山東省定陶地區(qū)富鍶土壤地質(zhì)成因研究

曹艷玲，吳波，范振華，崔素，劉倩然，郭鵬，王艷婷

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

鍶是對人體有益的微量元素，該元素對人體主要有促進(jìn)骨骼和牙齒生長發(fā)育功能，是人體所必須微量元素。人體所有的組織中都有鍶，人體內(nèi)鈉過多容易引起高血壓、高血脂、高血糖、心血管疾病，而鍶卻能減少人體對鈉的吸收，有預(yù)防“三高”及心血管疾病的作用。多食含鍶食物可以強(qiáng)壯骨骼，提高智力，養(yǎng)顏且延緩衰老。

山東省富鍶土壤分布區(qū)域較少，在以往小比例尺的調(diào)查工作中，整個菏澤地區(qū)為鍶含量偏低的區(qū)域。隨著近幾年1∶5萬土壤調(diào)查工作的開展，查明了菏澤定陶地區(qū)陳集鎮(zhèn)、孟海鎮(zhèn)、半堤鎮(zhèn)和杜堂鄉(xiāng)共4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)總面積約260km2的區(qū)域內(nèi)土壤基本都富鍶，該發(fā)現(xiàn)打破了以往菏澤地區(qū)土壤中鍶含量低的認(rèn)知，為了更好地規(guī)劃富鍶土壤種植區(qū)域，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，本文就定陶地區(qū)土壤富鍶地質(zhì)原因進(jìn)行分析研究，為尋找富鍶土壤區(qū)域提供借鑒①。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)內(nèi)全部被第四紀(jì)黃河組覆蓋(圖1)，第四系與其下的新近系沉積厚度較大。區(qū)域上隱伏地層由老到新有奧陶紀(jì)馬家溝群、石炭—二疊紀(jì)月門溝群本溪組、新近系，研究區(qū)內(nèi)第四系下基本為奧陶紀(jì)馬家溝群，僅在東北部有少量石炭—二疊紀(jì)月門溝群本溪組發(fā)育。研究區(qū)內(nèi)為黃河組菏澤段，主要巖性為灰黃色細(xì)—粉砂土夾褐黃色黏質(zhì)粉砂土及少量棕紅色黏土，發(fā)育交錯層理。厚度一般4～13m，由西向東、由南西至北東有變薄的趨勢。

1—黃河組菏澤段；2—大汶口組；3—石盒子群；4—山西組；5—太原組；6—本溪組；7—馬家溝群；8—地層界線；9—隱伏地層界線；10—隱伏斷層

研究區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺的東南部，華北斷拗與魯中臺隆的接壤部位，具體位于華北盆地內(nèi)，華北盆地從第三紀(jì)到第四紀(jì)處于大面積沉降時期，為河湖相沉積。歷次構(gòu)造運(yùn)動造成本區(qū)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，按其展布方向主要分為近EW向和近SN向斷裂。分別位于研究區(qū)的東、西、南、北共4個方向(圖2)。東部為曹縣斷裂，西部為聊城-蘭考斷裂，南部為鳧山斷裂，北部為菏澤斷裂。研究區(qū)無巖漿巖出露。

1—凸起；2—凹陷；3—斷裂；4—省界；5—研究區(qū)

研究區(qū)水位埋藏較深，一般8～11m，局部地段<8m，潛水蒸發(fā)微弱，地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，排泄方式以人工開采為主。地下水劃分為3個含水巖組：淺層地下水含水巖組(淺層地下水)、中深層地下水含水巖組(中深層地下水)和深層地下水含水巖組(深層地下水)。淺層地下水含水巖組在區(qū)內(nèi)廣泛分布，埋深一般在20～40m，大部分埋深為6～10m，即本次的研究對象。地下水總體流向自南西向北東方向流動。巖性以粉細(xì)砂、粉砂為主，細(xì)砂、中砂次之，砂層累計厚度一般在10～20m之間。單井出水量一般在20～40m3/h(降深6m)。水化學(xué)類型為HCO3-Na型，礦化度在0.7～3.1g/L之間。pH值一般在7.15～8.73之間，為弱堿性水。

2 工作方法

對研究區(qū)進(jìn)行淺層土壤、深層土壤和地下水取樣、化驗(yàn)和分析。淺層土壤按照1km×1km的網(wǎng)格密度進(jìn)行取樣，取樣密度為1件/km2，取樣深度0.20m，共取樣260件。深層土壤按照2km×2km的網(wǎng)格密度進(jìn)行取樣，取樣密度為1件/4km2，取樣深度2.00m，共取樣65件。研究區(qū)無泉水，地下水取樣均為機(jī)井取樣，機(jī)井深度均在20m以內(nèi)，取樣深度6～8m，共取樣40件。

樣品測試工作由山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院實(shí)驗(yàn)室、山東省物化探勘查院巖礦測試中心、山東省分析測試中心、中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心和華北有色地質(zhì)勘查局燕郊中心實(shí)驗(yàn)室共同完成。土壤化驗(yàn)采用原子熒光光度計(AFS820)、電子分析天平(BS224S)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(原子熒光光度計)等對土壤中有機(jī)質(zhì)、P，K，B，Mn，Zn，Cu，Se，Mo，pH，As，Cd，Cr，Hg，Pb，Ni，Co，V，Sb，Ca，F(xiàn)e，S，Ge，Sr等多種元素進(jìn)行測試，測試方法按照《土壤質(zhì)量》(GBT22105—2008)和《土壤和沉積物》(HJ803—2016)，將最終測得土壤樣中原始數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，用偏度系數(shù)和峰度系數(shù)，將異常數(shù)據(jù)剔除后淺層土壤剩余252件滿足要求的數(shù)據(jù)(表1)，深層土壤剩余64件滿足要求的數(shù)據(jù)(表2)。從表中可以看出，淺層土壤鍶含量為137.05～308.90mg/kg，平均值為225.69mg/kg。深層土壤鍶含量193.10～254.28mg/kg，平均值為222.82mg/kg。

表1 定陶淺層土壤Sr含量(mg/kg)

續(xù)表1

表2 定陶深層土壤Sr含量(mg/kg)

表3 定陶地下水Sr含量(mg/L)

分析方法的準(zhǔn)確度用國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行考核，用選定的土壤樣品分析方法，對每個國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析12次，并分別計算每件標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)每種元素測量值的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的對數(shù)偏差，其結(jié)果均符合準(zhǔn)確度的要求。

目前對鍶在土壤中的評價沒有全國統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，全國A層土壤鍶背景值為165mg/kg(中國土壤背景值1990)，山東省菏澤地區(qū)土壤鍶含量基準(zhǔn)值為204mg/kg，未進(jìn)行分級標(biāo)準(zhǔn)的確定。湖北省將土壤中鍶含量大于200mg/kg劃分為很豐(一級)，109～200mg/kg為豐(二級)[1]，本次參照該標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)252件樣品中Sr含量變化范圍137.05～308.90mg/kg，平均值225.69mg/kg；其中，鍶含量大于200mg/kg的樣品為208件，占總樣品的82.54%；屬于109～200mg/kg范圍內(nèi)的為44件，占總樣品的17.46%。因此，研究區(qū)絕大部分區(qū)域?yàn)楦绘J區(qū)域，將數(shù)據(jù)結(jié)果繪制等值線圖(圖3)。在圖3中，淺綠色往紅色方向漸變?yōu)?00mg/kg以上含量區(qū)域，淺綠色逐漸變藍(lán)為130～200mg/kg含量區(qū)域，從圖中可以看出，僅研究區(qū)南部及東南部有部分區(qū)域?yàn)?200mg/kg，而研究區(qū)北部區(qū)域含量普遍較高，最高達(dá)300mg/kg以上。

3 地質(zhì)成因分析

3.1 基于沉積環(huán)境分析

鍶礦床成因主要有兩種：與沉積作用有關(guān)的沉積型礦床和與火山活動有關(guān)的火山型礦床[2]，成礦時代以新生代為主，其次為中生代[3]。由前文可知，研究區(qū)地表均為第四紀(jì)黃河組覆蓋，主要巖性為灰黃色細(xì)—粉砂土夾褐黃色黏質(zhì)粉砂土及少量棕紅色黏土，厚度4～13m，研究區(qū)無巖漿巖出露。所以，研究區(qū)土壤中Sr含量高與沉積作用有關(guān)，并且是新生代沉積。沉積巖中鍶的豐度詳見表4。

表4 沉積巖中鍶的豐度

研究區(qū)第四系為砂巖和粉砂巖及少量黏土，由表中可以看出，普通的砂巖、粉砂巖和黏土巖中鍶的豐度并不高，分別為28mg/kg和44mg/kg，距離本次化驗(yàn)的137.05～308.90mg/kg有很大的差距，而研究區(qū)鍶含量高，說明當(dāng)時沉積時是從別處搬運(yùn)而來，并不是當(dāng)?shù)仫L(fēng)化沉積。

1—采樣點(diǎn)位置；2—鄉(xiāng)鎮(zhèn)

鍶在風(fēng)化作用中為活動性陽離子，其水遷移系數(shù)Kx為0.1～1，屬遷移能力強(qiáng)的元素[4]。在風(fēng)化作用下，鍶以重碳酸鹽形式進(jìn)入水溶液中，呈真溶液形式搬運(yùn)，搬運(yùn)過程中發(fā)生化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，在水動力降低的位置再沉淀下來，說明鍶元素是可以被搬運(yùn)的。搬運(yùn)有風(fēng)化搬運(yùn)和水流搬運(yùn)，而目前研究區(qū)測得的鍶含量明顯高于研究區(qū)所含巖性該有的鍶含量，說明鍶是從鍶礦或鍶富集的巖性區(qū)域搬運(yùn)而來。鍶礦在國內(nèi)較為少見，僅青海、云南、陜西、湖北、重慶、四川、江蘇7個省有鍶礦，以青海省為最多，山東省目前無已查明鍶礦床。已查明鍶礦的省份距離山東省都較遠(yuǎn)，研究區(qū)周邊也沒有鍶含量高的巖石，而風(fēng)化搬運(yùn)一般距離不會很遠(yuǎn)，因此，風(fēng)化搬運(yùn)的可能性被排除，只可能是水流搬運(yùn)。

3.2 基于黃河故道變遷分析

根據(jù)《山東省定陶縣生態(tài)農(nóng)業(yè)地質(zhì)背景調(diào)查報告》(2003年)，定陶包氣帶巖性主要為近代河流沖積而成，巖性分布與古河道及現(xiàn)代河道相吻合。現(xiàn)在的黃河雖然不經(jīng)過定陶，從南宋到明清時期，黃河故道流經(jīng)菏澤市東明縣、曹縣、單縣、定陶區(qū)、成武縣等(圖4)，并且定陶始終位于黃泛區(qū)內(nèi)。因此，推測研究區(qū)表層土壤為黃河故道流經(jīng)定陶時期由黃河沉積而成，是河流搬運(yùn)的結(jié)果。

1—禹河故道(前2278—前602年)；2—西漢故道(前602年—11)；3—東漢故道(11—1048年)；4—北宋故道(1048—1128年)；5—南宋故道(1128—1368年)；6—明清故道(1368—1855年)；7—前602年海岸線；8—11年海岸線；9—1048年海岸線；10—1126年海岸線；11—1855年海岸線；12—古湖泊；13—黃泛區(qū)

研究區(qū)地表被第四紀(jì)黃河組覆蓋，厚度4～13m，南宋至明清時期時間約800年，估算其沉積速度為0.5～1.6cm/a，該沉積速度是在合理范圍內(nèi)的。

眾所周知，黃河發(fā)源于青海省巴顏克拉山北麓的約古宗列盆地，其源頭區(qū)為多石峽谷[5]，形成時間為晚更新世晚期[6]。流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個省區(qū)，最后于山東省東營市墾利縣注入渤海。根據(jù)資料，黃河在青海省鄂陵湖以下才有較大的輸沙量，其上輸沙量少且基本被湖泊截留沉淀[7]。而青海鍶礦是國內(nèi)鍶礦最多的省份，占全國鍶資源量的48.3%，除了鍶礦外，也廣泛出露含鍶高的各類巖石。在地質(zhì)歷史中，黃河周邊巖石遭受風(fēng)化，經(jīng)黃河沖刷和地下水的溶蝕，將巖石中的鍶轉(zhuǎn)移到黃河水中，最初以重碳酸鹽的形式存在，最終在黃河下游沉積下來。現(xiàn)今長江流域、淮河流域及長江流域都存在隨著經(jīng)度和緯度數(shù)值的增加其水中鍶含量增高的現(xiàn)象，且源于碳酸鹽巖和硅酸鹽巖的風(fēng)化作用[8-11]，受地質(zhì)地形和流域發(fā)育程度的影響大[12]，說明這三大河流流域范圍內(nèi)都存在鍶向下游富集的現(xiàn)象。長江和黃河都發(fā)源于青海省，淮河發(fā)源于河南，同時也是黃河流經(jīng)的省份。黃河流經(jīng)的上游區(qū)域鄂爾多斯高原[13]、秦嶺[14]及青海省[15]、四川省[16]、甘肅省[17]等均有多處富鍶區(qū)域或者鍶礦床，國內(nèi)多位學(xué)者進(jìn)行過不同的研究。因此，分析研究區(qū)土壤中鍶來源于黃河故道的沉積。

在沉積過程中，微量元素的含量與周圍的古環(huán)境、古氣候有十分緊密的關(guān)系[18]，微量元素Sr作為一種喜干元素與喜濕元素Cu的比值大小可以有效的反映潮濕、溫暖型氣候或干旱、炎熱型氣候。當(dāng)Sr/Cu值大于10時，反映了干熱氣候環(huán)境，位于1～10反映濕潤的氣候環(huán)境[19-22]。將本次252件樣品Sr/Cu值列入表5。

從表中可以看出，Sr/Cu值5.52～18.58，平均值9.50，其中1～10的有161件樣品，大于10的有91件樣品。說明當(dāng)時沉積環(huán)境較為濕潤，這與黃河流經(jīng)此處沉積的古沉積環(huán)境是吻合的。也驗(yàn)證了定陶地區(qū)富鍶主要是黃河故道沉積形成。

3.3 基于水化學(xué)分析

前已述及，黃河除發(fā)源地青海省鍶礦及含鍶巖石多外，流經(jīng)多地發(fā)現(xiàn)鍶礦或有富鍶地下水，如果能找到其化學(xué)特征的關(guān)聯(lián)性就能很好的證明研究區(qū)富鍶與黃河有關(guān)。

含鍶礦物主要是天青石和菱鍶礦，天青石主要化學(xué)成分是SrSO4，是自然界中最常見的含鍶礦物，主要見于白云巖、石灰?guī)r、泥灰?guī)r和含石膏黏土等沉積巖中；菱鍶礦主要化學(xué)成分是SrCO3，重要性僅次于天青石，且與天青石共生。

表5 定陶地區(qū)Sr/Cu值

對研究區(qū)地下水進(jìn)行取樣，認(rèn)為水化學(xué)類型為HCO3-Na型，Sr含量為0.71～5.14mg/L，平均為2.40mg/L，達(dá)到富鍶程度(表6)。

表6 研究區(qū)淺層地下水化驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計分析

表7 研究區(qū)地下水主要化學(xué)元素相關(guān)系數(shù)矩陣(n=40)

4 結(jié)論

本文基于菏澤定陶地區(qū)富鍶土壤的沉積環(huán)境分析、黃河故道變遷分析、水化學(xué)分析，得出如下結(jié)論：

(1)研究區(qū)土壤中富集的鍶不是當(dāng)?shù)仫L(fēng)化沉積，而是從鍶含量很高的區(qū)域搬運(yùn)而來。

(2)歷史上黃河故道曾流經(jīng)研究區(qū)，并且該區(qū)全部位于黃泛區(qū)內(nèi)，黃河源頭及流經(jīng)區(qū)域多處富含鍶礦及鍶含量高的巖石，研究區(qū)土壤元素Sr/Cu值顯示古沉積環(huán)境較為濕潤，故推斷黃河故道沉積形成研究區(qū)第四系富鍶土壤，沉積速度為0.5～1.6cm/a。