土壤地球化學(xué)測量發(fā)展歷程與進展

龍?zhí)煜?，李文輝，楊愛平，王小虎

(1.云南省國土資源規(guī)劃設(shè)計研究院，云南昆明 650216； 2.云南省地質(zhì)調(diào)查院，云南昆明650216)

地球化學(xué)是20世紀(jì)興起的一門學(xué)科。學(xué)科建立以來，其在各個研究領(lǐng)域中都得到了迅速發(fā)展并取得了重要成果[1]?？辈榈厍蚧瘜W(xué)作為地球化學(xué)的一門分支科學(xué)，是指系統(tǒng)測量天然介質(zhì)中化學(xué)元素或化合物含量和組成用于礦產(chǎn)勘查的科學(xué)[2]。它的目的是發(fā)現(xiàn)土壤、巖石、水系沉積物、水、植物及氣體等介質(zhì)中形成各種類型的地球化學(xué)分散模式或異常去追蹤和發(fā)現(xiàn)新的礦床或油氣藏[3]。土壤地球化學(xué)測量為勘查地區(qū)化學(xué)學(xué)科中一種重要方法手段。進入21世紀(jì)，隨著全球礦業(yè)市場的蓬勃發(fā)展，勘查地球化學(xué)發(fā)展與研究也取得了諸多豐碩成果。追蹤研究勘查地球化學(xué)發(fā)展歷程及進展的文獻很多，但土壤地球化學(xué)發(fā)展歷程及最新研究進展相關(guān)文獻甚少。即便土壤地球化學(xué)已在礦產(chǎn)勘查、生態(tài)、環(huán)保、人類健康、食品安全等多目標(biāo)領(lǐng)域已取得了豐碩成果和長足發(fā)展。

本文基于前人研究及取得成果基礎(chǔ)之上，通過對土壤地球化學(xué)發(fā)展歷程及研究進展進行總結(jié)綜述，以期闡明這些研究進展及成果在礦產(chǎn)勘查、生態(tài)環(huán)境、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等多目標(biāo)領(lǐng)域中的運用和作用。

1 土壤地球化學(xué)發(fā)展歷程

1932年，蘇聯(lián)地質(zhì)學(xué)家費爾斯曼、謝而蓋耶夫等最早開展了土壤地球化學(xué)找礦嘗試，他們系統(tǒng)采集了土壤及風(fēng)化巖石樣品進行化學(xué)分析，分析結(jié)果用于指導(dǎo)找礦[4]。當(dāng)時受限于測試設(shè)備等原因，其主要分析測試及找礦對象為金屬礦物。1935年，蘇聯(lián)研制成功了適用于大規(guī)模土壤地球化學(xué)樣品分析測試的光譜分析設(shè)備，這為土壤地球化學(xué)全方位找礦奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)40～50年代，美國、加拿大、英國、法國等也正式開展了土壤地球化學(xué)研究和找礦工作。1951年，我國地球化學(xué)先驅(qū)謝學(xué)錦在安徽月山進行了地球化學(xué)找礦實驗。20世紀(jì)中-末期，土壤地球化學(xué)找礦在我國初見成效，發(fā)現(xiàn)了吉林大黑山大型鉬礦床等。

20世紀(jì)70～80年代，成立了“國際勘查地球化學(xué)協(xié)會”，推行了“國際地球化學(xué)填圖計劃”，極大推廣了地球化學(xué)找礦。在謝學(xué)錦等大力推動下，在此期間，我國開始了“區(qū)域化探全國掃面計劃”[5]，這一計劃主要工作內(nèi)容為土壤、水系沉積物地球化學(xué)測量等。

2 土壤地球化學(xué)研究進展

2.1 多目標(biāo)領(lǐng)域運用與進展

2.1.1 全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查

1999年我國開展的“全國多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查”，是我國繼區(qū)域化探全國掃面計劃之后一個新的國家地球化學(xué)填圖計劃[6-7]。據(jù)謝學(xué)錦[8]介紹，這項計劃以土壤地球化學(xué)填圖為基礎(chǔ)，其實質(zhì)是對地球表層整個生態(tài)系統(tǒng)進行地球化學(xué)填圖。其成果不但可在環(huán)境、農(nóng)業(yè)、土地質(zhì)量、海洋、礦產(chǎn)勘查等領(lǐng)域中做出重大貢獻，而且是一種新思路、新方法、新技術(shù)的形成與運用創(chuàng)新，其技術(shù)方法在國際相關(guān)領(lǐng)域也具有創(chuàng)新性和領(lǐng)先優(yōu)勢。

多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查及成果的轉(zhuǎn)化運用，對于我國改善和調(diào)控生態(tài)環(huán)境、保護和合理利用有限的土地資源、制定農(nóng)業(yè)經(jīng)濟規(guī)劃和為土地生態(tài)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)[9]。利用多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查成果，浙江蕭山地區(qū)因地施種，進行“北菜南移”，在浙北富硒土壤區(qū)，發(fā)展富硒農(nóng)產(chǎn)品；四川成都地區(qū)依據(jù)地球化學(xué)圖元素分布狀況，將土壤劃分為宜農(nóng)、宜林、宜牧三類[10]。這些成果的轉(zhuǎn)化運用真正實現(xiàn)了因地制宜，為地方農(nóng)業(yè)種植業(yè)區(qū)劃和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了科學(xué)依據(jù)，推進了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，為地方脫貧致富做出了貢獻。

2.1.2 覆蓋區(qū)多目標(biāo)地球化學(xué)填圖

覆蓋區(qū)又稱掩蓋區(qū)，指第四紀(jì)以前的基巖被終年冰雪、水體、沼澤、植被以及沖積、冰積、風(fēng)積等松散沉積物廣泛掩蓋的地區(qū)[11]。我國東北、華北、長江中下游平原、珠江三角洲、四川盆地等人口密集大面積區(qū)域被冰雪、植被、水系湖泊、洪沖積物等所覆蓋。土壤圈處于相互關(guān)聯(lián)的地球系統(tǒng)之中，記錄和保存了巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈的大量信息[12]。依托覆蓋區(qū)多目標(biāo)地球化學(xué)填圖技術(shù)，通過采集土壤樣品分析測試，成果直接或間接用于分析研究巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈中化學(xué)元素富集分配情況，最終用于指導(dǎo)區(qū)域規(guī)劃、厘清地質(zhì)界線、應(yīng)對碳減排等。如湖南根據(jù)洞庭湖地區(qū)多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查提供的土地污染數(shù)據(jù)，及時修編了株洲市2005年土地總體利用方案，避免了不必要的損失；吉林中西部地區(qū)，通過對多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查資料的綜合分析，根據(jù)元素地球化學(xué)圖的空間分布規(guī)律，厘清了各時代地層的地質(zhì)界線；四川、江蘇等地，利用多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)，劃分土地肥力等級，在缺乏相應(yīng)元素地區(qū)采取精準(zhǔn)增補施肥，使得果蔬農(nóng)副產(chǎn)品增產(chǎn)增收，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化[12]。利用多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確地估算出我國不同地區(qū)土壤實測碳儲量應(yīng)對碳減排，使我國工農(nóng)業(yè)發(fā)展更趨環(huán)境友好，不斷實現(xiàn)科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展。

除此之外，土壤地球化學(xué)測量對水系沉積物測量有補充作用。比如在森林沼澤區(qū)、玄武巖分布區(qū)等特殊地段，采集到合格水系沉積物樣品將會很困難或不可能時，可以采集殘坡積土壤樣來代替水系沉積物樣品，以達到工作任務(wù)要求[12]。

2.1.3 全國土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查

隨著人類物質(zhì)生活水平的不斷提高，對自身乃至全球性的健康協(xié)調(diào)發(fā)展要求不斷提高。土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查內(nèi)容涵蓋地質(zhì)、生態(tài)、農(nóng)業(yè)、土壤微生物等領(lǐng)域，主要研究元素在不同生態(tài)系統(tǒng)中的分布分配特征、地球化學(xué)循環(huán)過程，及其對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的影響等[13-16]。1999年我國啟動了國土資源大調(diào)查，內(nèi)容涵蓋土地土壤質(zhì)量、礦產(chǎn)資源、生態(tài)環(huán)境等。2016年我國發(fā)布了《土壤污染防治行動計劃》即“土十條”[17]。截至2018年底，全國共完成1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查面積254.96萬km2，完成1∶5萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評面積278132.28km2。取得的主要成果有以下幾方面[19]：①摸清了土壤國情狀況，查明了主要耕地污染及肥力狀況；②查明了中國土壤有機碳儲量分布的主要特征；③發(fā)現(xiàn)富硒土地逾20萬km2；④助力基礎(chǔ)地質(zhì)研究與找礦突破。

土壤質(zhì)量調(diào)查取得的重要成果之一，發(fā)現(xiàn)一批富含硒等特色有益元素的土地資源。硒(Se)是人體和動物必需的微量元素，在維持人體和動物健康方面具有十分重要的作用[20-22]。缺硒會使人和動物產(chǎn)生多種組織器官的病變，硒攝入不足會導(dǎo)致克山病、大骨節(jié)病、牲畜白肌病等[23-26]。人體所需的硒主要是通過食物鏈從土壤中獲取，因此，探究土壤硒的含量分布及其影響因素，對區(qū)域內(nèi)的農(nóng)產(chǎn)品安全以及維護人群健康具有十分重要的意義[21，27-29]。得益于土壤調(diào)查成果，近年我國湖南省新田縣、江西省豐城市、湖北省恩施市等地建成了富硒特色農(nóng)產(chǎn)品種植示范基地，形成數(shù)百家生產(chǎn)企業(yè)、合作社，帶動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展和城鄉(xiāng)就業(yè)，取得了顯著經(jīng)濟效益和社會效益[30]。

2.2 礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域運用與進展

土壤作為地表巖石風(fēng)化的產(chǎn)物，其直接來源于地殼巖石圈，在地球表層分布廣泛，因此，土壤樣品比較容易采集獲取，利用高精度儀器分析測試土壤樣品所獲得成果代表性強、準(zhǔn)確度高。無論在什么類型地球化學(xué)景觀區(qū)，土壤地球化學(xué)采樣物質(zhì)均為原生巖石風(fēng)化殘積的產(chǎn)物。相對水系沉積物樣品來說，所圈定異常與實際發(fā)生異常地質(zhì)體(礦體)位置偏離較少；相對巖石地球化學(xué)測量而言，其不受基巖出露情況限制；相對物探方法，土壤地球化學(xué)異常無多解性、精度高，對找礦指向更明確。土壤元素含量及其組合與原巖、礦(化)體等存在極大的相似性，通過研究土壤地球化學(xué)性質(zhì)，能夠發(fā)現(xiàn)與原巖礦化有關(guān)的地球化學(xué)異常.地球化學(xué)土壤測量在化探方法中最成熟，同時也是最有效的方法[31]。土壤地球化學(xué)一經(jīng)誕生就是用來找礦的，歷經(jīng)近一個世紀(jì)的發(fā)展完善，其在找礦領(lǐng)域的作用越來越凸顯，特別在有色金屬、貴金屬、油氣、放射性礦產(chǎn)與覆蓋區(qū)隱伏礦找礦領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。

2.2.1 有色金屬、貴金屬礦產(chǎn)勘查進展與運用

地球化學(xué)中的土壤一般是指覆蓋于地表的疏松殘積、坡積物。殘積、坡積物也是金屬礦區(qū)分布最廣的一種疏松覆蓋層，發(fā)育在這種介質(zhì)中的地球化學(xué)異常直接來自礦體和圍巖的風(fēng)化產(chǎn)物，因此，這類異常具有最明確的找礦意義，其在找礦實踐中發(fā)揮的作用也最大[32]。近些年來，土壤地球化學(xué)在有色金屬、貴金屬找礦實踐中取得了諸多豐碩成果。

金元素在殘坡積土壤或水系沉積物中的含量與其母巖相比，具有明顯的富集傾向[33]。另據(jù)程志中等在山東北部沖積物覆蓋區(qū)活動態(tài)金屬在土壤中的分配規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，元素在各活動態(tài)之間的分配關(guān)系除與元素的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)外，土壤的性質(zhì)也影響元素的分配關(guān)系，表生條件下土壤中活動態(tài)Au占有較大的比例，表生條件下Au主要以納米或亞微米等超微細(xì)顆粒形式存在，這些微粒Au可在土壤或水中長期遷移和穩(wěn)定存在[34]。金等貴金屬在地殼中含量極低(數(shù)量以ppb計)，但在成壤過程發(fā)生了富集并長期穩(wěn)定存在。那么我們在尋找類似金等貴金屬礦產(chǎn)時，通過采集殘坡積土壤樣品就比較容易圈出異常，有利于指導(dǎo)找礦，這也就是在找金等貴金屬礦產(chǎn)時土壤化探方法效果極佳的原因。

王建平等通過對中國258個金礦床資料的分析研究，指出地球化學(xué)方法在金礦床的找尋中發(fā)揮的作用越來越大，1980年以后發(fā)現(xiàn)的99個金礦床中，化探起重要作用的有34個，占34%[35]。作者所指的化探主要也就是土壤及水系沉積物測量。

著名的云南鎮(zhèn)源老王寨金礦最初發(fā)現(xiàn)也得益于地球化學(xué)提供的信息。1980年完成的1∶50萬云南省地球化學(xué)圖，圈出了哀牢山金地球化學(xué)找金遠(yuǎn)景區(qū)，1985年云南省第三地質(zhì)大隊在老王寨-冬瓜林一帶開展了1∶5000土壤地球化學(xué)剖面測量，圈出了老王寨Au、As組合異常，經(jīng)剝土取樣化驗發(fā)現(xiàn)了Ⅲ號礦體，后經(jīng)工程揭露驗證，該礦體成為老王寨礦段最大礦體[36]。

2000年，黑龍江省地勘局在爭光地區(qū)圈出了Ht-4土壤異常，經(jīng)槽探驗證發(fā)現(xiàn)了6條金礦體[12]。后經(jīng)坑探、淺鉆等進一步驗證，累計發(fā)現(xiàn)金礦體68條[37]，預(yù)測遠(yuǎn)景儲量超過20 t，最終找到一個大型金礦床，取得了找礦重大突破。

2001年～2003年，安徽省地質(zhì)調(diào)查院開展內(nèi)蒙古自治區(qū)1∶20萬阿榮旗幅區(qū)域化探掃面時，發(fā)現(xiàn)HS-18 Mo、Bi異常[12]，后經(jīng)進一步化探、地質(zhì)勘查工作，圈出12個隱伏鉬礦體，控制鉬金屬量超過5×104t，發(fā)現(xiàn)了太平溝大型鉬礦床。

楊元江等[40]在黑龍江漠河盆地南緣運用土壤地球化學(xué)方法檢查水系沉積物圈定的異常時發(fā)現(xiàn)了多條鉛、鋅礦體和礦化體，說明土壤地球化學(xué)測量方法在尋找有色金屬礦產(chǎn)效果也十分明顯。

2.2.2 油氣礦產(chǎn)勘查進展與運用

賦存于地表土壤、松散覆蓋物或巖石中固態(tài)或液態(tài)烴類是找尋油氣礦藏最有價值的指示因子，而遷移到地表的烴類氣體主要存在形式有作為氣體存在于土壤顆粒之間或吸附到礦物顆粒中及溶解于地下水中[41]。地下水在圈循環(huán)過程中必徑地表土壤，土壤對水分有吸附及保存功能。所以，通過采集土壤樣品可以提取油氣指示劑烴類物質(zhì)，從而找尋到油氣礦藏。

運用地球化學(xué)原理找油氣的方法可以統(tǒng)稱為油氣化探。油氣化探測量常用技術(shù)方法有：紫外吸收光譜法、碳同位素法、土壤吸附烴找油法等[12]。無論采用何種方法，其主要采樣介質(zhì)為土壤或水。在地球內(nèi)動力驅(qū)動下，埋藏于地下的油氣發(fā)生垂向運移、散逸，最終附著于土壤、巖石礦物顆粒間隙或水體。因此，找尋油氣礦藏時利用采集土壤介質(zhì)的油氣化探方法是一種行之有效的方法，其在油氣礦藏勘探過程中發(fā)揮了巨大作用，也相繼發(fā)現(xiàn)了大批國內(nèi)外油氣田。如國內(nèi)雙河油田、松遼盆地油氣田、任丘油田等[12]，國外有美國蒙大拿州Bell Creek油田、墨西哥Cognac油田、挪威附近北海中的Agate油田[42]等。

2.2.3 放射性礦產(chǎn)(鈾礦)勘查進展與運用

鈾是一種放射性礦產(chǎn)，它是核工業(yè)、原子能工業(yè)重要原料。鈾既可用于核彈頭、原子彈等國防領(lǐng)域，也可以用于核電站、民用化工、醫(yī)療領(lǐng)域。找尋到更多的鈾礦資源即是國防安全的需要，又是造福民生的需求。鈾主要以瀝青鈾礦物和被有機質(zhì)及礦物吸附的形式存在[43]。地表土壤富含有機質(zhì)和具有強吸附力的黏土礦物。鈾礦體產(chǎn)生的含鈾離子或微粒在地質(zhì)營力的作用下會遷移至近地表，聚積于土壤層[44]。姚文生等[45]研究表明：盆地砂巖型鈾礦的成礦及伴生元素以多營力結(jié)合的方式垂向遷移至地表，被富含粘土礦物的地表疏松土壤所捕集、富集，形成穿透性地球化學(xué)異常，在鄂爾多斯盆地利用土壤樣品圈定的異常與鈾礦體位置相符，取得了較好的應(yīng)用效果。郝威[46]通過研究土壤金屬活動態(tài)元素富集規(guī)律，圈出了伊犁盆地砂巖型鈾礦位置。

地表次生粘土形成過程中吸附了深部隱伏鈾礦遷移上來的鈾酰羅絡(luò)陽離子，指示了深部隱伏礦床[45]?；谶@一原理，我們同樣可以運用土壤地球化學(xué)方法采集花崗巖及火山巖風(fēng)化形成黏土層、風(fēng)化殼樣品，分析測試結(jié)果用來圈定鈾礦異常，進而指導(dǎo)找尋鈾礦。除了砂巖型鈾礦，花崗巖型、火山巖型鈾礦也是我國極具工業(yè)價值的重要鈾礦類型。

2.2.4 隱伏礦勘查進展與運用

埋藏于地下一定深度或者說是地表無出露的礦床即為隱伏礦床，這類礦床一般埋深大于幾十、幾百、或上千米，很難通過地表工程進行揭露控制，盲目進行深孔鉆探或坑探由于巨大的成本和風(fēng)險，是不科學(xué)及不現(xiàn)實的。在已知礦區(qū)外圍或深部尋找隱伏礦體是當(dāng)前礦產(chǎn)資源勘查的重要方向之一[47]。運用土壤化探方法尋找隱伏礦體是在覆蓋區(qū)進行找礦的主要方法，近年來已經(jīng)有較成功的案例[48-51]。王子正、唐菊興等[47]在西藏雄村金礦周邊運用土壤地球化學(xué)圈出異常，最終查證了則莫多拉隱伏銅金礦，說明土壤地球化學(xué)測量在尋找隱伏銅金等多金屬礦床是一種有效的勘查手段。

20世紀(jì)末興起的“深穿透地球化學(xué)”，主要原理是通過追蹤提取圈定深部隱伏礦床成礦元素(活動態(tài)金屬粒子、納米微粒等)運移到地表后形成的異常來指導(dǎo)找礦[52]。地表除了巖石絕對未風(fēng)化或水體冰川覆蓋區(qū)，其余地區(qū)都可以較易采取到土壤殘積物。自20世紀(jì)90年代以來，發(fā)展的系列深穿透地球化學(xué)技術(shù)，都是以固體土壤為采樣介質(zhì)的選擇性提取技術(shù)，使用土壤作為采樣介質(zhì)的深穿透地球化學(xué)技術(shù)，元素含量相對較高和操作簡單，因此獲得了廣泛應(yīng)用[53]。運用深穿透原理與土壤采樣方法在我國吐哈盆地圈出了2個有可能發(fā)現(xiàn)大型隱伏鈾礦的靶區(qū)[54，55]；在川西北若爾蓋草原地區(qū)圈出的巨大有機結(jié)合態(tài)(OBM)金異常已由鉆探證實為一大型隱伏金礦[56]；這種方法在美國內(nèi)華達Mike隱伏金礦、智利Gaby Sur隱伏斑巖銅礦也得到了很好的驗證[52]；王學(xué)求，葉榮[53]在實驗室建立的模擬遷移柱和河南南陽周庵隱伏銅鎳礦中均驗證了這種方法可直接尋找深部隱伏礦。

3 結(jié)論與展望

人類社會發(fā)展的歷程就是一個不斷探索與開發(fā)、利用自然資源的過程。當(dāng)下，人類社會創(chuàng)造了前所未有的文明與財富的同時，也面臨著更加嚴(yán)峻的資源、環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展等問題挑戰(zhàn)。土壤地球化學(xué)作為一種可以用來解決資源、環(huán)境與人類可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)方法，其在過去取得的進展和未來的發(fā)展主要有以下幾點可期。

(1)土壤地球化學(xué)作為一種歷史悠久的找礦方法，歷經(jīng)近一個世紀(jì)的發(fā)展完善，其除了在找礦勘查領(lǐng)域日漸成熟外，它在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、生態(tài)、環(huán)保、土地利用規(guī)劃、健康與食品安全等多領(lǐng)域也取得了長足發(fā)展，收到了良好經(jīng)濟社會效益。

(2)在經(jīng)濟社會全球化、學(xué)科融合多元化的今天及未來，土壤地球化學(xué)將會在多目標(biāo)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，并將與人類社會更加緊密相鄰，土壤地球化學(xué)將會從單一找礦勘查領(lǐng)域逐步走向更多運用領(lǐng)域，將會在更多領(lǐng)域造福人類。

(3)土壤地球化學(xué)的多目標(biāo)領(lǐng)域運用與發(fā)展已是現(xiàn)實，但其在礦產(chǎn)勘查與找礦中的作用絲毫不會減淡，它將會與諸如“深穿透地球化學(xué)”等新興學(xué)科融合發(fā)展，將會以更加科學(xué)、高效、尖端的姿態(tài)活躍于未來礦產(chǎn)勘查與找礦實踐中。

(4)土壤地球化學(xué)除了在傳統(tǒng)金及多金屬礦產(chǎn)勘查中發(fā)揮作用之外，將會在油氣、放射性(鈾礦)礦產(chǎn)、隱伏礦床勘查中發(fā)揮越來越重要作用。