（环境工程专业论文）四川xc天然气田土壤环境质量评价.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着人口的快速增长，工业生产规模的不断扩大和城镇化的快速发展， 许多有害物质进入了土壤系统，土壤污染已成为全球面临的一个严重环境问 题。目前人们主要关注的是工、农业生产引发的人为污染土壤问题，而对由 于自然因素本身或诱发的土壤环境污染问题给予的研究较少。四川x c 天然 气田是目前川内最大的天然气田，已查明储量1 1 4 0 亿立方米，化探结果显示， 在气田区内某些微量金属含量普遍偏高，而且在气田区内有烃类微渗漏现象。 由于气田开发区是一个典型的农业耕作区，环境问题正在逐渐显露，研究天 然气田本身或气田开发对全区的土壤、水质乃至生态环境的影响意义重大。 本文通过对研究区土壤环境现场调研，采集土壤及烃类物质样本，采用 x 荧光分析，电感耦合等离子发射光谱分析，原子吸收光谱分析，中子活化 分析等现代测试分析手段对研究区土壤中的微量金属含量，土壤中烃类组份 含量，天然气内痕量金属含量，进行测试分析，并用原子力显微镜观察天然 气及气田土壤气中痕量金属的存在形式，在此基础上对研究区的土壤环境质 量现状进行评价，并初步探讨了现有土壤环境下对农作物生长的影响。研究 结果如下： 1 研究区内土壤中，微量金属m n 、p b 、b a 、n i 、z n 、c u 、m o 、c d 、 h g 、a s 的含量，无论在土壤浅层或土壤深层，各微量金属含量的平均值均高 于全国土壤、德阳地区土壤微量金属含量的平均值。其中微量金属镉的平均 值为最高，在土壤中的最高含量为1 0 7 6 m g , g 。 2 研究区内土壤中，微量金属m n 、p b 、b a 、n i 、z n 、c u 、m o 、c d 、 h g 、a s 在土壤浅层和深层中的含量分布趋势基本一致，除金属h g 外，绝大 多数微量金属在深层土壤中的含量大于浅层土壤。 3 采用污染指数法对研究区内的土壤环境现状进行评价，结果表明：区 内土壤中c d 的污染程度最高，采样点范围内6 2 的土壤存在中度污染，2 的土壤在存在重度污染：c u 、n i 次之，3 3 的土壤存在c u 轻度污染，1 8 西南交通大学硕士学位论文第| i 页 的土壤存在c u 中度污染：2 1 土壤存在n i 轻度污染，2 3 的土壤存在n i 中 度污染：a s 、h g 相对较弱，8 2 8 4 的土壤无污染，1 2 一1 8 的土壤有轻微 污染；p b 和z n 的污染程度最轻。 4 研究区内的农作物小麦和油菜中，微量金属镉含量已大大超过食品安 全指标，在小麦中镉的最高含量0 3 6 m g k g ，油菜中最高含量0 3 9 m g k g ，农 作物中已出现镉污染迹象。 论文首次对四川天然气田区的土壤环境现状进行评价，结果表明研究区 内的农业土壤己呈现微量重金属污染迹象，c d 、c u 、n i 已使部分土壤出现中 度污染。并从微观分析的角度认为，土壤微量重金属污染与天然气田烃类的 渗漏有关，尤其是天然气中发现多种微量金属元素，对深入研究气田区的生 态环境、农业生态环境乃至地区的可持续发展具有十分重要意义。 关键词：土壤环境；微量金属；污染：烃；渗漏 西南交通大学硕士学位论文第1 il 页 a b s tr a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fp o p u l a t i o n ，t h ec o n s t a n te x p a n s i o no fp r o d u c t i o n s a l ea n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n ，l o t so fh a r m f u ls u b s t a n c e sh a v e e n t e r e di n t ot h es o i l s y s t e ma n dt h e s o i l p o l l u t i o nh a sb e c o m eas e r i o u s e n v i r o n m e n t a lp r o b l e mt h eg l o b a lf a c e s a tp r e s e n t ，p e o p l ep a ym u c ha t t e n t i o nt o t h ea r t i f i c i a lp o l l u t i o ns o i lp r o b l e mp r o d u c e db yt h ei n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n ，b u td ov e r yl i t t l er e s e a r c ho nt h es o i le n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e m o fn a t u r a lf a c t o r so ri n d u c e db yt h e m n o w a d a y s ，x cn a t u r a lg a sf i e l dw i t ht h e m e a s u r e dg a sr e s e r v e so f114 0 108 m 3 h a sb e c o m et h el a r g e s to n ei ns i c h u a n ， w h e r et h eg e o c h e m i c a le x p l o r a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts o m et r a c em e t a lc o n t e n t sa r e g e n e r a l l yh i g h e ra n dt h eh y d r o c a r b o nm i c r ol e a k a g ep h e n o m e n o ne x i s t s b e c a u s e t h eg a sf i e l dd e v e l o p m e n ta r e ai sat y p i c a la g r i c u l t u r a lc u l t i v a t i o na r e aa n d e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sa r eg r a d u a l l yu n c o v e r e d ，t h er e s e a r c hf o rn a t u r a lg a s f i e l d so rg a sf i e l dd e v e l o p m e n ti so fs i g n i f i c a n ti m p o r t a n c et os o i l s ，w a t e rq u a l i t y a n de v e ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n t b a s e do nt h es i t ei n v e s t i g a t i o no ft h es o i le n v i r o n m e n ti nt h es t u d ya r e a ，t h i s p a p e rc o l l e c t e ds a m p l e so fs o i la n dh y d r o c a r b o ns u b s t a n c e s ，t e s t e da n da n a l y z e d t r a c em e t a lc o n t e n t sa n dh y d r o c a r b o nc o m p o n e n tc o n t e n t so fs o i l s ，t r a c em e t a l c o n t e n t so f g a sb yu s i n g s u c hm o d e mt e s t a n a l y s i st e c h n o l o g i e s a s x r a y f l u o r e s c e n c ea n a l y s i s ，i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m aa t o m i ce m i s s i o ns p e c t r o g r a p h i c a n a l y s i s ，a t o ma b s o r p t i o ns p e c t r u ma n a l y s i sa n dn e u t r o na c t i v a t i o na n a l y s i s ，a n d o b s e r v e d ，w i t ht h ea t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，t h ee x i s t i n gf o r mo ft r a c em e t a l so f n a t u r a lg a sa n ds o i lg a so ft h eg a sf i l e d o nt h i sb a s i s ，i te v a l u a t e dt h ec u r r e n ts o i l e n v i r o n m e n t a lq u a l i t yo ft h es t u d ya r e aa n dp r e l i m i n a r i l yd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c e o ft h ep r e s e n ts o i le n v i r o n m e n to nt h ec r o p 伊o w t h t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ea s 西南交通大学硕士学位论文第1 v 页 f o l l o w s ： 1 i nt h es o i l so ft h es t u d ya r e a ，t h ea v e r a g ev a l u e so ft h ec o n t e n t so ft r a c e m e t a l sm n ，p b ，b a ，n i ，z n ，c u ，m o 、c d ，h g ，a s ! w h e r e v e ri nt h es h a l l o w s o i ll a y e ro rt h ed e e ps o i ll a y e r ，a r eh i g h e rt h a nt h o s eo ft h en a t i o n a ls o i l sa n d d e y a n g t h ec dc o n t e n ta m o n gt h e m i st h eh i g h e s tw i t ham a x i m u mo f 1 0 7 6 m g g 2 i nt h es o i l so ft h es t u d ya r e a ，t h ec o n t e n td i s t r i b u t i o nt r e n do ft r a c em e t a l s m n ，p b ，b a ，n i ，z n ，c u ，m o ，c d 、h g ，a so f t h es h a l l o ws o i l sa r eb a s i c a l l y i d e n t i c a lw i t ht h a to ft h ed e e ps o i l s t h ec o n t e n t so fm o s tt r a c em e t a l se x c e p th g o ft h ed e e ps o i l sa r eh i g h e rt h a nt h o s eo ft h es h a l l o ws o i l s 3 t h ec u r r e n ts o i le n v i r o n m e n ti nt h es t u d ya r e ai se v a l u a t e dw i t ht h e p o l l u t i o ni n d e xm e t h o d ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tc dp o l l u t i o nd e g r e ei st h e h i g h e s t ，t h en u m b e ro ft h e s o i ls a m p l i n gp o i n t sh a v e6 2 a tt h em o d e r a t e p o l l u t i o nl e v e la n d2 a tt h eh e a v yp o l l u t i o nl e v e l ；c ua n dn ip o l l u t i o nd e g r e e t a k es e c o n dp l a c e ，f o rt h ef o r m e r , 3 3 a tt h es l i g h tp o l l u t i o nl e v e l ，18 a tt h e m o d e r a t ep o l l u t i o nl e v e l ，a n df o rt h el a t t e r , 21 a tt h es l i g h tp o l l u t i o nl e v e l ，2 3 a tt h em o d e r a t ep o l l u t i o nl e v e l ；a sa n dh gp o l l u t i o na r er e l a t i v e l yw e a k ， 8 2 8 4 h a v en op o l l u t i o n ，1 2 , - - 18 a r ea tt h es l i g h tp o l l u t i o nl e v e l ；p ba n dz n p o l l u t i o nd e g r e ea r et h es m a l l e s t 4 t h et r a c em e t a lc dc o n t e n tg r e a t l ye x c e e d st h ef o o ds a f e t yi n d e xo fw h e a t a n dr a p ei nt h es t u d ya r e a a n dt h em a x i m u mc dc o n t e n to fw h e a ti s0 3 6 m g k g a n dw h i c ho fr a p ei s0 3 9 m g k g c dp o l l u t i o ne x i s t si nt h ec r o p s t h ec u r r e n ts o i le n v i r o n m e n to fn a t u r a lg a sf i e l d si ns i c h u a ni sf i r s te v a l u a t e d i nt h i sp a p e r , a n dt h er e s u l t ss h o wt h a ta g r i c u l t u r a ls o i l ss h o wt r a c eh e a v ym e t a l p o l l u t i o ni nt h es t u d ya r e a ，p a r t so f w h i c ha r ea tc d ，c ua n dn im o d e r a t ep o l l u t i o n l e v e l i ti sc o n s i d e r e dt h a t ，f r o mt h ev i e wo fm i c r o a n a l y s i s ，t h es o i lt r a c eh e a v y 西南交通大学硕士学位论文第v 页 m e t a lp o l l u t i o ni sm i m e dt ot h eh y d r o c a r b o nl e a k a g ee x i s t i n gi nt h eg a sf i e l d ， e s p e c i a l l ym a n y k i n d so ft r a c em e t a le l e m e n t sa r ed i s c o v e r e di nt h en a t u r a lg a s ， w h i c hh a v ei m p o r t a n tm e a n i n gf o rt h ef u r t h e rs t u d yo nt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ， t h e a g r i c u l t u r a le c o l o g i c a l e n v i r o n m e n ta n de v e nt h et e r r i t o r i a ls u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ti nt h eg a sf i e l d s k e y w o r d s ：s o i le n v i r o n m e n t t r a c em e t a lp o l l u t i o n h y d r o c a r b o n s e e p a g e 西南交通大学四南父= 通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密匦在 z 年解密后适用本授权书； 2 、不保密田，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：1b 2 r 醐：叩棚佣 乞 加房 签1 师 趴 揪 沙 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 本学位论文的主要创新内容如下： 采用污染指数法对研究区内的土壤环境现状进行评价，结果表明：区 内土壤中c d 的污染程度最高，采样点范围内6 2 的土壤存在中度污染， 2 的土壤在存在重度污染；c u 、n i 次之，3 3 的土壤存在c u 轻度污染， 1 8 的土壤存在c u 中度污染；2 1 土壤存在n i 轻度污染，2 3 的土壤存 在n i 中度污染；a s 、h g 相对较弱，8 2 8 4 的土壤无污染，1 2 1 8 的土壤有轻微污染；p b 和z n 的污染程度最轻。 学位论文作者签名： _ j 仨认秒 嗍：1 引川 西南交通大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究意义及选题依据 1 1 1问题的提出及研意究义 众所周知天然气是人类生存的主要能源之一。特别是近十几年来大、中 型天然气田在我国不断被发现，使天然气在能源结构中的比例越来越大。四 川德阳x c 气田是上个世纪9 0 年代初开发的成都经济区内具有较高储量的天 然气田，它的成功开发不仅满足了德阳市及周边地区的生活用气，而且部分 供应成都地区，大大满足了广大群众的生产和生活需要。然而随着天然气田 的开发、利用，气田区内及周边地区的环境问题也逐渐显露出来。 1 农作物的表现：自气田开采以来，人们开始注意到天然气田区内有的 地块稻谷不生长，后来则猛长，但不结果实，不断出空壳；小麦抽穗早，无 收成；油菜长至2 0 c m 高还不结籽；果树结的果实非常小( 照片l 一1 ) 。 2 水质表现：在天然气田区及周边居住的农民大多饮用自家水井中的地 下水，长期以来有的水井中的水颜色发红；随着气田的开发，当地农民逐渐 发现水井中的地下水发生了较明显的变化，井水烧开后水垢增多；有的井水 煮饭米饭颜色发黑；从水井中抽出的地下水是清撤透明的，但放置3 0 分中后 则变浑浊。 3 土壤表现：土壤颜色夹带明显，土块中黑色夹带白色，黑色夹带黄色； 水田冒气泡；对气田区的土壤进行取样分析，结果发现，土壤中有游离的气 体，主要是甲烷、乙烷、丁烷，且土壤中某些金属元素的含量大大超出本地 区土壤元素的背景值。 上述现象表明在天然气田区局部范围的土壤环境、地下水环境等在向不 利于动、植物及人体健康的方向发展，但这地区的土壤环境、水环境是否 西南交通大学硕士学位论文第2 页 已经被污染、污染程度如何及污染原因等都是值得关注的问题，尤其是土壤 环境，它是人类赖以生存的物资基础，是农业生态系统的主要组成部分，是 绿色植物的生长基地，土壤一旦被污染会对人类带来极大的危害，它不仅直 接影响粮食、作物的产量和品质，而且还通过不同的途径对清洁的水资源及 大气环境构成威胁。 ( a ) 西南交通大学硕士学位论文第3 页 ( b ) 照片1 - 1 ( a ) 异常农田( b ) 正常农田 土壤污染一方面是一些人为因素导致酌金属和非金属元素及各种无机 物和有机化合物叠加在自然物质基础之上，使土壤环境中含有过量韵对人体 有害的组分。【】 如：大量使用农用化肥、农药：城市污水的农业利用及城市 垃圾、有毒废弃物的堆放；高交通量造成的多环芳烃及铅含量异常都可能造 成土壤污染。这些人为增加的有机物和无机物改变了原来：e 壤的物质循环， 当土壤中某些污染物积累到一定程度，超过了土壤的自净能力时，就会破坏 原有的生态平衡，使f ：壤被污染。特别是金属元素，某些有害金属元素在土 壤中大量 ! 累，进而在植物或农作物体内积累并通过食物链进入人体，对人 类健康带来潜在危害f 2 - q 。目前，人们已经认识到人为因素是造成土壤环境被 污染的重要原因。另一方面，自然因素也对匕壤环境产生污染效应。如：火 山喷发、地震、矿层地下水等“，在砷矿区或富砷地层，其周围土壤中砷的含 量可达1 76 1 3 0 2 m g g ，( 土壤中砷的平均含量大约为0l 09 r a g g ) ，在日本， 意大利近代火山活动的地区，土壤中砷的平均含量高达2 0 m g g ，由于含砷量 高，在矿区周围的居民有砷中毒流行“j 。 土壤是人类所需的不可替代的自然资源，它的形成过程及为复杂，但其 实质是生物积累过程和地球化学过程相互作用的结果。母质与母岩是形成土 西南交通大学硕士学位论文第4 页 壤的物质基础，成土母质与生物之间的物质交换决定和影响着土壤有机质的 形成和分解；成土母质与气候因素之间的物质交换，决定了土壤物质淋溶的 土壤地球化学过程；在土壤的形成过程中，土壤元素参加了地质和生物的循 环，经历了复杂的迁移、再分配、相互作用和堆积的历史进程。土壤元素的 迁移和转化受到众多因素的影响，包括土壤的外界环境、土壤的内部条件和 化学元素本身的性质，如气候、生物、岩石、土壤的酸碱性、氧化还原性和 吸收性等l 引。 在油气田区由于各种原因，8 0 以上已探们明的油气田均有油气微渗漏现 象【9 】。有证据表明，油气微渗漏的组分主要是烃类( 碳、氢化合物如：甲 烷、乙烷等轻烃和芳烃类) 物质，其次是非烃物质( 包括含硫、氮、氧的挥 发性有机化合物、挥发性有机金属化合物、无机气体和h g 气等 9 1 。、它们进 入土壤、水环境后，会发生一系列的物理、化学和生化作用，直接或间接地 危害环境。直接危害是侵入土壤、水中的油气微渗漏物质本身，植物生理学 发现，烃可以粘着在植物根系上形成一层粘膜，阻碍根系的呼吸与吸收功能， 甚至引起根系的腐烂，影响植物生长。此外，油气田开发过程中烃类物质可 通过气井窜入浅部含水层污染地下水。间接危害在于油气微渗漏物质富集于 土壤中，它们可以改变土壤的物理、化学性质，土壤性质的改变可能导致土 壤中某些金属元素活化使之迁移、转化、积累最终对土壤、水质及生态作物 产生污染效应，如微渗漏组分之一的c h 4 与0 2 作用生成c 0 2 ，土壤溶液中 c 0 2 含量的增减常引起各种碳酸岩的溶解或沉淀；微渗漏的非烃物质h 2 s 在 土壤水中的存在，则易引起还原作用，产生硫化物沉淀，显著降低许多亲硫 元素的迁移能力f 8 。岩体中的金属元素也可能和周围的有机物发生配位反应， 有学者指出，土壤酸能从岩石风化产物中萃取很多金属，并形成有机配和物 i o - 1 1 。近几年地气法的研究1 2 1 揭示了在地壳内存在一种新的元素迁移方式， 这种元素迁移的量是很微弱的，在通常情况下人们不易察觉。由于在地球内 部存在氧、氮一氧化碳、甲烷等气体 13 1 ，在温度差、压力差等的作用下，这 西南交通大学硕士学位论文第5 页 些气体不断地由内部向外部迁移，形成总体垂直上生的气流，些元素的纳 米级物质随上生气流的运载而迁移至地表。迁移距离可达几百米，在构造条 件下可达几千米。在四川宣汉气田的地质体上，已观察到元素呈纳米级物质 垂直向上迁移的存在【1 4 】。当存在断裂时，深部迁移上来的元素会被土壤吸附 而积累在土壤中，经过漫长的地质年代，源源不断迁移上来的量超过土壤中 的平均含量时，会造成元素浓度异常。这些研究提示我们在天然气田区可能 存在有害元素污染环境的现象，引导人们从多种角度调研和探索土壤环境污 染问题。 在地球环境中，由于土壤容纳和承载了来自各方面的物质成份，【3 】【1 5 】处 于地球系统元素富集和分散的最活跃圈层，土壤地球化学环境的恶化，能从 纵向影响水质环境，生态环境及大气环境等。所以我们可以从地球化学角度 出发来探讨油气区的土壤环境( 污染) 问题，分析、研究地球化学元素在区 域或局部的分布、分配规律，确定污染元素的产生、来源( 源头) 及存在状 态，形成的物理化学条件等，研究污染元素在岩石( 圈) 、水( 圈) 土壤( 圈) 、 大气( 圈) 和生物( 圈) 之间的迁移、转化和循环规律，并对产生污染和危 害的元素进行污染( 危害) 程度评价，为进一步正确评价土壤环境质量奠定良 好基础。 随着全球人口的不断增加和工业化、城市化的加速发展，人类社会面临 着资源短缺、能源匮乏、环境污染、生态破坏和自然灾害的严重威胁。尤其 是环境污染，如果任其发展，势必危及整个人类的生存和发展。天然气田因 烃类的渗漏或泄漏产生的环境变化问题已经被注意到了，但由于在国外天然 气田多在人烟稀少的沙漠或沼泽地区，对环境造成的影响未能引起足够的重 视；所以在这方面的研究比较少，成了一个被忽略的问题。另一方面，天然 气田烃类渗漏对环境的影响是长期而缓慢的，这可能也是至今未受重视的另 一原因。而我国和外国尤其是中东、俄、美等产油国不同。我国的人口众多， 天然气田多在人较密集且经济较发达的地区，仅成都经济区现就育天然气田 西南交通大学硕士学位论文第6 页 高达1 2 个之多，且多在人口密集的区域和重要的农作物产区，因气田渗漏和 泄漏所造成的环境问题逐渐显露出来。尤其是在气田勘探开发过程中产生的 泄漏，由于量大而直接，对生态环境的影响十分严重，有时可能是灾难性的， 可以说“祸从地出”，因此，必须十分重视，这也是本文研究的意义所在。 1 1 2 选题依据 成都平原经济区油、气储藏较丰富，现己查明并投入开发的有德阳新场、 罗江、东泰、合兴场、马井，成都市大邑、金马、新都、洛带等天然气田。 这些天然气田都存在程度不等的烃类微渗漏，对它们的地球化学环境评价具 十分重要的现实意义和科学意义。其中x c 气田是成都经济区乃至四川最大 的天然气田，仅侏罗系储层就多达十数层，己查明储量l1 4 0 亿立方米。它有 以下特点：( 1 ) x c 天然气田埋藏较浅，一般在2 0 0 0 m 以内，烃类微渗漏较 明显，对环境的影响也可能比较显著。调查发现，气田附近农作物的生长、 发育状况及水质状况有“异常”现象，因而选择x c 气田作土壤环境评价具有 典型性和代表性。( 2 ) x c 气田研究程度较高，除地震工作以及百余口天然气 钻井外，早期还作过油气化探工作，烃类异常比较明显，且具有分带性，如 图1 1 。1 9 9 1 年四川省地质矿产局化探队作了区域化探调查，化探结果显示， 气田分布地区某些金属元素普遍偏高，如：c u 、b 、s e 、m o 、a s 、p b 、u 、 h g 、c d 、f 、s b 等均高于其它地区，有些和有机化探异常对应较好，因此选 择该气田为重点解剖对象有较好的基础。( 3 ) x c 气田地区是重要的农产品生 产区之一，经济作物比重大。综上所述选择该天然气田进行土壤环境评价对 保护环境，对工农业的发展，对人体健康乃至地区的可持续发展有着十分重 要的社会意义和经济效益。 西南交通大学硕士学位论文第7 页 t 绵竹一 乒。 f j 罗田 饥。 j 舌并墙 “圈_ $ 囤h x * 、。 叵司工生、# 斛 图1 1x c 气田地球化学f 有机) 异常固 1 2 国内9 1 、研究现状及存在问题 121 研究现状 在我国因资源开发和利用而造成的环境污染问题己成为制约经济和社 会可持续发展的重要因素，国家已开始重视这些地区的环境问题，对有资源 的地区或因资源开发引起的土壤环境问题，主要有以下几个方面的研究： 1 土壤元素背景值研究 这方面的研究，4 0 年来国内外做了大量工作。1 9 6 1 年美国地质调查局在 美国大陆本土展开背景值的调查工作，1 9 8 4 年发表了美国大陆土壤及其地 表物质中的元素浓度专向报告，1 9 8 8 年完成全国土壤背景值的研究工作， 哂 熬 b 曼 了、 西南交通大学硕士学位论文第8 页 共分析近5 0 个元素。我国于七十年代中期开展土壤元素背景值研究引，1 9 8 2 年国家科委将土壤背景值调查研究列入“六五”重点科技攻关课题，1 9 8 6 年再 将其列为“七五”重点技术攻关课题，先后对除台湾省外的( 省) 区所有土壤 类型的元素背景值进行了调查，分析元素近6 0 余个，出版了中国土壤背景 值等专著。进入九十年代，张乃明 ”1 贝0 于1 9 9 1 年首次以大的地貌为统计单 元，对土壤元素背景值进行分区探索，为土壤环境质量标准的制定及土壤污 染控制提供了参考依据。 2 土壤环境容量与土壤质量标准的研究 发达国家在六十年代开展了土壤环境容量研究，起步早的有日本、英国、 美国等。我国这方面的工作始于七十年代后期，“六五”和“七五”期间土壤环 境容量研究列入了国家科技攻关项目。关于环境质量标准研究，首先要制定 环境质量基准，基准的制定大致有二种技术路线：地球化学法和生态环境效 应法。有了环境质量基准，再结合社会、经济和技术情况，经综合考虑，确 定土壤环境质量标准，或称最高允许浓度。张乃明【| 8 】于1 9 9 4 年运用地球化学 与生态效应相结合的方法研究制定了山西农田重金属的控制标准；国家环保 局南京环科所在土壤背景值和土壤环境容量研究工作的基础上，于1 9 9 5 年起 草制定了我国的土壤环境质量标准( g b l 5 6 1 8 1 9 9 5 ) ，这为土壤重金属污染提 供了判断尺度。 3 土壤环境调查与质量评价研究 国内外学者针对不同地区已进行了很多土壤环境调查及质量评价方面的 研究工作。国际上，l o t t e r m o s e re ta l 1 9 】对澳大利亚新南威尔士州东北部的g u l f c r e e k 铜矿区进行环境地球化学调查。酸性矿坑水为该区土壤和植被的最主要 污染源，其p h 为2 2 3 4 。研究结果表明，土壤重金属a s ，c u ，p b 和z n 的 含量明显高于背景值，其污染程度依次为c u a s z n p b 。 r a p a n te ta 1 2 0 对斯洛伐克共和国的土壤、水体和水系沉积物的环境地球 化学进行了调查。完成了l ：1 0 0 0 0 0 0 全国环境地球化学制图和l ：5 0 0 0 0 区域环 西南交通大学硕士学位论文第9 页 境地球化学帛图。并采用污染程度( c d ) 法对土壤重金属污染进行环境质量 评价。 j u n g 2 玎对韩国i m c h e o na u a g 矿区的土壤进行了重金属污染调查。结果 表明，矿山开采对该地区的土壤造成了污染，污染源主要为酸性矿坑水和尾 矿。采用污染指数( p i ) 评价土壤重金属污染情况。p i 的计算公式为： p i = ( ( c d 3 ) + ( c u 10 ) + ( p b 10 0 ) + ( z n 3 0 0 ) ) 4 。评价结果表明：酸性矿坑水 和尾矿附近的土壤污染指数大于1 0 ，受到重金属污染。 l ie ta l 2 2 1 对香港城市土壤重金属污染进行了调查。并将多年的调查数据 进行对比。研究结果表明，老商业区和工业区的土壤重金属c d ，c u ，p b 和 z n 的含量更高。表明交通废气和工业废物是主要污染源，另外碳酸盐化肥也 是公园土壤重金属的重要污染源。从1 9 5 0 2 0 0 0 年的土壤调查对比数据看， 香港城市土壤重金属污染在上世纪6 0 7 0 年代最为严重，之后呈逐年下降趋 势。 k i m 【2 3 1 对位于韩国西南部的d u c k u m 金一银矿区的土壤进行重金属污染评 价，重点对矿区土壤中的a s ，c d ，c u ，p b 和z n 进行了调查和评价，研究发 现尾矿中a s ，c d ，c u ，p b 和z n 含量的均值分别为6 8 5 、7 8 、9 9 、3 7 5 4 和 7 3 3 m g k g ，其含量依旱地、农田而依次降低。 s p o n z a aa n dk a r a o g l u 2 4 1 对土耳其a l i a g a 金属工业区的地球化学质量进 行了调查。重点调查了该区土壤的f e 、t i 、m n 、c r 、p b 、c u 、n i 、z n 和m o 的含量，并采用污染指数法对土壤环境质量进行了评价。结果显示：随着里 工业区距离的加大，污染指数逐步降低。 k r i s h n aa n dg o v i l 2 5 】对印度r a j a s t h a n 工业区土壤重金属污染进行了调查。 测试了土壤采样样品中p b ，c r , c u ，z n ，s r 和v 的含量。结果表明：土壤p b ， c r ，c u ，z n ，s r 和v 的含量明显高于正常的背景值。其中：p b 为2 9 3 m g k g ： c r 为2 4 0 m g k g ：c u 为2 9 8 m g k g ：z n 为13 6 4 m g k g ；s r 为2 6 9 4 m g k g ：v 为 3 7 7 m g k g 。这些重金属含量高的土壤进一步影响了农产品的质量，从而危及 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 到人民的生命安全。 国内，孙丽娜 弱】运用模糊评价方法和地质地球化学方法，对碧流河上游 金矿开发环境地球化学及其对生态环境的影响进行了综合评价，特别对卧龙 泉河流域土壤重金属含量的空间分布特征进行了研究。郑袁明等 2 7 1 以一个完 整的省级行政单元( 北京市) 为例，开展大尺度土壤( 采集土壤样品7 7 2 个) 重金属空间分布与区域土壤环境质量评价研究，但研究对象仅限于c r 、n i 两 种重金属。朱桂珍 2 8 】通过对北京市东南郊污灌区土壤的现状监测与农业生产 活动的调查，分析了东南郊污灌区土壤的环境质量状况，与7 0 年代末期的数 据进行比较，研究了该地区3 0 年来土壤环境质量变化趋势。黄进 2 川针对重庆 市农地土壤c d 、p b 含量与1 9 9 1 年分析数据对比，计算累积速率，分析土壤 c d 、p b 时空变化特征。胡克林等【3 ( 】应用地质统计学的方法对北京市大兴区表 层土壤1 0 种重金属含量的空间分布特征进行分析，旨在查明该区土壤重金属 的主要来源，为该区的土壤环境质量评价和土壤污染综合防治提供科学依据。 王素琴【”】运用单项污染指数法、综合污染指数法对江苏典型农区土壤进 行环境质量本底调查与评价研究。于磊等【3 2 】对黑土区环境地球化学质量进行 评价时，所采取的指数法评价模型包括单项污染指数评价和综合污染指数评 价。马名扬【”】运用单项污染指数法、综合污染指数法等分析了河台金矿区土 壤水系沉积物中砷的污染特征及其环境地球化学效应，砷含量在各生态系统 的空间分布和危害情况。詹天卫【3 4 】研究了在自然地质作用下，江西南昌樟树 地区土壤环境有益元素丰缺是影响农作物生长发育的主要因素。 4 土壤重金属污染对人体健康影响的研究 对土壤污染的研究主要集中在重金属对土壤的污染。在中国乃至世界范 围内，由于环境重金属污染引的的疾病相当普遍。六十年代以来，日本查明“骨 痛病”、“水俣病”的成因，这两起公害事件震惊了世界，许多国家开始研究重 金属污染对人体健康的影响。研究表明，这种危害是多方面、多层次的，其 毒理作用表现为：造成生殖障碍，影响胎儿正常发育，威胁儿童和成人身体 西南交通大学硕士学位论文第11 页 健康，降低人体身体素质嘲【3 6 j 鲫。八十年代，陈家其研究了长江三角洲地区 土壤环境与肝癌死亡率的关系，发现该区土壤中c u 、z n 含量较高，粮食中 c u 、z n 也较高 38 1 。对河南、山西等地的食道癌发病区研究表明，病区土壤中 c u 、z m 、v 和z r 等元素含量高。九十年代，我国对砷中毒与土壤环境的关 系进行了研究，汤洁、王敬华等【4 f ) 1 人揭示了内蒙古、山西砷中毒是由于自 然和人为作用将土壤环境中的a s 释放出来，提高土壤溶液的毒性，被作物吸 收而导致癌症高发。 5 土壤地球化学环境与农业 农业的发展受到许多因素的制约，其中地球化学因素作为农业的背景条件 制约着农业。作物依存于土壤和水，而土壤和水的形成及其化学成分、理化 性状则又以地球化学背景和环境为前提，不同的地球化学背景和环境，宜种 的作物很不一样，我国大量的珍贵土特产和经济作物往往只生长在某种岩土 体系上。由植物生理学可知，微量元素( 即营养元素) 有各自独特的植物生 理功能，是作物的生长发能不可缺少的，否则将导致生长发育不良，减产或 降低品质。如油菜缺b 花而不实，棉花缺b 蕾而不花，水稻却z n 白叶倒苗 等【lj 。同样，植物也只能从所依存的环境介质中吸取微量元素，这就是说， 环境介质中微量元素的含量状况、赋存形式及其相关联的理化性状在相当的 程度上决定着作物的生长发育及其品质。因此研究作物生长环境的岩土体系 中元素的分布( 背景分布，元素的组合，相互关系、存在形式及含量水平) 和理化 性状及其对作物生长的影响，与植物生理学、土壤地球化学等学科结合，探 索改良岩土体系以利于作物生长的途径和方法，乃是农业地球化学的一项基 本任务。 6 污染土壤的修复技术研究 近年来，污染土壤修复技术与工程发展很快。目前，理论和技术上可行 的土壤修复技术主要有植物修复、微生物修复、化学修复、物理修复和综合 修复等几大类。最近的研究进展如下： 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 物理修复及蒸气浸提技术：土壤物理修复过程主要是利用污染物与土壤 颗粒之间、污染土壤颗粒与非污染土壤颗粒之间各种物理特性的差异，达到 污染物从土壤中去除、分离的目的。土壤蒸气浸提技术是通过降低土壤空隙 内的蒸汽压把土壤环境中的污染物转化为气态物质加以除去的方法。 化学修复及可渗化学活性栅技术：在被污染的土壤中加入化学修复剂与 土壤或地下水中的污染物发生各种化学反应，使污染物得以降解或通过化学 转化机制去除污染物的毒性以及对污染物进行化学固定，使其活性及生物有 效性下降的方法。生物修复技术：生物修复主要依靠生物【特别是微生物】 的活动使土壤或地下水中的污染物得以降解或转化为无毒或低毒物资的过 程。目前，比较成熟的生物修复技术包括：异位生物修复，主要有生物处 理床技术【如生物农耕法、生物堆腐法】和生物反应器法【如泥浆生物反应 器】。原位生物修复，通过调节加入的无机营养或可能限制其反应速率的氧 气的供给，来促进土著微生物或外加的特异微生物对污染物质进行最大程度 的生物降解。 7 天然气田区的土壤环境研究 油气田的渗漏问题早就引起了国内外研究人员的注意，主要是地球化学 家和遥感地质学家。地球化学家利用检测土壤中的烃类直接勘查油气田，遥 感地质学家则利用油气田渗漏对植物的影响所形成的景观特征( 植物病变或 变异产生的光谱特征变化) 间接地勘查油气田。因此，他们主要研究因渗漏 带来的指示意义，以便用之进行油气田勘查，而对油气田区因渗漏或泄漏引 起的对土壤环境的影响及影响程度未给予特别关注，这方面的研究未见报道， 国内外对油气田区渗漏的研究主要集中在如下几方面： 烃类逸散运移的物理过程： 油气田中的烃类物质在内部压力作用下，源源不断地向地表产生微渗 漏，基本上有三种机制。扩散运移：为烃类分子穿透上覆岩层的扩散现象， 受油、气烃类浓度梯度制约，并服从菲克第一定律。这种运移速度是缓慢的， 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 所以在地表形成的异常也较微弱。渗漏运移：是指油、气中的烃类物质在内 部压力作用下，沿上覆岩层的节理、孔隙、裂隙等微细通道，向地表运移的 形式。而这些通道是在任何地质环境中普遍发育的现象，所以是烃类微渗漏 的主要形式。水动运移：是