黔西南地区土壤铊表生富集特征及机理研究

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铊(Thallium,Tl)元素具有剧毒性并在地壳中分散分布。近年来人为活动造成的Tl污染已成为广泛关注的生态问题,然而关于自然土壤中Tl的异常富集的研究报道较少。前期调研发现碳酸盐岩风化成土Tl相对富集,是我国南方喀斯特地区土壤Tl含量高的主要自然因素。但具体碳酸盐岩风化过程中Tl的迁移转化过程规律和富集机制尚不清楚。为探究碳酸盐岩风化过程中Tl的表生富集机理,为土壤Tl污染防治提供科学依据,本文在表层自然土壤Tl含量分布的调研基础上,选取黔西南2个岩性不同,即杉林脚(SLJ)灰岩和干龙洞(GLD)白云岩风化壳剖面为研究对象,通过矿物学和地球化学分析,结合质量平衡系数、CIA系数等探讨了黔西南典型碳酸盐岩风化过程中Tl的地球化学行为及其形态特征,揭示Tl的表生富集机制及其影响因素。主要取得以下认识:(1)两个风化壳中Tl均呈现表生富集现象。其各层土壤Tl含量均高于母岩、上陆壳平均成分(UCC)和中国土壤背景值。SLJ剖面以残渣态Tl为主,GLD剖面则以铁锰结合态Tl为主。两个剖面的铁锰结合态Tl百分比值均高于一般土壤。(2)2个碳酸盐岩风化壳剖面的上覆土壤均是下伏碳酸盐岩基岩原位自然风化的产物。具体地,下伏基岩与上覆土壤的不活动性元素对,如TFe2O3-Al2O3、Zr-Hf、Nb-Ta显示出极高的相关性;稀土配分模式具有良好的继承性。(3)碳酸盐岩风化的二阶段模式。在风化过程中,碳酸盐矿物大量溶解,大多数元素(如Ca、Mg、Na、Sr、U、Co、Pb、Cu、Mo等)淋滤亏损,而Tl只有少量淋滤亏损,不溶性残留物的体积已大大减少,Tl随着不溶物堆积富集,且在岩/土界面容易出现富集峰。Tl元素在界面附近发生沉淀富集,来源应是源于剖面上部的淋滤和迁出,其次,岩/土界面处pH值较高,MnO2、黏土矿物等吸附Tl的能力较强。对于GLD剖面,土壤Tl之所以异常高,一部分得益于碳酸盐岩基岩(白云岩)具有高的Tl含量。另外,质量平衡系数计算结果揭示了SLJ剖面土壤发育成熟,演化程度高的特点,而GLD反之。(4)相关性分析结果表明,K、Na、Mn、Al、Ti、Fe和Si等元素与Tl的相关性较显著,尤其是Fe和Mn,当地自然土壤Tl的高背景值与Fe和Mn的高含量有明显的相关性。参照矿物学特征,粘土矿物,石英和铝氧化、铁锰氧化物等非晶态氧化物可能是Tl的主要载体。Tl可以直接取代伊利石晶层边缘的K+和蒙皂石的层间结构中的Na+。在绿泥石中,Tl也可能与Mn2+结合。在石英表面,Tl可能会形成配位形态。pH值会间接影响Tl的竞争吸附,当风化剖面土壤pH值接近中性时,Tl优先与MnO2结合,导致风化壳中无定形、晶形Fe-Mn结合态含量高于残渣态。总之,黔西南喀斯特地区自然土壤中Tl的富集主要受控于基岩(石灰岩或白云岩)中Tl含量和风化成土演化程度,pH值会间接影响Tl的吸附形式。本论文研究为喀斯特地区土壤Tl地质高背景形成机制提供了基础数据和新认识。
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