地球化學(xué)成果在基礎(chǔ)地質(zhì)研究中的應(yīng)用
——以定西—靜寧地區(qū)為例

王 翔

（甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 蘭州 730000）

1 序言

加強(qiáng)地質(zhì)成果應(yīng)用，提升自然資源環(huán)境在整個地球系統(tǒng)中的認(rèn)知水平，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境、自然資源、氣候變化為一體的基礎(chǔ)研究工作，目的在于為農(nóng)業(yè)種植、環(huán)境保護(hù)、碳排放控制，以及生態(tài)文明建設(shè)和國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

元素背景變化及元素組合異常特征，標(biāo)志著特定的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境［1］。以土壤為研究目標(biāo)的地球化學(xué)調(diào)查，從土壤元素的分布變化特征和區(qū)域生態(tài)變化角度出發(fā)研究氣候環(huán)境變化，形成環(huán)境氣候研究理論；以土壤環(huán)境變化指示元素和地質(zhì)構(gòu)造變化為特征，為推斷古氣候、古地理環(huán)境、第四紀(jì)氣候演變和環(huán)境變化提供有力的依據(jù)，進(jìn)而為人類應(yīng)對當(dāng)前氣候變化和預(yù)測未來生存環(huán)境變遷提供重要的背景資料［2］。

2 研究區(qū)概況

2.1 研究區(qū)位置及自然地理概況

研究區(qū)位于甘肅省中東部地區(qū)，地處東經(jīng)104°8′～106°32′，北緯34°34′～36°12′之間，調(diào)查范圍涉及定西市安定區(qū)、隴西縣、通渭縣，白銀市會寧縣，平?jīng)鍪徐o寧縣、莊浪縣及天水市秦安縣、張家川回族自治縣、清水縣、甘谷縣。

研究區(qū)位處西北黃土高原邊緣與秦嶺支脈丘陵地帶之間，主要為六盤山褶皺山區(qū)及陜甘寧黃土邊緣之間過渡帶，多為黃土梁峁和溝谷地形，地勢高低不平、溝壑縱橫。平均每平方公里土地約有1.07 km的溝壑，因黃土山脊與谷地形成＂V＂形深谷，呈現(xiàn)出河谷川地、河谷盆地、丘陵坡地和樹枝狀溝壑等多種地貌景觀。

區(qū)內(nèi)地貌類型屬于黃土低山丘陵，受大陸性氣候影響，有著千溝萬壑的地形，形成了植被稀疏，溝谷陡峭，降雨集中，水土流失嚴(yán)重的特點。其地貌特征廣泛分布，也備受學(xué)者研究。

2.2 氣候特征

研究區(qū)整體屬大陸性溫帶季風(fēng)氣候，是中溫帶干旱、半濕潤半干旱地區(qū)，四季分明，日照充足，氣候溫和。年均溫差較大，形成－20～30℃之間的巨大溫差，年平均氣溫達(dá)11.9℃。因降水夏季較多，冬春季節(jié)較少，年均降雨量350～600 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)1 400 mm，無霜期159 d，光熱資源豐富，年均日照時為2 209 h。

2.3 土壤

研究區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域為黃土覆蓋區(qū)，是第四系形成的陸相黃色粉砂質(zhì)土狀堆積物。黃土的構(gòu)成以黏土、細(xì)砂粒、方解石為主，顏色大多為淺黃色；黃土在整個土質(zhì)系統(tǒng)中屬于優(yōu)質(zhì)土壤，具有腐殖、淋溶、淀積的層次特征，還具有疏松多孔易于水汽下滲的獨(dú)特特性。農(nóng)業(yè)種植中黃土屬于較上等土壤，富含多種微量元素和植物所需的大量元素，是優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品種植的重要產(chǎn)區(qū)，但受氣候環(huán)境的影響，自然災(zāi)害的不確定性制約了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

3 研究內(nèi)容及方法

本文利用《甘肅省定西—靜寧地區(qū)1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查》成果數(shù)據(jù)，按照中國地質(zhì)調(diào)查局《多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范》（1∶250000）（DZ／T 0258—2014）、《土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價規(guī)范》（DZ／T 0295—2016）規(guī)范要求，采取了表層（20 cm）和深層（150 cm）采樣方法。表層為每平方千米一件樣品；深層為每4 km2一件樣品。表層樣品由每4 km2分析一個組合樣，深層樣品由16 km2分析一個組合樣，最終分析了54項元素指標(biāo)參數(shù)，以部分元素來指示氣候環(huán)境狀況，套合土壤風(fēng)化淋溶系數(shù)、冷暖系數(shù)、干旱系數(shù)和化學(xué)風(fēng)化指數(shù)，評價推斷該地區(qū)氣候環(huán)境的變化［3］。

3.1 土壤風(fēng)化淋溶系數(shù)（ba值）

土壤風(fēng)化淋溶系數(shù)ba是指土壤中的鹽基，即氧化鉀、氧化鈉、氧化鈣、氧化鎂與氧化鋁的分子比值，ba值越小，表示土壤中保存的鹽基含量越低，淋溶作用越弱；反之則越強(qiáng)［4］。

利用調(diào)查區(qū)表層土壤樣品分析測試數(shù)據(jù)，經(jīng)上式計算后繪制形成土壤風(fēng)化淋溶系數(shù)分布圖見圖1。

圖1 調(diào)查區(qū)土壤風(fēng)化淋溶系數(shù)分布圖

由圖1可以看出，土壤風(fēng)化淋溶系數(shù)在張家川縣和清水縣的關(guān)山山前及內(nèi)官營的蔬菜種植基地等地區(qū)綠色植物覆蓋地區(qū)的土壤風(fēng)化淋溶作用較為嚴(yán)重，范圍在0.56～1.07之間。而在安定區(qū)以北的葛家岔、魯家溝、石峽灣一帶的黃土丘陵區(qū)風(fēng)化淋溶相比最弱，鹽基含量較高，ba值在1.4～1.55之間。

3.2 冷暖系數(shù)G值

冷暖系數(shù)G值反映了環(huán)境的氣候條件，G值為二氧化硅與三氧化二鋁和三氧化鐵的相對分子量比值。G值高說明氣候濕潤溫暖，低則顯示氣候寒冷。

調(diào)查區(qū)內(nèi)G值絕大部分處在低值區(qū)內(nèi)，表征氣候相對寒冷，只有安定區(qū)以北的地區(qū)G值相對稍高（見圖2）。

圖2 調(diào)查區(qū)冷暖系數(shù)分布圖

3.3 干旱系數(shù)

干旱系數(shù)用Mg／Ca比值表征，其值越低指示氣候條件越濕潤，越高則說明氣候越干旱。

調(diào)查區(qū)干旱系數(shù)值主要介于0.2～0.3之間，氣候較為干旱。相對濕潤的高值區(qū)主要在張家川縣、清水縣的關(guān)山山前地區(qū)和安定區(qū)內(nèi)官營鎮(zhèn)附近（圖3），干旱系數(shù)相對來說比全區(qū)高，這與植被覆蓋率呈顯著的相關(guān)性。

圖3 調(diào)查區(qū)干旱系數(shù)分布圖

3.4 化學(xué)風(fēng)化指數(shù)（CIW）

通常利用K、Na、Ca、Mg等硅酸鹽礦物的流失程度來分析土壤風(fēng)化指數(shù)變化，其計算分析方法較多，本次采取的化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIW（Chemical Index of Weathering）公式能客觀反映化學(xué)風(fēng)化的真實情況。CIW為氧化鋁與氧化鋁、氧化鈣和氧化納相對分子量的比值。

CIW值為沉積物中黏土礦物的缺乏程度，其值越高，表示風(fēng)化程度越高。通過研究全區(qū)CIW值分布圖（圖4），發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的CIW平均值為0.54，范圍在0.48～0.8之間，說明研究區(qū)風(fēng)化程度較弱。清水縣南部地區(qū)CIW值大于0.65，是全區(qū)風(fēng)化程度相對較高的土壤。中部的義崗川和西北部的白碌CIW平均值為0.21，風(fēng)化程度最小。這種變化僅僅在研究區(qū)具有對比的意義，放在大的區(qū)域內(nèi)對比意義大不。研究區(qū)CIW值高于0.70的僅21 km2左右，分析對比發(fā)現(xiàn)這些CIW高值區(qū)，仍含有較高的Na、K等易溶元素，因此，研究區(qū)屬低風(fēng)化土壤，土壤發(fā)育程度較弱。

圖4 調(diào)查區(qū)化學(xué)風(fēng)化指數(shù)分布圖

4 結(jié)論

土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查成果在基礎(chǔ)地質(zhì)研究中對土壤風(fēng)化淋溶、氣候冷暖變化、干旱程度及土壤風(fēng)化程度有著廣泛的應(yīng)用，但受其他因素影響，僅僅作為研究性工作的指示性指標(biāo)。

（1）通過計算研究區(qū)ba值，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)北部地區(qū)綠色植物覆蓋地區(qū)的土壤風(fēng)化淋溶作用較為嚴(yán)重。

（2）通過計算研究區(qū)冷暖系數(shù)G值，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)絕大部分處在低值區(qū)內(nèi)，表征氣候相對寒冷。

（3）通過計算研究區(qū)干旱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)干旱系數(shù)值主要介于0.2～0.3之間，氣候較為干旱。

（4）通過計算研究區(qū)化學(xué)風(fēng)化指數(shù)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)以輕風(fēng)化土壤為主，僅在研究區(qū)南部的清水縣地區(qū)CIW值偏高。