grain-size features suggest that the onset of large-scale aeolian deposition along the lower reaches of the Yangtze River occurred at approximately 0.8 Ma. Although both sedimentary sorting and post-depositional weathering control the grain-size variations in the deposits, the extremely strong weathering due to the humid, warm climate along the lower reaches of the Yangtze River primarily modified the grain-size distributions of the primary red soil deposits. Strong weathering increased the very fine silt (2–5 μm) fraction and decreased the coarse (>63 μm) fraction. We also found that certain grain-size parameters of the red soils varied with the weathering intensity, which can be used as indicators of palaeoclimate variations. The grain size variations in both the Qiliting and Xuancheng sequences suggest that the mid-Pleistocene climate transition (MPT) may have affected the lower reaches of the Yangtze River at 0.9 Ma.     

应用于水文与工程地质的化探新方法土壤吸附汞地球化学测量

介绍了化探土壤吸附汞地球化学测量方法的基本原理,指出土壤中汞异常具有多种来源,单一测汞方法不能区别其来源。测汞方法最重要的作用最准确指出汞气的迁移通道－基岩的断裂破碎带。因此该方法更适用于水文与工程地质勘查,特别是地下水勘查。     

西南三江碰撞造山带沉积岩容矿Pb-Zn-Ag-Cu贱金属复合成矿与深部过程

西南三江特提斯造山带中新生代沉积盆地中(沱沱河、玉树、昌都和兰坪-思茅地区)发育包括金顶超大型铅锌矿床在内的一系列以沉积岩容矿的Pb-Zn-Ag-Cu贱金属矿床,构成长达千余千米的青藏高原东缘贱金属成矿带。作为大陆碰撞环境成矿谱系的重要矿床类型,加强这些矿床的理论研究对提高和完善大陆碰撞造山成矿理论和指导找矿勘查等具有重要意义。已有研究表明这些Pb-Zn-Ag-Cu矿床的分布受盆地形成后新生代大型逆冲推覆-走滑构造控制,其容矿岩石和成矿作用特征与SEDEX和MVT矿床存在明显的差异,矿床成矿流体表现出多来源混合的特征,成矿与深部过程密切相关。尽管取得重要进展,但由于缺乏高精度年代学数据制约,成矿动力学背景及其与碰撞造山的时空联系存在较大争议。一些矿床的研究显示复合成矿迹象,但是复合成矿过程与深部驱动等问题仍不清楚。近年来我们以兰坪和昌都盆地的Pb-Zn-Ag多金属矿床和Cu多金属矿床为重点研究对象,系统开展了成矿年代学、成矿流体源-运-储系统和复合成矿机制以及深部过程对成矿制约等方面研究。结果表明,兰坪盆地西缘Cu(Mo)多金属矿床主要形成于48～58Ma,兰坪和昌都盆地Pb-Zn-Ag多金属矿床主要形成于27～33Ma。成矿流体表现出明显的多来源混合的特征,主要存在三种类型:1)变质流体与盆地卤水或大气降水复合成矿,以金满-连城Cu矿床为代表; 2)盆地卤水与大气降水复合成矿,以金顶Pb-Zn矿床为代表; 3)盆地卤水和岩浆流体复合成矿,以拉诺玛Pb-Zn-Sb矿床为代表。兰坪盆地西缘Cu矿床主要形成于新生代印度-欧亚大陆主碰撞挤压阶段,与成矿密切相关的变质流体可能来源于陆-陆碰撞俯冲引起的高压变质。Pb-Zn矿床主要形成于印度-欧亚大陆晚碰撞构造转换环境,构造挤压和造山隆起驱动盆地流体迁移,同期的岩浆活动主要为成矿提供热驱动力或成矿物质。     

Progresses and Prospects of the Research on Soil Erosion in Karst Area of Southwest China*

The karst area of Southwest China is suffering from serious ecological and environmental problems due to soil erosion while the research on soil erosion is not sufficient. Primary achievement was systematically reviewed in this paper in three aspects: erosion characteristics, current researches about erosion on different spatial scales, and key scientific problems. Based on the review, the authors figured out the shortcomings of the existing studies and pointed out the directions on erosion study in southwest China karst region. The results showed that: ① Due to the existence of a dual structure in karst environment including ground and underground erosion, the process of runoff and sediment production on slope scale and confluence and sediment transportation processes on catchment scale were more complex under the unique geological and hydrological backgrounds; ② At present, most researches about erosion mechanism in karst area focus on slope scale and some achievements on quantitative evaluation of erosion factors have been made. Continuous data with high quality about relationship between water and sediment on catchment scale is limited. When data is scarce, river sediment data can be used as an effective way to study soil erosion intensity and spatial-temporal variation in karst area; ③ It is more reasonable to use 50 t/(km²·a) as the grading standard of soil loss tolerance than the previous grading standard of soil erosion intensity. Given the complex relationship between rocky desertification and soil erosion, more quantitative studies about the effects of rocky desertification on soil erosion are still necessary. There are different viewpoints on soil leakage definitions, leakage mechanism and leakage ratios, and new breakthroughs could be achieved by combining different methods and matching multi-scales. In conclusion, in order to further reveal soil erosion laws and establish and revise available regional soil erosion forecasting models for Southwest China karst areas, synchronous test and monitoring on slope, watershed, and channel spatial scales are urgently needed. The results can provide theoretical and technical support for promoting soil and water conservation work for the karst area of Southwest China.     

中国中东部平原及周边地区土壤有机碳分布与变化趋势研究

依据多目标区域地球化学调查数据对比研究中国中东部地区土壤有机碳分布与变化特征。中东部平原及周边地区河北、河南、湖北、湖南、广东与海南等6省经黄河、长江纵贯南北,由较高纬度带到较低纬度带,跨越温带、亚热带和热带地区的截然不同的自然景观,调查面积约33.4万km2,表层土壤(0～0.2m)碳储量为906.84Mt,平均碳密度为2 716.93t/km2。连接更高纬度带的东北平原土壤碳密度,中东部地区由高纬度带至低纬度带碳密度呈现高低高低的规律性变化,即3 327.8t/km2(东北平原)2 207.39、2 421.02t/km2(河北、河南)3 442.15、3 942.92t/km2(湖北、湖南)2 255.90、2 936.72t/km2(广东、海南)。不同生态系统碳密度均值比研究发现,由高纬度带至低纬度带农田与城市系统均值比呈反向变化,农田趋高,城市趋低。与第二次土壤普查相比,中东部地区20年期间土壤有机碳总计增加115.18Mt,占14.5%,年均增加5.76Mt。但有机碳增加比例极不平衡,由高纬度带至低纬度带增加比例及变化速率呈显著降低趋势乃至负增长。其中农田、城市系统变化比例呈现增长,呈下降趋势的由大至小为潮间带、河流、湖泊、草原、森林及沼泽等。     

呼仁布其凹陷土壤油气化探异常成因类型及异常模式

呼仁布其凹陷在下二叠统基底之上沉积了厚达4000 m的河湖相含煤、含油碎屑岩,具有良好的油气地质条件和资源前景。结合大地电磁测深法解译的断裂构造及地层展布,对南次凹土壤油气化探异常特征进行了研究和分析,探讨了呼仁布其凹陷的土壤油气化探异常模式,分析了化探异常成因类型。本次研究填补了该区化探资料空白,为研究区油气资源调查与评价提供了重要依据。