河套地区土壤矿物组成分析及与各元素关系.doc

河套地区土壤矿物组成分析及与各元素关系赵文涛1，2，王喜宽1，2 ，张青2 ，瘳蕾1，2，赵锁志1，2， 李世宝2(1中国地质大学（北京），北京，100083；2.内蒙古自治区地质调查院,内蒙古，呼和浩特，010020；)摘要:通过对河套地区土壤中矿物组成的分析研究，土壤中矿物组成中砂质成分主要为石英、长石、方解石，粘土矿物组合主要为伊利石、绿泥石和高岭石，此外还有角闪石等少量矿物成分。伊利石是河套地区土壤中主要的粘土矿物，其他粘土矿物还有绿泥石、高岭石、蒙脱石。不同的土壤物质中组成矿物含量不同，在沙土粉沙土中石英、长石含量较高，在以粘土质为主的土壤中粘土矿物含量增加。粘土矿物与石英以及长石呈反相关关系，与大多数元素呈明显正相关关系。这表明，土壤中各元素的含量主要与粘土矿物呈正相关关系，粘土矿物对各元素具有明显吸附性，各元素含量与石英、长石呈反相关关系，说明其对元素不具有吸附性。关键字:河套地区；土壤；矿物组成；粘土矿物中图分类号: 文献标识码:1前言矿物质与重金属离子间的相互作用已是当今环境科学、矿物学，土壤化学等学科领域研究的热点1。元素在土壤中的物质成分与土壤的矿物组成具有十分重要的联系，研究这种关系对于分析研究土壤物质来源及其分布特征具有非常重要的意义。研究表明：相同母质不同样品中同一矿物含量变化较小，表现出同母质土壤矿物组成与含量具有相似性2。土壤中的粘粒可以有效吸附阳离子3，粘粒与大部分元素具有正相关关系。细粒组分含有更多的粘土矿物和有机质, 对重金属元素吸附力强, 使重金属元素倾向于在细粒组分中富集4。本论文是以内蒙古河套地区生态地球化学调查项目工作成果为基础，对河套地区不同地区土壤进行了土壤矿物分析与土壤中元素全量的分析，并对土壤矿物与土壤元素之间的关系进行分析研究。2样品采集与分析2.1 样品采集对河套地区选择不同成土母质进行样品布置。样品采集按照多目标区域地球化学调查规范5的要求采集地表0-20cm的土壤，样品重量大于500克，样品分为两份，一份300克进行土壤矿物相分析，一份200克进行土壤元素全量分析。共计采集样品28件，样品岩性以粘土、粉砂粘土、粉砂为主，少数为细砂和钙质结核。2.2 样品分析土壤矿物相样品由中国地质大学（武汉）分析测试中心分析，土壤全量样品由中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所实验室按照多目标区域地球化学调查样品分析要求进行分析。3工作成果3.1 土壤矿物相成果3.1.1 土壤矿物特征土壤矿物分析结果列入表1。表中含量为“有”是指矿物含量很少，但在分析图谱有显示；角闪石是砂土中的常见矿物，含量少于1%；石膏多数样品中有，但含量很低。样品中的粘土矿物主要是伊利石，其次为绿泥石；高岭石在多数样品中都有分布，含量不高；蒙脱石和伊利石及蒙脱石混层粘土矿物作为一种矿物报出；砂质的成分主要为石英、长石；样品中普遍存在方解石，其含量多数在510%之间。从表1中看出，矿物成分中的粘土矿物组合为伊利石、绿泥石和高岭石，而且以伊利石、绿泥石为主，反映了温带半湿润半干旱的气候特点。另外，绝大多数样品中含有很少量和性质不稳定的角闪石矿物，另外普遍存在次生石膏。从矿物的风化和新生矿物的角度反映了全新统晚期气候环境特点，地球化学环境处于一个氧化环境，气候较为干凉。碳酸盐矿物中以方解石为主，白云石含量很少。在不同的物质成分中，矿物含量明显不同。粉沙土类型的土壤中石英为主，含量大于55%。其次为长石，含量介于7-14%之间。粘土矿物含量较低，伊利石含量介于7-13%之间，绿泥石含量介于2-5%之间，高岭石含量介于1-3%。灌淤土和粘土类型的土壤中石英长石含量明显降低，石英含量小于45%，长石含量小于10%。粘土矿物明显增多，伊利石含量介于19-34%之间，绿泥石含量介于5-14%之间，高岭石含量介于2-12%。黄土中石英、长石含量较多，粘土矿物含量较低。表1 河套地区土壤矿物组成一览表Table 1 The schedule of composing for the soil minerals in the Hetao area岩性矿物成分（%）石英长石方解石白云石伊利石绿泥石高岭石*石膏角闪石粉砂7276有92-31-2有有有粉砂7012有83-42-32-3有细砂6486有7338有粉砂60133有1352-33-4有粉砂6975有103-42-31-2有粉砂5814102-382-32-31-2有粉砂土57147有1172-3有有灌淤土4487有19758有有灌淤土3976有25868有有粘土4386有20957有有粘土21592-3331486有有粘土40782-321767有有粘土38881-223865有有砖红粘土441072-32083-53-5有粘土34610有261157有粘土37662-324161-251-2有含粘土粉砂45132-31-219656有粘土36577211067有黄土59127有1152-32-3有粘土20611有2311622有粘土2175有29121212有有粘土337428998有有砖红粘土21511有341287有有粉砂粘土3658有26134-551-2有粉砂粘土3858有261165有有粉砂粘土3863-4有271176有粘土2251072712610有钙质结核51-278有851-2有注：由中国地质大学（武汉）分析测试中心分析；标*者为蒙脱石和伊利石/蒙脱石；有指矿物含量很少。3.1.2 土壤矿物相之间相关关系对土壤中主要矿物相进行相关关系计算，从表2可以看出，长石与石英之间具有正相关关系，是土壤物质中耐风化矿物的主要成分。长石、石英与粘土矿物呈明显反相关关系，说明以石英、长石矿物为主的沙土中，粘土矿物伊利石等含量较低。相反，在粘土为主的土壤中，粘土矿物伊利石等含量增高，石英、长石等碎屑耐风化矿物降低。从次生矿物的组合看，土壤成分中以粘土矿物为主，碳酸盐矿物次之，硫酸盐矿物含量很少。根据河套地区成土母质分布特征，粉沙土主要分布在黄河南岸，以风沙土、沙土为主要成土母质；灌淤土、粘土主要分布在后套地区，以黄河冲洪积物为主要成土母质；粉沙质粘土主要分布在大黑河平原区，以潮土土壤为主。黄土区主要分布在粟褐土分布区，以黄土母质为主。综上所述，土壤中矿物成分的组成反映了土壤的类型及其性质，是土壤成壤作用、元素表生地球化学迁移、气候环境等综合因素的产物。表2 土壤中各类矿物之间相关性Table 2 The relativity of various minerals in the soil 变量长石方解石石英伊利石绿泥石高岭石蒙脱石粘土矿物长石1.00-0.450.68-0.51-0.54-0.35-0.30-0.51方解石-0.451.00-0.50-0.22-0.10-0.28-0.15-0.22石英0.68-0.501.00-0.69-0.70-0.55-0.52-0.73伊利石-0.51-0.22-0.691.000.880.810.500.96绿泥石-0.54-0.10-0.700.881.000.550.470.88高岭石-0.35-0.28-0.550.810.551.000.590.85蒙脱石-0.30-0.15-0.520.500.470.591.000.71粘土矿物-0.51-0.22-0.730.960.880.850.711.00说明粘土矿物=伊利石+绿泥石+高岭石+蒙脱石3.2 土壤矿物相与元素相关关系对土壤矿物相与各元素进行了相关关系的分析，从表3可以看出，绝大多数元素与石英、长石呈反相关，与各种粘土矿物呈正相关。相关关系反映了土壤矿物与不同元素的相关性，说明了不同土壤矿物具有不同的吸附元素能力，也反映了不同元素对矿物的吸附选择性。3.2.1土壤矿物与元素之间的相关性从上述土壤矿物相与各元素相关关系表及图中可以看出，伊利石是河套地区土壤中主要的粘土矿物，石英以及长石是主要矿物成分，其他粘土矿物还有绿泥石、高岭石、蒙脱石。粘土矿物与石英以及长石呈反相关关系，与大多数元素呈明显正相关关系。这表明，土壤中各元素的含量主要与粘土矿物呈正相关关系，与石英、长石呈反相关关系。伊利石与As、Cd、Co、Cr、Cu、F、Hg、Mn、N、Ni、Pb、Se、Th、Zn、Fe2O3；绿泥石与As、Cd、Co、Cr、Cu、F、Mn、Ni、Pb、Se、Th、U、Zn、Fe2O3；高岭石与Cd、Co、Cr、Cu、F、Mn、N、Ni、Pb、Se、Th、Zn、Fe2O3；蒙脱石与Co、Cu、Mn、Fe2O3具有较强相关性。与伊利石、绿泥石、高岭石中均有强相关关系的元素是Cd、Co、Cr、Cu、F、Mn、Ni、Pb、Se、Zn、Fe2O3，说明铁族元素、多金属元素、Se等与这些主要的粘土矿物具有较好的相关性，是容易被粘土矿物吸附的元素。蒙脱石是在河套地区土壤中含量较少的粘土矿物，与部分铁族元素和多金属元素具有强相关性。3.2.2元素与元素之间的相关性在各元素之间也具有明显的相关性。大多数元素主要是铁族元素、多金属元素以及As、Se、Hg、Th之间具有较强相关性。反映了绝大多数元素之间具有比较密切的联系。Cl与S、Na之间具有非常密切的联系，根据河套地区多目标区域地球化学成果（王喜宽等，2007），这反映了河套地区盐碱化的特征。河套地区盐碱化在地表土壤中的主要标志是Cl与S的富集，并具有比较紧密的相关性，Cl与Na是盐份的主要组成物质。Mo、F、U三元素之间具有比较紧密的相关性，是河套地区表层土壤中非常具有特征的元素组合，这三种元素具有非常强烈的迁移性，易于在地表水中溶解并被水流携带在低处沉积，这也是河套地区湖泊中这几种元素比较富集的原因。根据对其中矿物与矿物、矿物与元素之间的散点图（图1）分析，石英与粘土矿物伊利石之间呈一元二次线性相关，随着石英含量增加，伊利石含量降低。选择As作为元素代表与石英进行散点分析，也可得出与伊利石和石英之间相近的图示。粘土矿物（伊利石+绿泥石+高岭石）与Cu、As之间具有高度二元线性相关，其他铁族元素、多金属元素也具有相似特点。伊利石与各元素的相关性与粘土矿物（伊利石+绿泥石+高岭石）一致。U、Mo之间代表了一些特殊元素所具有的相关特征。这些图只是上述各元素、各矿物之间相关性的代表性图示，只是为更进一步说明土壤中各类矿物之间，矿物与元素之间，元素与元素之间的相关特征。表3 主要矿物与元素强相关关系（X0.5）表Table 2 The relativity （X0.5）of the main minerals and various elements 矿物元素正相关负相关长石石英、Na2O伊利石、绿泥石、Cd方解石长石石英、Cr、Th、K2O伊利石绿泥石、高岭石、蒙脱石、As、Cd、Co、Cr、Cu、F、Hg、Mn、N、Ni、Pb、Se、Th、Zn、Fe2O3长石、石英绿泥石伊利石、高岭石、As、Cd、Co、Cr、Cu、F、Mn、Ni、Pb、Se、Th、U、Zn、Fe2O3长石、石英高岭石伊利石、 绿泥石、蒙脱石、Cd、Co、Cr、Cu、F、Mn、N、Ni、Pb、Se、Th、Zn、Fe2O3石英蒙脱石伊利石、高岭石、Co、Cu、Mn、Fe2O3石英MnCLAY、蒙脱石、As、Cd、Cr、Cu、F、Hg、N、P、Pb、Se、Th、Fe2O3、K2O石英N伊利石、高岭石、As、Cr、Cu、Hg、Mn、P、Pb、Se、Th、Zn、Fe2O3、K2OFe2O3CLAY、蒙脱石、As、Cd、Cr、Cu、F、Hg、Mn、N、P、Pb、Se、Th、Zn、K2O石英AsCLAY、Cd、Cr、Cu、F、Hg、Mn、N、P、Pb、Se、Th、Zn、Fe2O3、K2O石英CdCLAY、As、Cu、F、Hg、Mn、Pb、 Se、Th、Zn、Fe2O3长石、石英、Na2OClS、 Na2OCrCLAY、As、Cu、F、Hg、Mn、N、P、Pb、Se、Th、Zn、Fe2O3、K2O方解石FCLAY、As、Cd、Cr、Cu、Mn、Mo、Se、Th、U、Zn、Fe2O3石英Hg伊利石、As、Cd、Cr、Cu、Mn、N、P、Pb、Se、Th、Zn、Fe2O3MoF、UPAs、Cr、Cu、Hg、Mn、N、Pb、Se、Th、Zn、Fe2O3、K2OPbCLAY、As、Cd、Cr、Cu、Hg、 Mn、N、P、Se、Th、Zn、Fe2O3、K2OSClSeCLAY、As、Cd、Cr、Cu、F、Hg、Mn、N、P、Pb、Th、Zn、Fe2O3石英ThCLAY、As、Cd、Cr、Cu、F、Hg、Mn、N、P、Pb、Se、Zn、Fe2O3、K2O方解石U绿泥石、F、MoZnCLAY、As、Cd、Cr、Cu、F、Hg、Mn、N、P、Pb、Se、Th、Fe2O3、K2ONa2O长石、ClCdK2OAs、Cr、Cu、Mn、N、P、Pb、Th、Zn、Fe2O3方解石石英负相关：方解石、CLAY、蒙脱石、As、Cd、Cu、F、Mn、Se、Fe2O3说明CLAY代表：伊利石+绿泥石+高岭石3.2.3 对河套地区土壤中元素分布的影响根据以上资料，在河套地区决定土壤中各种元素含量高低的主要是粘土矿物与石英、长石。粘土矿物多，石英、长石含量低，绝大多数元素包括铁族元素、多金属元素等均呈富集特征。相反，粘土矿物少，石英、长石含量高，绝大多数元素包括铁族元素、多金属元素等均呈贫化特征，这就解释了河套地区区域元素分布特征。即在以平原为主的地区，由于黄河以及大黑河冲积物沉积的作用，土壤中粘土矿物较多，石英、长石矿物较少，形成绝大多数元素含量富集特征；在黄土区，土壤中粘土矿物中等，石英、长石矿物比平原区多，形成绝大多数元素含量呈背景特征；在沙化区，土壤中粘土矿物较少，石英、长石矿物较多，形成绝大多数元素含量贫化特征。Chart1：The relativity chart of the main minerals and various elements图1 主要矿物与元素的相关关系图3.3 结论1、河套地区土壤矿物中粘土矿物主要以伊利石为主，其次为绿泥石和高岭石；主要的砂质矿物以石英为主，其次是长石。粘土矿物与石英、长石呈反相关关系。2、粘土矿物与铁族元素、多金属元素以及Se、As、Hg等具有较强的正相关关系，反映了粘土矿物对这些元素具有较强的吸附能力。石英、长石与上述元素具有明显反相关关系，说明石英长石对这些元素不具吸附性能。3、河套地区盐碱化的主要元素是Cl、S、Na，三者具有较强的相关关系；U、F、Mo是河套地区特征的元素组合，是低洼地区如湖泊中富集的主要元素。参考文献1何宏平，郭九泉. 蒙脱石等粘土矿物对重金属离子吸附选择性的实验研究. 矿物学报J.1999年第19卷2期. 231-235.2郑喜坤，汪庆华，鲁安怀等.浙江土壤矿物组成特征J.地质通报.2005年第8期. 45-49.3李伟，陈岳龙，杨忠芳等.山西省土壤有机质和粘粒对元素地球化学行为的影响研究J.矿物岩石地球化学通报. 2007年4月.第26卷.4Xiangdong Li, Chi - sun Poon, Pui Sum Liu. Heavy metal contamination of urban soils and street dusts in Hong Kong J. Applied Geochemistry, 2001,16 : 1361- 1368.5中国地质调查局（DD2005-1），多目标区域地球化学调查规范SComposition analysis of the soil mineralas and the relativity with elements in the Hetao areaZhAO wen-tao1,2，WANG xi-kuan1,2，ZHANG qing1，LIAO lei1,2，ZhAO shuo-zhi1,2，LI shi-bao1(1. China University of Geosciences,Beijing,100083,China；2Institute of Inner Mongolia Autonomous region geological survey,