河北省霸县凹陷文安城东地区沙一段_东营组沉积相研究

河北省霸县凹陷文安城东地区沙一段_东营组沉积相研究 河北省白洋淀洼地环境地球化学物源判断 张秀芝, 郭海全, 李宏亮, 李建华 河北省地质调查院 , 河北 石家庄 050081 Zha ng Xi uzhi , Guo Haiqua n , L i Ho nglia ng , Li J ia nhua Geol o g y S u rve y I nst i t ut i on o f H ebei P rov i nce , S hi j i az h u an g 050081 , Chi na Zhang Xiuzhi , Guo Ha iquan , L i Hongl iang , et al . Distinguishing origins of elements in environmental geochemistry of Ba iyang2 dian billabong of Hebei province , north China . Ea r t h Scie nce F r ont ie rs , 2008 , 15( 5) :0902096 Abstract : The Baiyangdian billa bo ng of Hebei p ro vince i s a lar ge nat ural plain billa bo ng , in w hich multi2va ria2 ble geochemical a no malie s ,esp ecially Cu , Pb , Zn , Cd , were detected i n bo t h top soil s a nd deep soil s. Thi s st udy di stingui shed t he characteri stic s a nd o rigi ns of t he Cu , Pb , Zn , Cd ano malies in top soil s a nd deep soil s by t he met ho d of geochemical cha racteri stic s , t he met ho d of ref erence element s a nd t he met ho d of multi2va riate stati s2 tic s. The re sult indicate s t hat t he a no malie s p re senting in deep soil s were related to t he sp ecific geochemical depo sitio n envi ro nment t hat resulted mai nly f ro m nat ural p rocesse s ; ho wever , t he geochemical a no malie s p re s2 enti ng in top soil s have t ypical cha racteri stic s of duali stic sup erpo sitio n , a nd mainly re sulted f ro m a nt hropo genic activitie s. Key words : Baiya ngdian billabo ng ; geochemical a no malie s ; o rigin di stingui shi ng 摘 要 :河北省白洋淀洼地是一个大型天然平原洼地 ,在洼地的深 、浅层土壤中均发现了以 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 为 主的多变量地球化学异常 。运用地球化学特征法 、参考元素法及多元统计法 ,对深 、浅层土壤 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 异常的性质和成因进行了判别 。结果表明 ,深层土壤异常与特定的地球化学沉积环境有关 ,以自然地质作用 成因为主 ,而浅层土壤异常具有典型的二元叠加特征 ,以人为源的输入为主 。 关键词 :白洋淀洼地 ;地球化学异常 ;成因判别 () 中图分类号 : X13 文献标识码 : A 文章编号 :100522321 200805 0090207 在地表环境中 ,重金属元素的含量是自然地质中占有非常重要的地位 。笔者在查阅大量国内外文 [ 122 ] 作用和人类活动叠加的总和。人类的工农业活 献的基础上 , 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 出了系列物源判断方法 ,包括元素 动向环境中排放大量的污染物质 ,其中重金属元素 地球化学特征法 、参考元素法 、同位素示踪法 、浓度 由于分布广 、隐蔽性强 、具有生物积累效应而成为备 梯度法及多元统计法等 。[ 3 ] 受世人关注的重大环境问题。同时 ,由人类活动 2007 年初 ,河北省地质调查院在河北平原的多 输入到环境介质中的污染元素较自然成因同种元素 目标地球化学调查中 ,在白洋淀洼地的深 、浅层土壤 2 往往具有较强的活动性 ,常以可溶态和可交换态存 中均 发 现 了 400 余 k m的 多 变 量 地 球 化 学 异 常 。 在 ,易被植物吸收和向下淋滤 ,污染地下水水质 ,进 异常呈北东东向带状分布 ,其分布范围几乎与白洋 入食物链威胁人类健康 。因此 ,有效地区分自然地 淀洼地一致 ,强异常分布于洼地西南部 。异常元素 包括 Fe 、Al 等常量元素及 Cd 、Pb 、Zn 、Cu 、Mo 、Se 、 质背景与人类活动引起的异常在环境地球化学研究 收稿日期 :2007209220 ;修回日期 : 2007210223 ( ) 基金项目 :国土资源部地质大调查项目 200414200007 ( ) 作者简介 :张秀芝 1967 —,女 ,高级工程师 ,现从事生态环境地球化学调查与评价工作 。E2mail :zhxzh0311 @163 . co m Ni 、V 、Be 、Th 、Ce 、Ga 等多种微量元素 ,深层土壤异 泊 ———“华北明珠”白洋淀就位于洼地内 。 常强度虽不如浅层土壤 ,但与周边区域土壤相比 ,异 11 2 数据来源及处理方法 常也相当明显 。在各变量异常中 ,尤以 Cu 、Pb 、Zn 、Cd文中所有数据来源于河北省地质调查院 。按照 元素为甚 ,浅层土壤中最大值分别为 2821 9 mg/ kg 、 中 国 地 质 调 查 局 多 目 标 地 球 化 学 调 查 规 范 () 2591 8 mg/ kg 、1 3221 9 mg/ kg 、21 7 mg/ kg , 分 别 是 DD2005201 ,1 ?25 万要求 ,采集表层土壤和深层 2 相应背景值的 111 3 、111 8 、191 7 和 241 5 倍 。 关于土壤两类样品 。表层样品采样密度为 1 个样/ k m, 白洋淀的文字记载最早见于晋代 ,宋代起 取样深度 0 , 20 c m ; 深层 样采 样密 度 为 1 个 样/ 4 2 始称之为“白洋淀”。在漫长的 自然 地质 作用 过 程 k m,取样深度 150,180 c m 。4 个土壤样组合成 1 2 (中 ,汇水区历来是“藏污纳垢”之地 ,自然风化产物通 个分析样 即表层土壤每 4 k m一个分析样 ,深层土 2 ) 过河流或地表径流输入洼地 ,因此 ,该洼地是元素汇 壤每 16 k m一个分析样。白洋淀洼地及其外围 2 2 () 集的天然场所 。随着汇水面积的逐渐缩小 ,大部分 k m 范围 共 4 800 k m内 ,共有表层样 1 202 个 ,深 水域成为耕地 。那么 ,深 、浅层重金属元素异常究竟 层样 334 个 。 ( ) 是自然成因还是人为输入 ? 深层异常是否由表层渗 土壤样品用四酸 盐酸 、硫酸 、硝酸 、高氯酸溶滤所致 ? 本文针对以上问题 ,运用地球化学特征法 、 解 ,采用萃取火焰原子吸收法分析 Cd , 用 IC P2M S 参考元素法及多元统计法对重要异常元素 Cu 、Pb 、 分析 Cu 、Pb 、Zn 。用土壤国家一级标样进行分析质Zn 、Cd 的来源及成因进行探讨 ,为进一步的生态地量监控 , Cu 、Pb 、Zn 、Cd 精密度 RSD %分别为 41 6 、 Δ 球化学评价提供有力的地球化学依据 。51 1 、31 6 、21 8 ,准确度l g C 的绝对值分别为 01 031 、 01 046 、01 039 、01 042 ,数据质量可靠 。 应用 St ati stic 61 0 进行数据统计分析 ; 用 Surf21 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与方法 e r 81 0 制作了平面等值线图 。 11 1 白洋淀洼地概况 2 白洋淀 洼 地 位 于 河 北 省 中 部 , 面 积 约 4 500 白洋淀洼地 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 元素异 2 ( ) k m,呈北东东向带状分布 图 1,其地貌属于太行 常成因判别 山东麓永定河冲积扇与滹沱河冲积扇相夹持的低洼 21 1 地区 ,属天然的大型平原洼地 ,历史上曾有 9 条河流 地球化学特征法 汇入洼地 。河北平原上最大的 、常年积水的淡水湖 表生环境中 ,元素的地球化学分布往往具有成 图 1 白洋淀洼地位置图 Fig.1 The Baiyangdian bill anbg o 因含义 。不同来源的元素 ,其相关性质 、赋存状态 、 层土壤中后期的扰动作用不甚明显 。深 、浅层样对 地球化学特征参数等均表现出较大差异 。因此 ,可比十分强烈 。 以根据元素的地球化学特征对 元素 的来 源进 行 鉴 作为天然的积水洼地 ,汇水区上游及周边的化 别 。 学风化物在自然河流和地表径流的作用下向洼地汇 在单一作用的地质体中 ,地球化学变量服从正 集 ,使之成为元素迁移过程中的“汇”。笔者认为 ,独 态分布 ,当存在矿化或人类活动叠加的情况下 ,元素 特的地球化学沉积环境不但造成了浅层土壤中较高 分布具有较大的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 离差和偏度 、峰度值 ,偏离正态 的地球化学背景 ,而且也是深层土壤中地球化学异 [ 425 ] 分布。因此 ,根据元素正态分布的 Q2Q 图或 P2 常的主要成因 ,深层土壤异常是一种地球化学环境 及地质背景型异常 ,人为输入及表层向下淋滤作用 P 图 ,可以判断多元叠加的存在 。理论上 ,单一地质 体或单一地质作用形成的元素 ,其分布的 Q2Q 图和 缺乏地球化学依据 。而浅层土壤异常具有典型的二 P2P 图是一条直线 ,而存在矿化和污染时 ,会出现明 元性特征 ,后期的人为叠加作用十分强烈 。 显的拐点 。在非矿化区内的拐点 ,即意味着人为源 21 2 参考元素法 的叠加 。 所谓参考元素法 ,即是选择满足一定条件的地 球化学变量对微量元素的含量进行标准化 ,用以平 图 2 是浅层土壤 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 元素的正态概 ( ) 抑自然差异对元素分布的影响 。较为成熟的研究方率分布图 P2P 图,四元素均表现出了明显的拐点 , ( ( ) 拐点位置与异常下限 Cu 44 mg/ k g , Pb 38 mg/ k g 、 法是富集因子法 Enric h me nt Facto r , EF, 其计算 [ 628 ] ) 公式为: Zn 118 mg/ k g 、Cd 01 3 mg/ kg极为接近 ,说明浅层 ( 土壤中存在除自然地质作用以外的叠加 ,其结果使 [ M ]/ [ M ] R sEF = ( [ M ]/ [ M ] R b元素分布强烈偏离正态拟合线 ,具有非常典型的二 式中 , [ M ]和 [ M R ]分别表示污染元素和参考元 元叠加特征 。 素含量 ,下标 s 和 b 分别代表样品和背景 。图 3 是深层土壤 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 的正态概率分 [ 9 ] ( ) Sut he rla nd 2000 根 据 富 集 因 子 的 大 小 , 将 ( ) 布图 P2P图 。与 浅 层 土 壤 显 著 不 同 的 是 , Cu 、Zn 富集程度划分为五个级别 ,见表 1 。 几乎服从正态分布 , Pb 、Cd 服从 对数 正 态分 布 , 深 图 2 白洋淀洼地浅层土壤Cu 、 Pb 、Zn 、Cd正 态概率分布图 Fig.2 No r mal p ro babili yt plot of Cu , Pb ,Zn ,Cd ni top soil s in t he Baiyangdian billa nbgo 图 3 白洋淀洼地深层土壤Cu 、 Pb 、Zn 、Cd正 态概率分布图 Fig.3 No r mal p ro babili yt plot of Cu ,Pb ,Zn ,Cdi n deep soil s i n t he Baiyangdian billa nbgo [ 9]表 1 富集因子判断标准 图 4 是 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 富 集 因 子 的 空 间 分 布 Ta ble 1 The criterio n of EF 图 。图中清晰显示 ,Cd 元素富集的范围几乎遍布整 级别 EF 值大小 富集程度 个洼地 , Cu 、Pb 、Zn 元素 EF > 11 2 的范围及分布形 1 < 2 无富集到弱富集 态相当一致 ,均沿北东向呈带状分布 。 2 中度富集 2,5 3 显著富集 5,20 按照 Sut he rla nd 的分类标准 , EF > 2 的明显富 4 20,40 高度富集集区域及 EF > 5 的强烈富集区域均出现在研究区 5 > 40 极度富集 西南部 , 与强异常分布区域极为吻合 。除 Cd 的富 富集因子是基于一种能反映不同地质环境的化 集范围大于其余三个元素外 ,四个元素显著富集的 学元素比率方法 ,用参考元素平抑元素的自然差异 ,区域及分布形态非常一致 。 从而鉴别和量化人类活动对元素含量的影响 。其研 这种空间上的高度一致性说明 , Cu 、Pb 、Zn 、Cd究的目的是重金属元素的污染评价 ,关键是要区分 具有相同的富集途径 ,或是源于同一地质作用 ,或是 出自然源和人为源 。人类活动对源于地壳的参考元 来于相同的污染源 。同时 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 的强富集 素的含量不会产生太大的影响 ,因此表层介质中的 区域仅限于洼地的局部范围 ,且与浅层强异常区域重金属元素含量与参考元素含量之间的比率通过自 一致 ,根据富集因子所蕴含的成因意义 ,这些高强度 然背景含量比率标准化后而出现的高 EF 值代表人 异常源于人为活动 。 类活动的影响具有一定的合理性 。 21 3 多元统计法 表 2 是浅层土壤 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 四元素的富集自然地质作用过程中 ,化学性质相近的元素往 因子统计值 。EF 最大值分别达到 101 7 、101 2 、191 9 往具有相近的地球化学行为 ,因此表现出较为密切 和 231 4 ,中位数均大于 1 。理论上 , EF > 1 即说明元 的相关关系 ,在因子分析中进入同一个主因子而代 表一定的地质作用 。而人为源输入的元素 ,与地质 素出现富集 , 考虑到 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 四元 素的 分 布 作用下的成因不同 ,虽然化学性质相异 ,但常常是主 较为分散 ,故在洼地范围内将 EF > 11 2 作为元素出 要的污染元素组合在一起 。因此根据因子分析中构 现富集的起始标准 ,则四元素出现富集的样品比例 分别为 271 5 % 、291 9 % 、361 6 %和 901 6 % 。4 个 元 [ 10211 ] 成 主 因 子 的 元 素 组 合 可 以 判 定 元 素 的 来 源。 素中 ,Cd 的富集范围和强度最为强烈 。 表 2 白洋淀洼地浅层土壤 Cu、Pb、Zn 、Cd 元素富集因子统计表( n = 1 202) Table 2 The statistics of enrichment f acto r s of Cu , Pb , Zn ,Cd in top soil s in t he Baiyangdian billabo ng EF > 1 样品 样品 样品 样品 样品 EF > 1 . 2 EF > 2 EF > 5 EF > 10 元素 中位数 最大值 比例/ % 比例/ % 比例/ % 比例/ % 比例/ % Cu 1 . 1 10 . 7 61 . 7 27 . 5 2 . 58 0 . 5 0 . 08 Pb 1 . 1 10 . 2 91 . 4 29 . 9 2 . 58 0 . 17 0 . 08 Zn 1 . 1 19 . 9 94 . 9 36 . 6 2 . 25 0 . 5 0 . 08 Cd 1 . 5 23 . 4 99 . 3 90 . 6 8 . 57 1 . 5 0 . 33 表 3 和表 4 分别是白洋淀洼地浅层土壤和深层 土壤因子分析的因子载荷系数表 ,用方差最大旋转 法 、在因子载荷系数 01 6 的水平上 ,浅层样提取了 4 个主因子 ,深层样提取了 3 个主因子 。 深 、浅土壤 因子分析结果对比十分强烈 :浅层样 ( ) 中 ,Cu 、Pb 、Zn 、Cd 元素作为独立因子出现 F3; 而 深层样中 ,它们与 Ni 、Cr 、L a 、Ce 等微量元素进入同 ( ) 一主因子 F1中 。 自然成因的元素 ,多存在于矿物晶格或受铁锰 氧化物的专项吸附 , 常 与铁 铝等 氧 化物 密切 相 关 。 所以深层土壤中 ,Cu 、Pb 、Zn 、Cd 与 Fe 、Al 、M n 等控 制元素进入了同一个主因子 。因此 ,可以进一步验 证地球化学特征法及富集因子法的推断 ,即深层土 壤中 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 元素的地球化学行为和分布主 要与自然地质作用有关 。 浅层土壤中 , 由于 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 元素 具有 不 同的地球化学行为或具有不同的来源而从 F1 因子 中独立出来 ,同时注意到 , A s 和 H g 元素在该因子 上也有较高的载荷 值 , 因此 可 以推 断 , 浅层 土壤 的 F3 因子是一种人为污染因子 。 图 5 F3 因子得分图 Fig.5 Facto r sco res of F3 图 5 是浅层土壤因子 分 析 F3 因子 得分 图 , 显 图 4 Cu 、Pb 、Zn 、Cd富 集因子等值线图 然 ,得分高值区与 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 富 集 因子 的高 值 Fig.4 The co nto ur s of EF of Cu ,Pb ,Zn ,Cd 选取图 1 中白洋淀洼地及其外围 2 k m 范围内数据进行成图 区及强异常区完全吻合 。这一显著特征说明 ,浅层 样中 ,Cu 、Pb 、Zn 、Cd 元素的富集是由于该区域内存 这一研究思路在环境地球化学研究中有着比较广泛 在人为的污染源 , 也即 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 的富 集源 于 的应用 。 人为活动 。 f a r mi ng soil s aff ect ed by i ndust r y [ J ] . Envi ro n ment Int er na2 tio nal , 2004 , 30 : 1592165 . 3 物源判断的效果检验 [ 2 ] N riagu J O , Pacyna J M. Q ua ntit ative a ssessment of wo rl d2 wi de co nt a mi natio n of ai r ,wat er a nd soil by t race met al s [ J ] . 以上几 种 判 断 方 法 均 表 明 , 洼 地 浅 层 土 壤 中 Nat ure , 1988 , 333 : 1342139 . Cu 、Pb 、Zn 、Cd 异常源于人为活动 。经实地考查 ,在 [ 3 ] Chen J S , Deng B S , Tao S , et al . Envi ro n ment al geoche mi s2 () ( Cu 、Pb 、Zn 、Cd 高度富集区内 洼地西南部,分布有 t r y [ M ] . Beiji ng : Ocea n Publi shi ng Ho u se , 1990 : 1962201 i n ) Chi ne se. ( 数家简易炼铜厂 、炼锌厂及小2中型的电镀厂 以镀 [ 4 ] Rawli n s B G ,Li st er T R , Mackenzie A C. Trace2met al poll u2 ) 锌 、铜为主。空间上 ,Cu 、Pb 、Zn 、Cd 的强异常区与 tio n of soil s i n no rt her n Engla nd [J ] . Envi ro n ment al Geolo gy , 这些污染企业分布区域具有对应关系 。炼铜 、炼锌 2002 , 42 : 6122620 . 的原材料是从外地运来的有色金属矿石废渣 ,其中 [ 5 ] Rei ma nn C , Filzmo ser P. No r mal a nd lo gno r mal dat a di st ri2 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 是密切伴生的元素 。显然这些小冶 butio n i n geoche mi st r y : deat h of a myt h , co n sequence s fo r 炼厂和电镀厂构成了主要污染元素 Cu 、Pb 、Zn 、Cd t he st ati stical t reat ment of geochemical and envi ro n ment al da2 t a [J ] . Envi ro nment al Geolo gy , 2000 , 39 : 100121014 . 的污染源 ,同时 ,由于它们的同源性 ,使 Cu 、Pb 、Zn 、 Zoller W H , Gladney E S , Duce R A . At mo sp heric co ncen2 [ 6 ] Cd 元素异常及富集的空间位置完全相同 。 t ratio n s a nd so urce s of t race met al s at t he So ut h Pole [J ] . Sci2 ence , 1974 , 183 : 1992201 . 4 结论 [ 7 ] Duce R A , Hoff ma nn G L , Zoller W H . At mo sp heric t race met al s at re mo t e no rt her n and so ut her n he mi sp here sit e s : () 1自然风化产生的各种微量元素由自然河流 poll utio n o r nat ural [J ] ? Science , 1975 , 187 : 59261 . [ 8 ] Zha ng X Z , Bao Z Y , Ta ng J H . Applicatio n of t he enrich2 和地表径流输入洼地 ,这种汇水区域是元素富集的 ment f acto r i n eval uati ng of heavy met al s co nt a mi natio n i n t he 天然 场 所 。使 Cd 、Pb 、Zn 、Cu 、Mo 、Se 、Ni 、V 、Be 、 envi ro nment al geoche mi st r y [ J ] . Geolo gical Science a nd Th 、Ce 、Ga 等多种微量元素在洼地深 、浅层土壤中( ) () Technolo gy Info r matio n , 2006 , 25 1: 65272 i n Chi ne se. 均较周边趋于富集 。[ 9 ] Sut herland R A . Bed sedi ment2a ssociat ed t race met al s i n a n () 2白洋淀洼地深层土壤中 , 虽然 Cu 、Pb 、Zn 、ur ban st rea m , Oa hu , Hawaii [ J ] . Envi ro nment al Geolo gy , Cd 元素有异常显示 , 但其成因以自然地质作 用 为 2000 , 39 : 6112627 . 主 ,是一种与周边环境有明显差异的高地球化学背 [ 10 ] Ro mic M , Ro mic D. Heavy met al s di st ri butio n i n agricul t ural top soil s i n ur ban area [J ] . Envi ro n ment al Geolo gy , 2003 , 43 : 景场 ,并非由表层土壤元素向下淋滤所致 。 7952805 . () 3地球化学特征法 、参考元素法及多元统计法 [ 11 ] Ma nt a D S , A ngelo ne M , Bella nca A , et al . Heavy met al s i n 表明 ,浅层土壤 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 元素 的高 度富 集 是 ( ) ur ban soil s : a ca se st udy f ro m t he cit y of Paler mo Sicil y, 在较高自然背景上出现了人为源的叠加 ,其污染源 It al y [J ] . Science To t al Envi ro n ment , 2002 , 300 : 2292243 . 即为与 Cu 、Pb 、Zn 、Cd 有 关 的污 染企 业 , 空间 上 具 有对应关系 ,污染物与污染源相吻合 。因此 ,不但确 参考文献 : 证了污染源 ,也验证了所用物源判断方法的可行性 。 [ 3 ] 陈静生 ,邓宝山 ,陶澍 ,等. 环境地球化学[ M ] . 北京 : 海洋出版 社 ,1990 : 1962201 . Ref erences : [ 8 ] 张秀芝 ,鲍征宇 ,唐俊红. 富集因子在环境地球化学重金属污 ( ) 染评价中的应用[J ] . 地质科技情报 ,2006 ,25 1:65272 . [ 1 ] Lo ska K , Wiechula D , Ko r u s I. Met al co nt a mi natio n of