上海市环境地球化学特征及成果应用展望

环境地球化学记录~

本节由李容全执笔。李容全，北京师范大学资源与环境科学系。
古湖泊沉积中的环境地球化学记录，是确定古湖泊性质、进行同一湖区不同地点的地层对比、重建古湖区的古环境以及古环境演化过程等方面的重要依据之一。在泥河湾地区，最初采集与研究当地的哺乳动物化石标本时，所用的石膏就是采自于泥河湾层中的生石膏(周廷儒等，1991)。此外，在野外的大部分露头剖面里都可以用肉眼观察到所存在的易溶盐沉积层次。基于这一现象，1980～1982年作者本人在泥河湾古湖草测了几个沉积剖面，并系统地采集了样品，进行了易溶盐类的实验分析。这份研究成果被《泥河湾盆地新生代古地理研究》所录用(周廷儒等，1991)。在这份成果中，受专著的系统性限制而未涉及地层对比、古环境等可以展开却未展开的问题。截至目前，做过泥河湾层地球化学分析研究的还有天津地质矿产研究所(陈茅南，1988)，他们取得了丰富的有关泥河湾层的常量与微量元素的实验分析数据。可是，这些数据跟古湖泊的环境与环境演化的相互关系，讨论得不够。当然这些正是将常量与微量元素分析应用到古湖泊沉积研究中尚未完全解决的难点问题之一。这个问题的解决仍有赖于地球化学的进一步发展，才有可能得出科学合理的解释。
一、剖面沉积记录
剖面沉积记录是关于湖泊沉积的直观的地球化学特性的反映。为了充分反映泥河湾古湖沉积的地球化学规律，或者说易溶盐沉积特征，从湖滨至湖心方向特选取铺路、红崖、郝家台、虎头梁和浮图讲共5个沉积剖面，进行野外宏观分析与对比。
(一)铺路剖面
位于蔚县北水泉乡铺路村西南公路路堑附近，相当于过去文献中的“城墙剖面”的位置。1997年拓宽并重修这条公路时，该剖面下部被破坏。原剖面自上而下沉积特征为:

泥河湾裂谷与古人类


泥河湾裂谷与古人类

在剖面中，2～13层属湖滨相沉积，夹有入湖三角洲相沉积(即7，9，12层)，在这套湖滨相沉积中，夹有10层石膏薄层和近底部砾石有被部分石膏膜包裹的现象。14层以上至27层为湖相层及水下三角洲相沉积，其宏观特征是一套富含碳酸钙的沉积，局部甚至出现钙板层，而不见任何形式的石膏。显然剖面下部代表曾有石膏能够断续析出的沉积环境，上部则转为断续使碳酸钙能够析出的环境条件。通观全剖面，下部为湖滨相沉积占优势，上部浅湖相沉积占优势，所以这个剖面有明显的湖侵层序规律。
(二)红崖剖面
位于铺路西北约3km，壶流河左岸，红崖村南。剖面厚度94.40m，河湖相层总厚度90.26m，沉积层自上而下顺序为:

泥河湾裂谷与古人类


泥河湾裂谷与古人类

红崖剖面仍存在从下部的湖滨相(第2层)向上变为浅湖相和水下三角洲相的相变层序。从铺路剖面厚壁蚌出露层位与石膏产出层位关系看，红崖剖面湖滨相底层，虽未见石膏产出，却有芒硝出现，上部的碳酸盐类(第4层以上)与铺路剖面特征极为相似，同样构成一个湖侵层序的特征剖面。
(三)郝家台剖面
位于郝家台村南。剖面在壶流河一侧高80余米。地层特征自上而下为:

泥河湾裂谷与古人类


泥河湾裂谷与古人类

从总体特征看，下部以湖相黏土为主;上部沉积颗粒较粗，也出现入湖三角洲相;最顶部为风成马兰期黄土层。碳酸钙沉积在第2层出现。这种上粗下细的沉积特征，似乎说明湖泊变浅。同期湖泊沉积剖面，铺路和红崖剖面反映了湖侵特征，而郝家台剖面却反映湖泊变浅，这是一种值得注意的矛盾现象。
(四)虎头梁剖面
位于虎头梁村南，雪儿沟两岸。剖面出露部分仅54.6m，自上而下沉积层为:

泥河湾裂谷与古人类

虎头梁剖面下部(第6层及其以下)，第2层产多刺鱼化石，第3层夹有多层石膏薄层，沉积物以浅湖相层为主。上部(第7～15层)除浅湖相层以外，尚有多层入湖三角洲相粗粒沉积，碳酸钙淀积明显，并有多层钙板层。
(五)浮图讲井儿窊剖面
位于井儿窊村北约300m的桑干河右岸陡坎处。剖面沉积岩性自上而下顺序为:

泥河湾裂谷与古人类

在这个剖面中，以第6层为分界，上部为夹有钙板层的浅湖相沉积及个别水下三角洲沉积层(第15层);下部为夹有石膏薄层的湖相沉积层。
(六)剖面宏观特征分析
为了判别各剖面上段与下段接受湖泊作用或接受河流作用的程度，在这里引入累计厚度比R与L两个指标。R为代表河流作用的粉细砂层和砾石层的层段累计厚度(hg+s)与本层段地层累计厚度(hn)的比值，R值大于等于零，且R值愈大表示河流作用占的比重越大，愈趋近于零河流作用愈不显著。L为湖相层在层段内的累计厚度(hl)与本层段地层累计厚度(hn)之比，L值愈大湖泊作用愈占优势，且有R+L=1的规律。按照这两个指标判别以上5个剖面(表3-1;图3-18)，井儿窊剖面上段河流影响只占0.11;郝家台剖面上段河流作用则超过井儿窊剖面上段1倍多，达到0.26。井儿窊与郝家台两剖面的下段均未受到河流作用的影响完全处于湖泊环境之下，所以它们的R=0，L=1。既然上段与湖泊扩张时期相对应，却又出现河流作用并占有R≥0.11的比重，可能说明在上段沉积时期湖泊总体变浅。另外，红崖与虎头梁两个剖面的上段R值分别为0.48和0.50，L值为0.52和0.50，都近乎于河、湖作用参半的状况，证明两剖面所在的地点处于相似的环境，即更靠近湖滨或已成为湖滨环境。相反，虎头梁剖面下段L=0.87，湖泊作用占主导地位，红崖下段则为湖滨环境(R=0.55，L=0.45)。铺路剖面由于处于湖湾区的湖滨地带，所以它的下段 R =0. 32 而其上段 R =0. 22，当用蔚县古湖与泥河湾古湖在此期连通，使得 R 值减少了 0. 10。红崖剖面上段的 L 值大于下段，也可能与两湖的连通有关。
表3-1 各剖面 R 和 L 值比较表



图3-18 各剖面之间 R 和 L 比值的变化


图3-19 沉积剖面宏观对比图

以上 5 个剖面除顶部的非泥河湾层以外，出露的泥河湾层的共同特点是都有近似特征的上部沉积，和相似的下部沉积。根据在同一个古湖中同期不同部位的湖泊水化学环境及其相应地球化学沉积具有相似性的原理，这 5 个剖面的下部含有石膏的湖相层是可以相互对比的，带有钙板层的上部沉积也是可以相互对比的 (图3-19)。其中，唯有郝家台剖面下部肉眼未辨别出石膏沉积，但在易溶盐分析中发现其第2层及其以下SO2-4、Ca2+、Mg2+等离子含量相对上部有骤增现象，证明它与其他剖面下部有同样的可比性。
二、泥河湾层中石膏的产状与特征
在出露的泥河湾层天然剖面的下部，石膏产出有3种类型(图3-20)。

图3-20 湖相纹层与石膏特征

(1)在湖滨相沉积中的石膏 (例如城墙剖面下部)，连续成层性较差，但仍有部分成层的。其特点是石膏晶体颗粒较大，可达 0. 6 ～1. 4 cm 大小。这可能与湖滨及湖泊滩地特殊的蒸发结晶析出环境有关。
(2)水下入湖三角洲相砾石间空隙中的石膏，湖水浅，晶体生长在砾石之间的空隙中，晶体透明度高，晶粒大小悬殊，常见 0. 3 ～1. 0 cm 的晶粒 (见于虎头梁第 6 层)。
(3)湖心区纹层中的石膏 (浮图讲井儿窊剖面)，成层性好，晶粒细小，肉眼难以辨认出晶体。
三、纹层的 X 射线能谱检测
从对石膏纹层和碎屑纹层的 X 射线能谱检测结果 (表3-2)中发现: ①石膏纹层内的 S、Ca 质量百分比均高，S、Ca 的原子数百分比均很接近，且 S、Ca 原子数百分比值大小与石膏在纹层中的存在形式和含量多少有关。②碎屑纹层中，Si 的质量百分比和原子数百分比都突出的高，显示出旱季和非旱季形成的石膏与碎屑年纹层在成分上的明显差别。
表3-2 X 射线能谱分析结果


四、化学分析
为确定古湖水的水化学环境，对沉积物样品进行了易溶盐含量与成分的化学分析。除上述5个剖面外，还对蔚县盆地的小枣碾、阳原县城东的狼洞沟和大同盆地东缘的余家寨剖面，以2m等间距和变层加取的原则所采集的共204个样品，做了易溶盐分析，进行简单统计(表3-3)后发现:湖滨区与浅湖区沉积物的易溶盐含量及其在剖面中的分布规律存在明显差别。
(一)浅湖沉积物中的易溶盐
在浅湖区，同一个沉积剖面内主要易溶盐离子含量于剖面上段和下段有明显差别。首先是除红崖剖面外，其他各剖面上段的Cl-、K++Na+含量均以数倍高出下段Cl-、K++Na+的含量。这个倍数的数值，在郝家台剖面Cl为1.28，K++Na+为3.14;在虎头梁相应为3.28与1.52;狼洞沟为2.43和2.50，井儿窊是4.69和4.16。若参见剖面描述记录，Cl-、K++Na+含量及剖面上、下段它们含量的倍数差值大小都与剖面内入湖三角洲沉积层次多少及累加厚度密切相关。例如，郝家台剖面上段有5层累计厚度为15.0m的入湖水下三角洲沉积，剖面上段的Cl含量及其高于下段的倍数(1.28)均低于其他几个剖面。其次，是相反的情况，即各剖面下段SO2-4、Ca2+、Mg2+的含量皆成倍数高于上段相应离子的含量(表3-4)。
表3-3 泥河湾各剖面易溶盐分析结果


①离子浓度(ioncontent)，mmol/kg;②含盐量(saltcontent)，mg/g;a=2SO2-4/Cl-;b=K++Na+/2(Ca2++Mg2+);c=Ca2+/Mg2+。
表3-4 各剖面下段离子含量与上段相应离子含量的比值


由以上可见，浅湖区各剖面的下段沉积时期湖水处于硫酸盐浓度相对高的环境，并且达到了在一些旱季有石膏析出的程度。当发展到上段沉积时期，古湖水更向咸化方向发展，也就是在易溶盐中氯化物的浓度占了优势比例，但并未检测到盐岩沉积物质。
尽管采用每克土所含有的易溶盐毫克数作为含盐量不能代表沉积相应时限沉积物时的古湖水的含盐量或咸度，却依然可以用它作为代用指标，反映古湖水含盐量的变化趋势。由此得出各剖面的含盐量变化曲线 (参见图3-21)。从上段与下段平均含盐量看，多数是下段的含盐量低于上段的，其中唯有虎头梁剖面除外。发生这种情况的原因，可能与它上段的 R、L 值各是 0. 5 有关，同时氯盐是极易被溶解而迁移的盐类，也可能存在沉积期后的部分溶解、迁移使其含量减少。另外的佐证是湖滨区的含盐量均存在被入湖淡水冲淡的现象。正由于上段含盐量高，也反证，下段是硫酸盐湖的古湖水环境，上段则至少为已进入氯化物湖的早期阶段。

图3-21 各剖面易溶盐成分、含量及离子比值曲线

(二)湖滨沉积物中的易溶盐
红崖南沟剖面和铺路剖面均为湖滨沉积剖面。其中，红崖剖面上段(0～32.06m)CO2-3离子平均含量与浅湖区的非常接近，而Cl-仅是本剖面下段的1/4.59，截然不同于井儿窊剖面的情况;SO2-4是下段的1/1.97，趋势与浅湖区各沉积剖面一致，但上、下段各自的平均含量均比浅湖区各剖面的少，上段SO2-4为虎头梁上段的1/1.95，井儿窊剖面上段的1/2.6，下段对应为1/4.05和1/4.72。K++Na+离子在剖面上段的平均含量也低于剖面下段;Ca2+、Mg2+离子的平均含量都低于浅湖区各沉积剖面的平均水平，但却有与浅湖区各沉积剖面相似的规律，即剖面上段低于剖面下段的平均含量。红崖剖面上段沉积物的易溶盐平均含量为10.81mg/g，远低于浅湖区大于23.94mg/g的水平;下段为24.10mg/g，与郝家台剖面的接近，却高于铺路剖面(16.82mg/g)的数值，而低于浅湖区剖面下段的平均值。
为何会出现各种离子含量均低，而Cl-和K++Na+在剖面上段与下段分布发生反常现象呢?其一，湖滨区偏粗的沉积颗粒吸附盐分的能力差，而湖滨沼泽易出现H2S释放，SO2+4离子总量因而下降。同时在旱季湖滩显露，强烈蒸发使湖滩表层盐渍化，雨季的坡面漫流冲洗湖滩表层盐分并携至浅湖乃至深湖区聚集。如此年复一年地重复这样的过程，而不利于盐分尤其是氯盐的积累和原位封存。其二，若对比累计比与平均含盐量的关系，湖滨区附近河流与湖泊作用几乎参半，淡水冲淡湖滨区湖水以及盐分向浅湖区方向迁移的现象是不可忽视的。盐分聚集在井儿窊、狼洞沟等剖面的现象就是个间接证据。王苏民等在对岱海的研究中，已揭示了河流对湖泊沉积物中元素分布的类似影响(王苏民等，1990)。
五、讨论
(一)古湖的性质与演化
化学分析结果揭示:①雪儿沟和井儿窊剖面下段易溶盐离子成分以SO2-4、Ca2+、Mg2+为主;②这3种离子各自的含量在水平方向上从红崖向雪儿沟和井儿窊递增;③铺路和红崖剖面下段的阳离子中，K++Na+的含量高于Ca2+，也高于Mg2+，而Ca2++Mg2+的含量在铺路高于K++Na+，在红崖低于K++Na+的含量;④井儿窊剖面下段的易溶盐含量最高(41.0mg/g)。由此可见，泥河湾古湖在下段沉积时期古湖水的性质已是以SO2-4、Ca2+、Mg2+为主。根据地层和微观观察，在古湖滨沉积层中，铺路剖面下段有部分层位出现石膏夹层，红崖剖面下段局部层位有芒硝沉积出现。在湖心区沉积剖面下段大部分层段里夹有石膏薄层和微薄层。从而判断，古湖水不仅已达到以SO2-4、Ca2+、Mg2+为主的程度，而且在旱季湖心区湖水易溶盐浓度能够达到石膏结晶析出的水平。这标志着古湖已发展到碳酸盐湖和硫酸盐湖的临界状态。所以，在剖面下段沉积时期古湖至少属于微咸水—半咸水湖性质。泥河湾层软体动物化石和有孔虫研究的结论都能佐证这一推论(黄宝玉等，1981;汪品先等，1975)。
在各剖面上段，化学分析结果显示湖滨相沉积中的易溶盐变化最为复杂，受河川影响和湖水位年内与年际变化影响最深刻，难以反映古湖性质与演化，而只能选用浅湖相沉积剖面的易溶盐分析结果反映古湖性质。在剖面上段沉积时期，铺路和红崖附近虽然受湖面扩张以及蔚县古湖与泥河湾古湖沟通的影响，湖相层所占的厚度比重有所增加，但河流相堆积仍占较大比重，并未完全脱离湖滨区。雪儿沟剖面上段河、湖作用参半，已成为湖滨区。所以，仅有剖面上段的易溶盐分析结果能够用来恢复古湖的性质与演化。在井儿窊剖面上段，易溶盐的离子构成中Cl-和K++Na+是主要成分，Cl-含量为其余3种阴离子之和的3.9倍;K++Na+含量是Ca2++Mg2+的5.1倍。这表明湖水已由下段的SO2-4、Ca2+、Mg2+为主的环境转变成为以Cl-、K++Na+为主的环境，沉积物中的易溶盐平均含量也由下段的41.0mg/g增至上段的50.3mg/g。按溶解度，KCl、NaCl和MgCl均比CaSO4、K2SO4和Na2SO4的迁移能力强，不容易在内陆湖泊中聚集。这时的古湖水应属于向氯化物湖过渡的半咸水湖。但在野外未观察到盐岩沉积的现象，所以推测此阶段只是古湖水中氯盐不断累积阶段。
红崖剖面和雪儿沟剖面的顶部，均有河流砾石层出现。在泥河湾湖盆的广大地区，除湖滨相沼泽层外见不到古湖消亡阶段普遍发育的沼泽层，而是湖相层顶部突然为河流相砾石层覆盖。这标志着泥河湾古湖的消亡具有突变性。
由以上分析可知，泥河湾古湖早期是微咸—半咸水湖，晚期为半咸水湖。这样的特征理论上为内陆湖泊所特有，与岱海、黄旗海和青藏高原等地区的一些内陆湖泊在性质上是相似的。
(二)古气候环境
微咸水—半咸水内陆湖泊是半干旱气候环境下的产物，湖泊盐分变化则反映了半干旱气候区的干、湿波动规律。微咸水—半咸水内陆湖泊和半咸水内陆湖泊表明蒸发作用超过降水补给。蒸发与降水的变化改变着Cl-、SO2-4、HCO-3、CO2-3、K+、Na+、Ca2+和Mg2+的构成关系以及盐分含量的变化(ЛукашевКИ，1992)。在泥河湾地区，这种变化是十分明显的(图3-21)，它反映了半干旱区湖面蒸发与补给对比关系的变化。
从易溶盐离子沿剖面的变化看，除湖滨的红崖剖面外，CO2-3和HCO-3均为反映气候变化的迟钝型离子。各离子含量沿剖面的变化与湖的演化阶段有关。在剖面下段湖水为SO2-4-Ca2+-Mg2+型，因此SO2-4、Ca2+和Mg2+离子含量变化十分显著。它们有5峰5谷的变化，与易溶盐分含量变化一致。在各种离子含量的比值中，只有SO2-4/Cl-有与SO2-4、Ca2+和Mg2+相似的变化，它们的变化曲线共同反映着泥河湾地区在剖面下段沉积时期的气候变化。在剖面上段，湖水已向Cl--K+-Na+型过渡，或已成为Cl--K+-Na+型，说明气候的进一步干旱化。此时SO2-4、Ca2+、Mg2+和SO2-4/Cl-沿剖面的变化已不显著，Cl-、K++Na+和(K++Na+)/(Ca2++Mg2+)的变化曲线则清楚地反映本地区降水的变化。在纵向上，上段沉积时的气候更加干旱，降水量更小，这种气候变化趋势与洛川黄土剖面的一致。刘东生等人对洛川黄土剖面的研究显示，离石黄土的平均粒度组成比午城黄土粗，CaCO3的平均含量比午城黄土高;午城黄土中SiO2，Fe2O3和Al2O3的相对积聚程度及CaO的相对淋溶程度均比离石黄土高，SiO2/Al2O3，FeO/Fe2O3和CaO/MgO比值则比离石黄土小，说明离石黄土堆积时期的一般气候状况比午城黄土堆积时更为干旱，结果才有冬季风作用的增强和离石黄土较午城黄土堆积范围的扩大(刘东生等，1985)。泥河湾层的主体为下更新统。因此，各剖面的下段对应午城黄土堆积时期，上段相当于离石黄土堆积的早期和中期。
各剖面下段易溶盐含量沿剖面的变化曲线，显示出5峰5谷，反映古气候变化存在干与湿的5个变化旋回。干旱阶段出现峰值，降水相对增多的湿润阶段出现谷值。在红崖剖面下段的上部，有2个湖水被淡化的短暂时段，倒数第1个淡化时段持续得可能略长一些(图3-20)，此刻湖水已被淡化，变为淡水。由于湖滨是河湖交互作用的地段，所以这里反映环境变化可能比湖心区更敏感。从下段曲线总体变化趋势看，下段的顶部沉积时段古气候环境当时是整个下段沉积时期气候相对最湿润的时段。所以，各种主要离子和易溶盐含量变化曲线的峰值均集中在下段沉积的中下部，顶部则为宽谷出现的位置。显然，顶部对应于相对湿润、湖水相对比较淡化的时段。在红崖剖面附近这种总的变化趋势却出现反常，顶部盐分高，各种离子出现振荡式峰值，似乎反映出一种截然不同于其邻近湖区的环境，而呈现出更为干旱的环境。何以出现这种现象?根据沉积层特征对比，并无错误。那么只能从两个方面去寻求答案，关键是它所处的特定位置—湖滨。其一，旱季湖滩裸露，蒸发使盐分向滩面聚集。其二，雨季湖滩淹没使滩面下土层浸入后期盐分。可能这两种过程同时存在，使其出现反常的曲线变化。
剖面上段的易溶盐含量沿剖面的变化，在红崖有4峰5谷的特征，而在雪儿沟变化幅度略大一些，但频度低，只有3～4个旋回。其原因可能是由于这两个剖面上段处于极易迁移的氯盐累积区，并且与后期聚集特征有关。
(三)新构造运动
在剖面上段，开始出现湖泊深浅和湖面范围的变化。这一变化的分界点在红崖附近。在分界点以南以东，湖水加深，湖面扩展，剖面表现是湖滨相沉积层被较厚的湖相层覆盖;在分界点以北以西，湖水变浅，造成湖相层被流水堆积的砾石层覆盖，使雪儿沟剖面下段的浅湖相堆积层变为上段的湖滨区堆积层。同一个湖泊同一时期不同部分的这种明显变化，可能是新构造运动的结果。也就是在红崖至雪儿沟甚至更西一些的湖盆底部相对抬升，使以西以北的湖水变浅，这一构造发生的起始时间大约在早更新世末-中更新世初，和青藏高原的再次隆升是同步的。
另外，结合剖面描述以及根据易溶盐分析所判断的湖泊发育阶段，可以发现在泥河湾层上段沉积时期，既是湖侵时期，又是由硫酸盐湖向氯化物湖过渡的湖区气候更趋干旱的时期。湖侵发生在气候更趋干旱的时期，说明湖侵显然不是内陆湖区降水量增加使湖水总量增加造成的，正确的答案只能从新构造运动去寻找。湖侵型剖面最典型的为铺路剖面和红崖剖面，这2个剖面恰好证明在泥河湾层下段堆积结束之末，在铺路和红崖一带出现地壳下沉，其结果不仅使这里出现了湖侵型剖面，而且还使泥河湾古湖与蔚县古湖通过这里相互连通。
(四)古水系变迁
微咸水—咸水是封闭的内陆湖泊所特有的特征之一。桑干河穿流本地区，在泥河湾盆地东南隅的石匣流出，这是个众说不一的问题。有人通过阶地位相对比，得出中更新世初河流穿越石匣而出的说法(宋津生等，1982)。殊不知阶地缺少物质的对比而作长距离的形态对比是很不可靠的。既然通过前述已判定泥河湾古湖早期有微咸水—半咸水内陆湖和晚期的半咸水内陆湖的属性，那么桑干河在泥河湾古湖存在时期是汇入湖盆而不穿越湖盆的内流河。湖盆周围的水系自然也不像今日这样汇入桑干河，大部分是独立汇入湖盆的内流河，只有桑干河上游支流是通过桑干河干流汇入湖盆的。
桑干河流过石匣可能有3种原因:①湖盆底部新构造抬升引起湖水骤然从石匣缺口外逸，切出石匣峡谷，这种想法的根据是红崖-雪儿沟之间盆地底部的抬升迹象;②突发性暴雨洪水引起湖水位猛涨，造成湖水逸出石匣，此推想的依据是红崖和雪儿沟剖面顶部出现的厚层河流相砾石层;③下游河流溯源侵蚀的结果。石匣被切穿，泥河湾古湖立即泄水消亡。

环境地球化学，请问专业怎么样
不错的专业，可以到油田或者炼油厂发展。比如新疆各大油气田，工资很高的。地球化学专业培养具备地球化学和地质学的基本理论、基本知识和基本技能，受到基础研究、应用基础研究和技术开发的基本训练，具有较好的科学素养及初步的教学、研究、开发和管理能力，能在科研机构、学校从事地球化学研究或教学工作，在资源、能源、材料、环境、基础工程等方面从事生产、测试、技术管理等工作以及在行政部门从事管理工作的高级专门人才。

何中发 夏晨

（上海市地质调查研究院，上海200072）

摘要：环境地球化学调查是一项与生态环境保护、城市规划、农业发展等关系密切的基础性调查工作。上海市环境地球化学特征显示，地球化学元素可分为均匀分布型、相对分异常型、分异型、强分异型、极强分异常型，同时主城区、新建城区、烟尘工业区、城郊蔬菜种植区表现不同的地球化学特征。提出地球化学资料在住宅建设生态、生态环境友好型土地利用方面应用的展望。

关键词：上海市；环境地球化学；成果应用

环境地球化学是环境科学的重要分支学科。它是研究环境中化学物质（天然和人为释放的）迁移转化规律及其与环境质量和人类健康关系的学科。是以化学元素在自然界循环为主线，强调自然环境现象的发生机制和演化规律。环境地球化学的重要任务之一就在于及时地研究现代环境的化学变化过程及其趋势，在地球化学的基础上，更加深入地研究组成人类环境的各个系统的地球化学性质^［1～5］。

目前很多大型城市地区都面临一定的环境地球化学问题。比如，城市化和工业化进程的加快，造成城市饮用水源地水质的下降，城市大气中颗粒悬浮物的增加，城市土壤污染、侵蚀、酸化和硬化以及土壤生物和植被退化等一系列较为严重的城市环境问题，直接危及到城市居民的健康和安全^［6～10］。为了摸清上海市环境地球化学的现状特征，2005年9月上海市环境地球化学调查项目正式启动。在上海市开展环境地球化学工作面临着如何在城市地区更好的采集样品的难题，同时如何使研究成果更好的服务于上海市的城市发展也是值得关注的问题。本文首先简单的介绍了上海市环境地球化学特征，然后就如何服务于城市发展和城市建设提出一定的应用设想。

1 研究区概况

上海位于长江三角洲前缘，太湖平原东侧。其南靠杭州湾，东濒东海，北枕长江入海口，地理位置十分优越，交通便捷。陆地面积6340km²，包括长江水面及沿海沿江滩涂在内，总面积7823km²。上海地区主体部分是三角洲平原，相对高差3～4m。但依地貌形态及其成因，又可划分位西部湖沼平原、北部沿江平原、东部滨海平原、长江口沙岛平原。在西南部湖沼平原区和杭州湾一带，有局部星散残丘保留，多数海拔50～70m。陆域地区最高为天马山，海拔高度97m。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

表层土壤样品：采样密度1个点/km²，中心城区可适当加密取样，采集深度为0～20cm，4km²分析一个组合样。深层土壤样品：采样密度1个点/4km²，规定采样深度为200cm以下，16km²分析一个组合样。

湖泊表层沉积物样品：采样密度1个点/4km²，在入海口或入湖口附近适当加密取样，采集深度为0～20cm。样品不进行组合。湖泊深层沉积物样品：采样密度1个点/16km²，规定采样深度为1.5m，对于沉积物小于1.5m的地方，以采集深层湖积物最底部样品为主。样品不进行组合。

地表水：非城区采样密度1个点/16km²，在黄浦江、苏州河等水系的上、中和下游分别布设1～2个采样点。浅层地下水：1个点/16km²。

2.2 样品分析测试

土壤和湖泊沉积物样品分析测试：分析测试项目为中国地质调查局规定的有关土壤样品52元素（全量）及有机碳和pH值共计54项指标。

水体样品分析测试：除按照中国地质调查局规定的21项必测项目外，针对上海市实际情况又选测了10项别的指标，共计31项指标。

3 上海市土壤环境地球化学特征

3.1 表层土壤元素总体区域分布特征

土壤表层元素分布总体受区域地质母质环境、土壤表层发生层、自然生态环境、环境污染以及自身化学性质等复杂因素制约，表现出区域上显著的变异特征。上海地区受自身特殊的环境要素制约，显示出符合自身特点的地球化学变异特征。对其按照区域变异特性分解，大体划分出以下5种类型。

3.1.1 均匀分布类型

变异系数（CV）≤25％，包括砷、硼、钡、铍、铈、钴、氟、镓、锗、镧、锂、锰、铌、镍、铷、钪、锶、钍、钛、铊、铀、钒、钇、锆、硅、铁、铝、钠、钾、镁等30种元素，区域内基本表现出均匀分布，含量变差不大。直方图统计，这些元素中多数元素含量基本服从正态分布，含量区间窄小，变差不大。这些元素的分布主要受自然地质背景影响，与城市化的进程关系不密切。

3.1.2 相对分异型

25％＜CV值≤50％，包括溴、碘、氮、磷、钙、碳和有机质。这些组分，表现出在全区土壤表层较弱的分异特征，含量有不大的变化范围。含量统计直方图显示，本组元素多数呈对数正态分布，其中基本呈标准。这些元素在区域上的分布特征与土壤类型有非常好的吻合关系。其中溴和碘的高含量地区主要分布沿海地带，氮、磷、钙的高含量地区主要分布在上海市西南部的湖沼相沉积地区，碳和有机质的高含量地区主要分布在农业开发强度大的松江、青浦和金山等地方。

3.1.3 分异型

50％＜CV值≤75％，仅包括铋、铬、铜、硫四元素。统计显示，铬虽属该类，但分异程度并非很高。全区直方图上，铋、铜表现为二重母体分布的型式，表现为原始分布上有着两种不同的分布区，即原生背景场和城市人类活动扰动叠加场。其中铋、铬的高含量地区主要分布在吴淞工业区，铜的高含量地区主要分布在沿黄浦江的一些大型造船基地附近，而硫的高含量地区则主要分布在老居民区比较集中的地方，如黄浦、杨浦等地方。

3.1.4 强分异型

75％＜CV值≤100％，仅包括硒、钨、锌等三元素。显示出这些元素更强的区域变异，含量具更大的变差。全区直方图上，硒、钨基本显示为对数正态分布，带有较强的左偏性质，锌则显示为二重母体分布。硒的高含量地区与人口最密集的地区有比较好的吻合关系，钨的高含量地区主要分布在桃浦、吴淞等工业化开展早的地方，锌的高含量地区主要分布在吴淞、上钢三厂等地方。

3.1.5 极强分异型

CV值＞100％，包括银、金、镉、氯、汞、钼、铅、锑、锡等九元素。直方图上，九元素基本表现为二重母体分布，其一母体反映为土体内上述元素的基本分布特征，另一母体为异常母体，反映为区内的人类活动扰动作用的叠加特征。这些元素分异分布类型与城市建设开发强度的高低有一定的联系，其中，汞、镉和铅的高含量地区主要分布在中心城区等城市化相对高的地方。

3.2 上海市主要生态区土壤环境现状

总的看，上海地区土壤受人为扰动比较重，本文根据遥感影像解译全市共划分出11个类别的生态区，并依据地球化学数据全数据的分区进行了统计，获得了各生态区土壤现状情况的基础资料，其中将主要的生态区分述如下：

3.2.1 中心城区

这里指的是上海老城区，范围限在黄埔、卢湾、徐汇、长宁、静安、普陀、闸北、虹口、杨浦等区上世纪80年代前的居民密集区，面积260km²。总体上，老城区表层土壤显示出大量元素富集，按富集系数（K大于1.5）和变异系数选取有：铋、汞、镉、硒、锌、银、锡、铬、金、磷、硫、铅、碳、有机炭、铜、钼、钨、氟、锑、铈、氯及磷、氮等。以上组分在中心城区的富集特点，一是形成的异常组合元素最多；二是多数元素含量达到最高；三是主要富集元素均形成面状分布；四是形成因素复杂。

3.2.2 新建城区

指上世纪80年代后期尤其改革开放来新发展的城区，面积312km²。

本次调查，新城区土壤地球化学分布的比较复杂，元素地域性变化较大。据统计，本类区富集元素包括银、金、铋、镉、氯、铜、汞、碘、钼、铅、硫、锑、硒、锡、钨、锌等15种元素，其中富集度最大的元素为镉、汞、金、汞、锡、碘等。镉的富集度高，K值达2.65；变异系数大，CV值达442.41％；区内有全区首高的高达20000μg/g；分析其原因，很可能是老厂区固体污染物所致。其次为钼，属于一种强烈的不均匀分布，变异系数CV值122.5％，最高值量9.64μg/g。总体看，本类生态区处在老城区外围，土壤污染态势相对于老城区具有递降态势。

3.2.3 烟尘工业区

本次调查，将宝钢、上钢一厂、上钢三厂的烟尘工业独立划出，借以调查工业烟尘对附近土壤的的质量的影响效应。总计划出面积160km²，除厂区外，也包括厂区附近烟尘集中沉降的大概范围，排放物不仅仅是降尘，还有工厂排放的固体排放物、污水等。由本次调查，烟尘工业区土壤受人为污染影响程度仅仅弱于上海中心城区，从污染强度和元素组合两方面评定，排在第二位。据资料统计结果，本类生态区受污染的元素有：银、金、铋、镉、铬、铜、汞、锰、钼、铅、锑、锡、钨、锌、铁、钛、镍、锗、钙、钡等，非金属元素砷、氯、氟、碘、磷、硫、硒、碳、有机质等，共计29项指标，比中心城区多出8项。具有特征性的是类如钙、钡、锶、氟等在其他环境下表现平稳，在此类生态区也出现了高量分布。

该生态区的第二个特征是：银、金、镉、汞、钼、铅、锡、钨、锌等元素均达区域背景的2倍以上，且呈总体较高。分析认为，这种特征是由于该类工业区固体排放物、污水系统污染是一方面，长期的工厂粉尘和烟尘飘落对周围的均一性污染可能是更重要的方面。

3.2.4 城郊老蔬菜地

主要为城近郊环城的老蔬菜地，面积312km²。《上海土壤》将这部分土壤定为菜园灰潮土，是长期种植蔬菜，土壤耕作活动强烈，施肥、灌水频繁，土壤肥力高的一种土壤。但也因不当施肥灌溉和农药喷洒，致使土壤污染严重。本次调查显示区内银、金、铋、镉、铬、铜、汞、氟、碘、锰、钼、磷、铅、硫、锑、锡、硒、锶、钨、锌、钙、碳和有机质含量偏高，其中银、金、汞、钼、铅、硫、锑、锡、硒、钨、锌都在区域背景值的2倍以上，镉接近于2倍。且除银显示为极强变异外，这些偏高量分布元素（组分）变异并不强烈，只达到相对分异～分异～强分异程度，说明老菜地遭受了较均匀的偏高扰动量，但总体又比中心城区、烟尘工业区偏低。迄今，按照土壤环境指标标准，以汞、镉、铅、铜的分级临界值计，本类区土壤几乎全部属二类土壤，少量三类土壤。

3.3 上海市城市土壤中一些重要无机、有机指标相关性研究

城市土壤中的各个指标之间具有密切的关联，对上海市城市地区表层土壤中的一些重要无机、有机指标进行研究，这些指标为：pH值、有机碳含量、有机质含量、含水量、As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Nb、P、Pb、S、Sb、Se、Sn、Zn、HCH、DDT、PAHs等，研究结果如下：

（1）在HCH、DDT、PAHs等有机污染物中，HCH异构体之间、DDT衍生物之间、PAHs分量之间大都具有显著的相关关系。

（2）As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mn、Nb、P、Pb、S、Sb、Se、Sn、Zn中Hg、Nb与其他元素不具有明显的相关关系，As、Cd、Pb与Cr、Cu、Mn、S、Sb、Se、Zn具有显著的相关关系。

（3）有机碳、有机质、S与大多重金属具有显著的相关关系；pH值与重金属、有机污染物等相关关系不明显；pH值与有机质、有机碳具有负的相关关系；含水量与重金属、有机污染物、pH值等指标不具有相关关系。

（4）苯并［a］芘和PAHs与有机质、有机碳、P、Se具有显著的相关关系，苯并［a］芘、PAHs、HCH、DDT等有机污染物与重金属间相关性不明显。

4 上海市土壤环境地球化学调查成果应用展望

上海市环境地球化学调查项目所覆盖的区域面积广泛，涉及的环境介质相对比较全面，测试分析的指标比较系统，应用领域非常宽广。在这里只针对城市人居环境建设及土地规划方面的应用作一简单介绍。

4.1 住宅建设生态指标研究

随着经济的发展人们对居住环境的要求越来越高，于是近年来国外流行的绿色建筑应运而生，所谓绿色建筑是指能充分利用环境自然资源，并以不触动环境基本生态平衡为目的而建造的一种生态住宅建筑。它除对建筑结构、建筑材料、绿化面积、生活垃圾处理、环境噪声等有较高要求外，对居住区的土壤环境也有较高的质量限制条件。结合上海市土壤环境地球化学调查成果，提出适合上海市的人居环境建设方面的土壤环境标准体系。可从土壤的放射性水平、土壤中重金属及有机污染物含量水平等3个方面来考虑，选出具体的指标，确定具体某个指标的分级标准，最后综合制定出人居环境土壤质量标准体系。

4.2 生态环境友好型土地利用模式研究

生态环境友好型的土地利用模式，就是按照土地的自然生态条件和环境承载力，进行土地规划，优化配置土地资源，使不同功能用地之间的位置关系与比例关系协调，增强土地利用集约程度，从而实现经济效益、生态效益的双丰收。

生态环境友好型的土地利用模式的总体目标：土地资源利用率显著提高，土地可持续发展能力不断增强，生态环境明显改善，土地利用与经济发展和社会进步和谐统一。充分利用和挖掘已经获得的全市土壤环境地球化学信息，为生态环境友好型土地利用模式的研究奠定坚实的基础。

5 结束语

环境地球化学调查作为一项基础性、公益性、全局性的地质调查工作，可为研究生态环境、农业发展、居民健康、土地资源利用等问题提供比较有针对性的第一手素材^［12］。如何充分发掘环境地球化学调查数据中蕴涵的生态地质环境信息，使之更好的服务地方建设与社会发展需要，是摆在相关地学科技人员的一项长期而艰巨的任务^［13］。另外全国各省市地区环境差异巨大，如何在服务于地方城市建设上体现当地的特色也是目前迫切要解决的问题之一。

参考文献

［1］张辉，马东升.环境地球化学、环境化学、环境生物无机化学的联系与区别.环境化学，2000，19（2）：190～192

［2］涂光炽等.地球化学.上海：上海科学技术出版社，1984，326～358

［3］戎秋涛，翁焕新等.环境地球化学.北京：地质出版社，1990，1～30

［4］李天杰.土壤环境学.北京：高等教育出版社，1995，20～34

［5］杨忠芳，朱立等.现代环境地球化学.北京：地质出版社，1999，1～21

[6] Paterson E, Sanka M and Clark L. Urban soil sa spollutantsinks-a case study form Aberdeen, Scotland. Applied Geochemistry,1996, 11:129～131

[7] Lu Ying(卢瑛),Gong Zitong(龚子同)and Zhang Ganlin(张甘霖). Characteristics and management of urban soils. Soil andEnvironmental Sciences(土壤与环境),2002, 11(2):206～209

[8] Zhang Jiasi(章家思)and Xu Qi(徐琪). The forming characteristics of urban soil and its protection. Soil(土壤),1997(4):189～193

[9] Tang Hongxiao(汤鸿霄). Environmental nano-pollutants and their micro-interfacial processes in the aquaticpaticals. Acta ScientiaeCircumstantiae(环境科学学报),2003,23(2):146～155

[10] Jiang Haiyan(蒋海燕) , Liu Min(刘敏), Huang Shenfa(黄沈发). Status quo and trend of urban soil contamination research.Journal of Safety and Environment(安全与环境学报),2004,4(5):73～77

[11] 成杭新,杨忠芳,奚小环等.长江流域沿江镉异常源追踪与定量评价的研究框架.地学前缘,2005,12(1):261～272

[12] 姜作勤.地质工作信息化若干问题的思考.地质通报,2004,23(9):839～845

[13] 廖启林,翁志华等.覆盖区多目标地球化学调查数据应用前景浅析——以江苏省国土生态地球化学调查有关成果为例.地质通报,2005,24(8):772～777

The Environmental Geochemical Characteristicsand Application of Geological Achievements

He Zhongfa, Xia Chen

(Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072)

Abstract: Environmental geochemistrical investigation is a basic survey subject which is nearly correlative with ecological environmentalprotection, municipal programming and agricultural development. The environmental geochemistrical characteristics show that geochemistricalelements are classified into equably distributing-type, oppositely abnormal distributing-type, abnormal distributing-type, doughty abnormaldistributing-type and greatly doughty abnormal distributing-type. Synchronously , the geochemistrical characteristics the main city zone, newcity zone, soot industrial area and suburban vegetable plantation display the different geochemistrical characteristics. The paper expatiate thatthe geochemistrical data vista in the appliance of howff building ecology and friendly ecological environmental land use.

Key words: Shanghai City; Environmental geochemistry; Achievement application

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