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松嫩平原黑土区西北部阿荣旗地下黑土稀土元素特征及环境指示
杜贯新1, 闫百泉1, 孙雨1, 钱程2, 秦涛2, 臧延庆2
（1.东北石油大学地球科学学院,黑龙江 大庆 163318；2.中国地质调查局沈阳地质调查中心,辽宁 沈阳 110034）
作者简介：杜贯新,硕士研究生,矿物学、岩石学、矿床学专业,主要从事东北典型黑土形成研究。Email:2352568880@qq.com。
通讯作者：孙 雨,教授,沉积学与石油地质学专业,主要从事储层沉积与砂体内部构型、油气田开发地质研究。Email:Sunyu_hc@163.com。
引用格式:杜贯新, 闫百泉, 孙雨, 钱程, 秦涛, 臧延庆. 松嫩平原黑土区西北部阿荣旗地下黑土稀土元素特征及环境指示[J]. 现代地质, 2023, 37(03): 813-820 DOI:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2022.098
摘 要
东北黑土的形成长期备受学者们的关注,然而人类活动不同程度影响着表层黑土的自然特征。地下黑土能较为真实地反映客观属性,但其研究仍然匮乏,由此本文选择松嫩平原黑土区阿荣旗钻孔内的地下黑土为研究对象,进行稀土元素地球化学测试,采用地质统计学分析地下黑土层ΣREE、HREE、LREE的分布特征,结合Ce异常、Eu异常、 (La/Yb)N、(La/Sm)N、(Gd/Yb)N、Al2O3 /TiO2图解、Ceanom讨论了黑土的物源特征与环境记录。结果显示,阿荣旗地下黑土ΣREE含量较高,平均值为141.45×10-6。球粒陨石标准化曲线表现为向右倾斜,轻稀土富集,δEu微弱负异常,δCe明显负异常。(La/Yb)N平均值7.58,(La/Sm)N平均值为1.14,(Gd/Yb)N平均值为3.54,表明地下黑土重、轻稀土元素分异程度大,轻稀土元素相比重稀土元素分馏作用更为显著;稀土元素配分曲线指示多个物源特征,δEu与Al2O3 /TiO2图解共同指示地下黑土的源岩为下白垩统中-酸性火山岩;Ceanom>-0.1(平均值3.9)指示其形成于还原环境。
关键词
黑土; 环境指示; 稀土元素; 阿荣旗地区; 物源示踪
0 引 言
松嫩平原黑土区是东北三大黑土区之一,也是中国典型黑土主要分布区[1-2]。黑土作“北大仓”的基石,一直以来都是环境、农业、土壤等方面的研究热点[3⇓-5],但是对于黑土形成方面的研究不足,对黑土形成演化方面的地质认识还有待深入。部分学者对黑土的形成演化进行了初步的研究,韩晓增等认为黑土的形成母质有冲积―洪积物、黄土及红土堆积物、现代残积物、河湖相沉积物和淤积物[6]。崔明等认为地表黑土经多期次形成于嫩江的冲积―洪积物阶地之上,早期在中更新世末、晚更新世初期气候转化至温暖气候下形成,晚期在全新世气候转暖变干的环境下形成[1]。宋运红通过AMC14C提示松嫩平原东北部地表黑土为全新世产物[7],又结合孢粉、微量元素认为其由黄土母质在松嫩平原温暖半湿润的气候下形成[8]。韩晓萌等通过微量元素组成提出拜泉地区地表黑土是由黄土状土在寒冷干燥气候转换至温暖湿润气候形成[9] 。尽管如此,目前研究多以松嫩平原黄土母质的黑土为研究对象,而对于其他母质类型的黑土研究匮乏,致使松嫩黑土的形成缺少其他母质类型数据的支撑,黑土形成演化也不明确,此外,当前研究对象主要集中在地表黑土。表层黑土层经多年人为活动的干预,在不同程度上会影响黑土的研究结果,地下土壤相比较表层土壤的人为的影响少,更适于开展研究,但是对于地下黑土,尚未有学者关注,这使得黑土的形成研究存在一定的局限性。
稀土元素凭借着其地层中分布的广泛性和良好的稳定性在农业、环境领域和地质研究中都应用广泛[10-12],其主要作为指示与示踪元素应用在岩石成因、岩浆演化、环境污染、沉积物来源判断等方向[13-17]。稀土元素含量的差异性和元素组合参数能够有效地反映环境、物源等属性,也因此被看作重要的环境地球化学指示剂[18-19],因此可被用作地下黑土环境的分析。
为了进一步了解松嫩平原西北部地下黑土的形成环境,笔者以松嫩平原西北部阿荣旗阿伦河第四系钻孔中地下黑土层为研究对象,对地下黑土层的顶层20cm进行了取样,分析地下黑土层的稀土元素地球化学特征,探讨地下黑土的物源属性、形成环境,以期为松嫩平原西北部黑土的形成演化研究以及黑土后期的合理利用提供科学依据。
1 研究区概况
阿荣旗地区位于松嫩平原黑土区西北部[1-2],隶属于内蒙古自治区呼伦贝尔市阿荣旗市。本文的研究区范围为东经123°22'34″—123°30'30″,北纬48°04'15″—48°10'11″,位于阿荣旗市南部(图1(a)),研究区表层土壤类型为典型黑土,年降水量450 mm左右,气候类型为典型干旱―半湿润性气候,地貌上分布为阿伦河谷的一级阶地与二级阶地之上,黑土层的下部为典型的河流相沉积物。农作物有小麦、水稻、玉米、大豆等,是全国500个商品粮生产基地之一[20-21]。研究区基岩岩石类型有白垩系光华组(K1gn)流纹岩、流纹质凝灰岩、英安岩火山岩,龙江祖(K1l)安山岩[22]。上覆的第四纪全新世河流相沉积物为黑土母质层[22-23]。研究区表层黑土主要分布在阿伦河两岸二级阶地、一级阶地、高漫滩地貌单元,表层黑土层厚度因地而异,不同地貌单元内黑土层的厚度不尽相同,二级阶地貌单元黑土厚度较厚,80~120 cm,而高漫滩地貌的黑土层厚度在40 cm左右。地貌起伏坡度较小,土地利用方式为农用地与建筑用地两种[22-23]。
图1 阿荣旗地理位置 (a)、采样钻孔位置图 (b)和钻孔HT6-6-2地下黑土垂向位置及剖面划分采样图 (c)
Ah.腐殖质层;Abs.聚积氧化铁的过渡层;C.母质层
阿荣旗研究区的表层黑土剖面下部为河流相沉积物,这层沉积物的下部为本文所研究的地下黑土,其与表层黑土关系(图1(c)),地下黑土垂向上位于地表黑土层母质层的下部。根据钻孔沉积物显示地下黑土层主要分布在阿伦河两岸的一级阶地、高漫滩地貌单元内。地下黑土下部为阿伦河沉积物,上部被河流沉积物覆盖,二者接触界线截然。地下黑土的厚度因深度而异,不同的埋深地下黑土的厚度不尽相同。研究通过浅钻揭露发现,地下黑土层分布于地表以下2.2~5.0 m深度内,平均深度2.6 m,黑土层厚度在30~100 cm之间,埋藏深度呈北西深、南东浅的趋势,黑土层厚度为南西厚、北东薄,地下黑土呈深灰色-黑色,粒度较细,黏土组分占比高,偶含磨圆较好的砾石,土壤剖面未发育完全,与河流沉积物具有显著差别[22-23]。以具代表性的HT6-6-2为例(图1(c))对钻孔内的黑土剖面进行划分。描述如下:(1)地下黑土层上覆沉积物,为灰白色含砾石粗砂松散堆积物,下部为Ah层(腐殖质层),钻孔内均发现该层,厚度30~70 cm,本钻孔内为60 cm。黑色、润、中壤、有团粒结构,较松,含大量木本根系;(2)ABs层(过渡层),只在个别钻孔内存在,厚度10~30 cm,本钻孔内为30 cm。润、呈棕黑色、黏壤土、块状结构,可见木本根系,具不规则的淋溶锈纹;(3)C层(母质),钻孔内均发现该层,较厚,深灰色含砂黏土,按照Foth对土壤个体发育划分[24],地下黑土剖面为幼年土-成熟土阶段。黑土层上覆为阿伦河后期的含砾石粗砂。
图
2 样品采集与分析测试
研究中发现在32个钻孔中除表层外下部均有一层黑土层,最薄为30 cm,最厚为120 cm,平均深度为2.2 m,土壤剖面分层界线清晰,对该地下黑土层进行样品采集,32个钻孔采样层位如(图1(c))中示意,采样厚度为20 cm。样品经充分混合后,利用四分法取样,自然风干,剔除植物根茎和碎石等杂物,研磨过筛,装袋送往实验室检测分析。采集钻孔分布如(图1(b)),共采集32件样品,检测分析La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu,共计14项元素。
稀土元素的含量均采用微波消解-电感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS)测定,称取0.04 g的土壤样品粉末置于聚四氟乙烯(PTEE)烧杯中,加入1.5 ml HF、0.5 ml HNO3,将内胆密封,待其充分反应后,将样品放入PTFE涂层的防腐高效溶液管内,在防腐烘箱中150 ℃加热15 h。冷却后加入0. 25 ml HClO4,敞口放置于150 ℃电热板上,当样品半干时加入1 ml HNO3和2 ml去离子水,在150 ℃防腐烘箱中密闭放置15 h,待冷却后用去离子水稀释至40 ml定容。对ICP-MS元素测量全程进行了质量控制,主要包括室内密码平行样和稀土元素标准物质等进行实验室内部质量控制,保证了实验测试结果的可靠性和准确性。样品检测分析化验工作在自然资源部东北矿产资源监督检测中心完成。
数据的整理分析与图件绘制用Excel 2016、SPSS 16.0和CoreldrawX9等软件完成。
3 结果分析
3.1 稀土元素组成特征
阿荣旗地下黑土样品稀土元素的含量及特征值见表1。总稀土元素∑REE的含量范围为96.52~187.58×10-6,平均值为141.45×10-6,高于内蒙古表层稀土土壤背景值(132.95×10-6)[25],低于地壳∑REE(188.8×10-6)[26-27]、北美页岩∑REE(187.0×10-6)[28]、中国土壤∑REE(187.6 ×10-6)[10] 和中国大陆沉积物∑REE(176.9×10-6)[29]。∑REE标准差为26.46 × 10-6,变异系数为0.16,为弱变异性,变化范围较小。地下黑土中各稀土元素含量平均值Ce > La > Nd > Pr > Sm > Gd > Dy >Yb >Er >Eu >Ho >Tb >Tm > Lu,其中Ce、La、Nd的含量占主导地位。地下黑土中各稀土元素变异系数Eu>La>Ho>Gd=Sm=Ce=Nd>Tb=Er=Pr=Dy=Yb=Lu>Tm,变异系数均小于0.25,各稀土元素的空间分布比较均匀。
表1 阿荣旗地下黑土样品稀土元素含量(10-6)和部分常量元素含量(%)
轻稀土元素(LREE)含量范围为84.51×10-6~169×10-6,平均值为127.15×10-6,低于中国土壤LREE平均值(143.40 ×10-6)[10]。重稀土元素(HREE)含量范围为10.59×10-6~20.66×10-6,平均值为14.31×10-6,低于中国土壤HREE平均值(37.20×10-6),LREE/HREE比值为7.04~10.55,平均值为8.90,大于北美页岩(7.47)[28],说明阿荣旗地下黑土的轻重稀土分异较明显,同时也表现出明显的轻稀土相对富集。有研究表明土壤的形成过程中轻重稀土元素具有不同程度的迁移,而重稀土元素相比之下更容易形成重碳酸盐和有机络合物,随着淋溶作用被淋失;轻稀土元素则更容易被黏土吸附,易被积淀,导致了黑土中轻稀土元素的相对富集,重稀土相对亏损的趋势[30-31]。说明阿荣旗研究区地下黑土在形成过程中伴随着一定的化学风化作用,与前人的研究成果相同[6],但与热带大陆性气候下的土壤形成相比较之下化学风化作用较弱,研究区地下黑土的LREE/HREE比值不及重庆[12]、湖州[32]等地的化学风化强烈区的高,符合了我国稀土元素“北轻南重”的分布特征[33]。
3.2 稀土元素空间分布特征
为进一步了解了阿荣旗地下黑土的稀土元素特征,本次对重金属分布情况进行分析,利用克里金插值法得到了阿荣旗地下黑土的REE、LREE、HREE特征稀土元素的空间分布图(图2)。地下黑土稀土元素(REE)的高值区出现在研究区的北部与正南部,最高值偏向于北部地区,大于185 ×10-6,最低值出现在西北部与中部,呈两边高向中间逐渐降低的趋势。(图2(a))地下黑土轻稀土元素(LREE)的分布于REE相似,呈两边高向中间逐渐降低的趋势(图2(b)),高值区域与REE同在研究区北部与正南部,最高值(>160 ×10-6)偏向于北部地区。重稀土元素(HREE)高值区出现在研究区中北部,最高值大于10.2×10-6,呈由北向南逐渐降低的趋势如(图2(c))。由此反映总稀土与轻稀土元素的分布相关性较强,与重稀土元素之间的相关性较弱。
图2 阿荣旗地下黑土∑REE(a)、LREE (b)和HREE (c)分布特征(单位:10-6)
在土壤的形成过程中,在成土母质、形成气候条件、腐殖质以及黏粒组分等共同影响下使得土壤中稀土元素的相对丰度发生改变,会造成稀土元素的分馏[34],而球粒陨石作为地球的原始物质,不存在轻重稀土之间的分馏,可以作为反映样品分馏程度的参照物,为了消除元素序数奇偶数对稀土元素丰度差异的影响,利用球粒陨石对黑土的稀土元素测定值进行标准化[35]。阿荣旗黑土稀土元素的分馏模式如图3所示,结果显示所有样品均呈现右倾形态,这种分馏模式与中国土壤[10]、北美页岩[28]和地壳[36]基本一致,表明地下黑土的物源具有陆源属性。地下黑土的稀土配分模式图显示Ce和Eu的异常,轻稀土相对富集,表现典型的陆相稀土特征[37-38]。
图3 阿荣旗地下黑土样品的稀土元素浓度曲线
(La/Yb)N是表征轻重稀土分异程度的一种方法。该比值大于1时,表明轻稀土富集;当比值小于1时,表明重稀土富集[39]。阿荣旗地下黑土(La/Yb)N最大值10.41,最小值5.92,平均值7.58,均大于1(表3)轻重稀土分异程度较大。(La/Sm)N为反映轻稀土分馏程度的系数,(Gd/Yb)N为反映重稀土分馏程度的系数[40]。由表3可以看出,阿荣旗地下黑土的(La/Sm)N值为2.54 ~ 4.89,平均值为3.54,轻稀土分馏变化差异性大。(La/Sm)N值为0.90 ~ 1.63,平均值1.14,表明地下黑土重稀土元素分馏差异不大。相比之下,地下黑土样品轻稀土元素较重稀土元素分馏作用更为显著。
4 讨论
4.1 物源示踪
土壤的母质根据物源类型可分为运积型母质与残积型母质,根据阿荣旗钻孔地下黑土的上部及母质沉积物类型可确定其母质属于运积型母质。
稀土元素组成作为沉积物示踪的方法之一,能够有效地保留源区地球化学信息[34],常利用标准化后的稀土元素组成模式对物源属性进行示踪。同一物源的沉积物往往具有相似的稀土元素分布曲线[40]。阿荣旗地下黑土的稀土元素分布曲线相似性较低,轻稀土波动差异大,具多个物源特征(图3)。研究表明当母岩为中酸性岩浆岩时,沉积物∑REE值相对较高,Eu负异常明显、LREE/HREE比值较大;母岩为基性岩石时,沉积物的∑REE值相对较低,Eu无负异常,HREE相对富集[41],阿荣旗地下黑土的δEu平均值为0.86(表2),呈负异常,指示其成土母岩可能为中酸性岩石。
表2 阿荣旗地下黑土样品稀土元素特征参数
利用Al2O3 /TiO2 比值法进行地下黑土的物源示踪。Al和Ti 性质相对稳定[42-45],不易被淋溶和迁移。研究认为当 3
阿荣旗地下黑土的Al2O3 /TiO2比值大部分投点落在21~70区间,少部分投点落在8~21区间(图4),反映黑土样品大部分源于酸性岩浆岩,少部分源于中性岩浆岩。研究区周围以及地下的岩石组合为白垩系龙江组(K1l)中性火山岩和光华组(K1gn)中酸性火山岩[22],黑土样品源岩类型一致,指示黑土的近源供应特征。
图4 阿荣旗地下黑土样品Al2O3- TiO2关系图
4.2 环境分析
稀土元素 Ce 作为变价元素,常被用于指示沉积环境[46]。铈异常指数法(Ceanom)应用颇广,该方法由Elderfield和Greaves于1982年提出。此后又经过多年的研究验证[47-48],本次用来确定地下黑土的沉积环境。公式如下:
Ceanom=lg[3CeN/(2LaN+NdN)] (3)
当Ceanom大于-0.1时,说明为缺氧的还原环境; 当Ceanom小于-0.1时,说明为氧化环境[47-48]。地下黑土样品Ceanom值为3.49 ~ 4.20,平均值为3.90(表2),远高于-0.1,表明地下黑土的形成环境为缺氧还原型。结合地下黑土的产出特征、地形地貌,指示其形成于早期的河漫沼泽相沉积。
5 结 论
(1)研究区地下黑土稀土元素(包含Y)的含量范围为113.78×10-6~213.47×10-6,平均值为160.79×10-6,各稀土元素含量平均值Ce>La>Nd>Y>Pr>Sm>Gd> Dy>Yb>Er>Eu>Ho>Tb>Tm>Lu。
(2)研究区地下黑土稀土元素配分模式与北美页岩、地壳和中国土壤基本一致,所有样点均呈现右倾形态,轻稀土相对富集,重稀土相对亏损,具有δEu和δCe负异常,重稀土分馏程度较低,轻稀土的分馏程度较高,轻重稀土分馏明显。
(3)地下黑土样品REE分配曲线形态、Eu异常和Al2O3 /TiO2 综合指示,其母质源岩为近源的下白垩统中-酸性火山岩。Ceanom值反映地下黑土形成于还原环境。
致 谢
感谢东北地质实验测试中心在实验中给予的帮助;感谢编辑老师和审稿专家提出的宝贵意见。
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