碳酸盐岩风化成土过程中重金属元素的富集行为及其环境风险评价 ——以贵州岩溶区为例

论文摘要

(极)贫重金属的碳酸盐岩在风化成土过程中,一方面重金属元素大量淋失释放,随风化溶液流入外部环境（水系）中,另一方面,风化残余物中的重金属元素显著富集,对土壤生态环境也存在着严重的隐患。其中,岩-土界面是碳酸盐岩风化成土过程中重金属元素释放/富集非常重要的场所,但重金属元素在其上发生淋失、迁移、富集行为的研究仍相对缺乏。本文以贵州岩溶区4条碳酸盐岩风化剖面为研究对象,对其中的Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb以及Th、U等8个重金属元素的富集行为开展研究,揭示了碳酸盐岩风化成土过程中重金属元素富集的地球化学机制,获得了以下结论及认识:（1）通过碳酸盐岩风化剖面守恒元素对相关性分析论证了剖面的母岩均一性与原位性,这是探讨剖面发育演化特征的基本前提。（2）碳酸盐岩风化成土过程中,重金属元素普遍呈现出低背景、强亏损、高富集的地球化学特征,即基岩中重金属元素的含量普遍低于UCC含量,在岩-土界面作用过程中,重金属元素处于不断淋失,又持续富集的状态,同时风化壳中残余重金属元素的进一步释放是一个漫长的过程:一方面,风化壳中的酸溶相强烈淋失,表现出明显的活性,而另一方面,由于碳酸盐岩体量的大量减少,使得残余的重金属在岩-土界面显著富集,同时也说明岩-土界面是重金属元素发生强烈亏损及显著富集非常重要的地球化学场所。另外,因岩-土界面中碱性障的存在,导致从风化溶液中的重金属元素发生淋溶积淀作用,从而出现了岩粉层的带入现象,并局部掩盖了岩粉层的淋失特征。（3）碳酸盐岩基岩风化成土过程中,伴随着碳酸盐组分快速溶蚀殆尽,Cr、Ni、Cu、Cd、U等发生亏损甚至强烈亏损,表明这些重金属元素具有强的活性,且主要赋存在酸溶相中,而Zn、Pb、Th既表现出活性的一面,又在某种风化介质条件下呈现出整体带入的现象,这可能是由于相邻的纵向剖面中的元素随风化溶液发生了横向迁入所导致的。另外,不同母岩类型（石灰岩或白云岩）对其重金属元素的迁移释放与富集无明显影响,并且重金属元素的亏损程度与其对应部位的含量之间无必然联系。（4）在风化伊始阶段,伴随着碳酸盐的溶蚀,碳酸盐岩中的酸不溶相组分同步发生了分解,且不同矿物相的溶蚀速率不尽相同。碳酸盐岩体系中重金属元素的总淋失量,主要为酸溶相的溶蚀释放,同时又有部分来源于酸不溶物分解的贡献;且酸不溶相含量越低,则酸溶相含量越高,在碳酸盐岩风化成土过程中,可供溶蚀的碳酸盐的体量越大,导致残余重金属的富集程度越高。（5）本次4条碳酸盐岩风化剖面中,重金属元素主要赋存在CaO、MgO、K2O等相对易溶的酸溶相组分以及SiO2、Al2O3等相对稳定的酸不溶相组分中;有机质（OM）并非重金属元素主要的赋存载体,也表明其对重金属元素地球化学行为的影响是相对微弱的;随着pH值的降低,对Th的地球化学行为影响不大,呈现出明显的惰性,而其他元素则呈现出明显的活性,其中以Cd对pH值的变化最为敏感。（6）本文研究的碳酸盐岩风化剖面中,Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb均有不同程度地超过了农用地土壤污染风险筛选值,尤以Cd最为严重,有极大可能成为在自然背景下土壤重金属污染的潜在地域,对土壤生态环境质量造成不良影响,应引起学者们的重视。（7）在碳酸盐岩风化成土过程中,对于岩—土界面中上覆土层T1处的重金属元素呈现出明显富集特征的原因,一方面是因为碳酸盐相巨量亏损,从而导致酸不溶相中残余重金属元素显著相对富集;另一方面是由于上部风化壳早期风化形成的风化残余物,随着风化剖面的进一步风化不断发生强烈的淋溶淀积作用,其中XP剖面岩土界面上覆土层T1中Cd出现了超常富集现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 研究内容
• 第2章 样品采集与分析测试方法
•   2.1 研究区概况
•   2.2 样品采集及预处理
•     2.2.1 样品采集与剖面特征
•     2.2.2 样品预处理
•   2.3 实验与分析测试方法
•     2.3.1 主、微量元素分析
•     2.3.2 pH值的测定
•     2.3.3 基岩与岩粉层酸不溶物的提取
•     2.3.4 土样有机质的测定
•   2.4 动态淋溶实验方案
•   2.5 实验仪器
• 第3章 碳酸盐岩风化剖面的地球化学特征
•   3.1 母岩均一性分析
•   3.2 剖面的发育特征
•     3.2.1 主量元素地球化学特征
•     3.2.2 风化指数及pH值变化特征
•     3.2.3 有机质含量变化特征
•   3.3 重金属元素的富集特征
•   3.4 本章小结
• 第4章 碳酸盐岩风化成土过程中重金属元素的富集行为
•   4.1 重金属元素的质量平衡计算
•   4.2 酸溶相及酸不溶相中重金属元素的含量
•   4.3 碳酸盐岩动态淋溶过程中的元素地球化学特征
•     4.3.1 动态淋溶残余物中主量元素的地球化学特征
•     4.3.2 动态淋溶残余物中重金属元素的地球化学特征
•     4.3.3 淋溶进程中酸不溶相的变化
•     4.3.4 淋出液中EC及 pH的变化
•     4.3.5 淋出液中元素的累次含量变化
•   4.4 相关性分析
•   4.5 重金属元素的富集行为及Cd的超常富集现象
•   4.6 本章小结
• 第5章 碳酸盐岩风化剖面中重金属元素的环境风险评价
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘炫志

导师: 冯志刚

关键词: 碳酸盐岩风化剖面,岩土界面,重金属元素,富集行为,环境风险

来源: 南华大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,环境科学与资源利用

单位: 南华大学

分类号: X142;P588.245

DOI: 10.27234/d.cnki.gnhuu.2019.000746

总页数: 85

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