地球化学成果在基础地质研究中的应用——以定西—静宁地区为例

王 翔

（甘肃省地质调查院，甘肃 兰州 730000）

1 序言

加强地质成果应用，提升自然资源环境在整个地球系统中的认知水平，促进生态环境、自然资源、气候变化为一体的基础研究工作，目的在于为农业种植、环境保护、碳排放控制，以及生态文明建设和国家经济建设提供科学依据。

元素背景变化及元素组合异常特征，标志着特定的地质构造环境［1］。以土壤为研究目标的地球化学调查，从土壤元素的分布变化特征和区域生态变化角度出发研究气候环境变化，形成环境气候研究理论；以土壤环境变化指示元素和地质构造变化为特征，为推断古气候、古地理环境、第四纪气候演变和环境变化提供有力的依据，进而为人类应对当前气候变化和预测未来生存环境变迁提供重要的背景资料［2］。

2 研究区概况

2.1 研究区位置及自然地理概况

研究区位于甘肃省中东部地区，地处东经104°8′～106°32′，北纬34°34′～36°12′之间，调查范围涉及定西市安定区、陇西县、通渭县，白银市会宁县，平凉市静宁县、庄浪县及天水市秦安县、张家川回族自治县、清水县、甘谷县。

研究区位处西北黄土高原边缘与秦岭支脉丘陵地带之间，主要为六盘山褶皱山区及陕甘宁黄土边缘之间过渡带，多为黄土梁峁和沟谷地形，地势高低不平、沟壑纵横。平均每平方公里土地约有1.07 km的沟壑，因黄土山脊与谷地形成＂V＂形深谷，呈现出河谷川地、河谷盆地、丘陵坡地和树枝状沟壑等多种地貌景观。

区内地貌类型属于黄土低山丘陵，受大陆性气候影响，有着千沟万壑的地形，形成了植被稀疏，沟谷陡峭，降雨集中，水土流失严重的特点。其地貌特征广泛分布，也备受学者研究。

2.2 气候特征

研究区整体属大陆性温带季风气候，是中温带干旱、半湿润半干旱地区，四季分明，日照充足，气候温和。年均温差较大，形成－20～30℃之间的巨大温差，年平均气温达11.9℃。因降水夏季较多，冬春季节较少，年均降雨量350～600 mm，年蒸发量高达1 400 mm，无霜期159 d，光热资源丰富，年均日照时为2 209 h。

2.3 土壤

研究区内大部分区域为黄土覆盖区，是第四系形成的陆相黄色粉砂质土状堆积物。黄土的构成以黏土、细砂粒、方解石为主，颜色大多为浅黄色；黄土在整个土质系统中属于优质土壤，具有腐殖、淋溶、淀积的层次特征，还具有疏松多孔易于水汽下渗的独特特性。农业种植中黄土属于较上等土壤，富含多种微量元素和植物所需的大量元素，是优质农产品种植的重要产区，但受气候环境的影响，自然灾害的不确定性制约了经济的可持续发展。

3 研究内容及方法

本文利用《甘肃省定西—静宁地区1∶25万土地质量地球化学调查》成果数据，按照中国地质调查局《多目标区域地球化学调查规范》（1∶250000）（DZ／T 0258—2014）、《土地质量地球化学调查评价规范》（DZ／T 0295—2016）规范要求，采取了表层（20 cm）和深层（150 cm）采样方法。表层为每平方千米一件样品；深层为每4 km2一件样品。表层样品由每4 km2分析一个组合样，深层样品由16 km2分析一个组合样，最终分析了54项元素指标参数，以部分元素来指示气候环境状况，套合土壤风化淋溶系数、冷暖系数、干旱系数和化学风化指数，评价推断该地区气候环境的变化［3］。

3.1 土壤风化淋溶系数（ba值）

土壤风化淋溶系数ba是指土壤中的盐基，即氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁与氧化铝的分子比值，ba值越小，表示土壤中保存的盐基含量越低，淋溶作用越弱；反之则越强［4］。

利用调查区表层土壤样品分析测试数据，经上式计算后绘制形成土壤风化淋溶系数分布图见图1。

图1 调查区土壤风化淋溶系数分布图

由图1可以看出，土壤风化淋溶系数在张家川县和清水县的关山山前及内官营的蔬菜种植基地等地区绿色植物覆盖地区的土壤风化淋溶作用较为严重，范围在0.56～1.07之间。而在安定区以北的葛家岔、鲁家沟、石峡湾一带的黄土丘陵区风化淋溶相比最弱，盐基含量较高，ba值在1.4～1.55之间。

3.2 冷暖系数G值

冷暖系数G值反映了环境的气候条件，G值为二氧化硅与三氧化二铝和三氧化铁的相对分子量比值。G值高说明气候湿润温暖，低则显示气候寒冷。

调查区内G值绝大部分处在低值区内，表征气候相对寒冷，只有安定区以北的地区G值相对稍高（见图2）。

图2 调查区冷暖系数分布图

3.3 干旱系数

干旱系数用Mg／Ca比值表征，其值越低指示气候条件越湿润，越高则说明气候越干旱。

调查区干旱系数值主要介于0.2～0.3之间，气候较为干旱。相对湿润的高值区主要在张家川县、清水县的关山山前地区和安定区内官营镇附近（图3），干旱系数相对来说比全区高，这与植被覆盖率呈显著的相关性。

图3 调查区干旱系数分布图

3.4 化学风化指数（CIW）

通常利用K、Na、Ca、Mg等硅酸盐矿物的流失程度来分析土壤风化指数变化，其计算分析方法较多，本次采取的化学风化指数CIW（Chemical Index of Weathering）公式能客观反映化学风化的真实情况。CIW为氧化铝与氧化铝、氧化钙和氧化纳相对分子量的比值。

CIW值为沉积物中黏土矿物的缺乏程度，其值越高，表示风化程度越高。通过研究全区CIW值分布图（图4），发现研究区的CIW平均值为0.54，范围在0.48～0.8之间，说明研究区风化程度较弱。清水县南部地区CIW值大于0.65，是全区风化程度相对较高的土壤。中部的义岗川和西北部的白碌CIW平均值为0.21，风化程度最小。这种变化仅仅在研究区具有对比的意义，放在大的区域内对比意义大不。研究区CIW值高于0.70的仅21 km2左右，分析对比发现这些CIW高值区，仍含有较高的Na、K等易溶元素，因此，研究区属低风化土壤，土壤发育程度较弱。

图4 调查区化学风化指数分布图

4 结论

土地质量地球化学调查成果在基础地质研究中对土壤风化淋溶、气候冷暖变化、干旱程度及土壤风化程度有着广泛的应用，但受其他因素影响，仅仅作为研究性工作的指示性指标。

（1）通过计算研究区ba值，发现研究区北部地区绿色植物覆盖地区的土壤风化淋溶作用较为严重。

（2）通过计算研究区冷暖系数G值，发现研究区绝大部分处在低值区内，表征气候相对寒冷。

（3）通过计算研究区干旱系数，发现研究区干旱系数值主要介于0.2～0.3之间，气候较为干旱。

（4）通过计算研究区化学风化指数，发现研究区以轻风化土壤为主，仅在研究区南部的清水县地区CIW值偏高。