察尔汗盐湖畔土壤中元素含量特征研究.pdf

盐科学与化工Journal of Salt Science and Chemical Industry第53卷第3期2024年3月收稿日期：2023-11-13基金项目：2023年青海民族大学双碳专项科研项目（CPCT202301）作者简介：曹岩德(1987)，男，甘肃兰州人,硕士研究生在读，研究方向为应用化学。通讯作者：李海朝,lihaichao 察尔汗盐湖畔土壤中元素含量特征研究曹岩德1，2，3，邢野1，2，李海朝1，2*（1.青海民族大学 青海资源化学研究所，青海 西宁810007；2.天津大学青海民族大学双碳研究院，青海 西宁810007；3.亚洲硅业（青海）股份有限公司，青海 西宁810007）摘要：文章采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）、等离子体质谱法（ICP-MS）和容量法，对察尔汗盐湖湖畔某处100500 m的13种元素进行了含量测定分析。结果表明，在1120号元素中Na、Cl和S元素，在距盐湖200 m处质量分数达到最高值，Si、Ca、Al、K和Mg元素，在200 m处质量分数达到最低值，P、Se、Rb、Sr和Ba元素受盐湖距离的影响不大。关键词：ICP-MS；ICP-OES；分布特征；察尔汗盐湖中图分类号：P575文献标识码：A文章编号：2096-3408（2024）03-0001-03Characteristics of Soil Element Content around QarhanSalt LakeCAO Yande1，2，3，XING Ye1，2，LI Haichao1，2*（1.Institute of Resource Chemistry of Qinghai，Qinghai Minzu University，Xining810007，China；2.Institute for Carbon Peaking and Carbon Neutrality of TianjinUniversity-Qinghai MinZu University，Xining 810007，China；3.Asia Silicon（Qinghai）Co.，Ltd，Xining 810007，China）Abstract：In this article，the contents of 13 kinds of elements in the range of 100500m inQarhan Salt Lake and some important elements in some salt lakes were determined by inductivelycoupled plasma emission spectrometry（ICP-OES），plasma mass spectrometry（ICP-MS）andvolumetric method.The results showed that among elements 1120，the mass fraction of Na，Cland S reaches the highest value at 200 meters away from the salt lake，while the mass fraction ofSi，Ca，Al，K and Mg reaches the lowest value at 200 meters away，and the elements of P，Se，Rb，Sr and Ba are not affected by the distance from the salt lake.Key words：ICP-MS；ICP-OES；Distribution characteristics；Qarhan Salt Lake盐湖是指湖水含盐度weq（NaCl）3.5%的湖泊，也包括表面卤水干涸、由含盐沉积与晶间卤水组成的地下卤水湖与干盐湖。据不完全统计，我国已发现各类盐湖至少 1 500个1-2。我国盐湖包括西部内陆盐湖、东部滨海盐水域及盐碱地，其总面积约为 1.06亿 hm2，约占我国国土总面积的 10，是值得引起重视的土地资源3。同时，盐湖作为重要盐类资源，以Mg、Li、K、Rb等为代表的盐湖资源，在高效农业、新能源材料、电子通讯、航空航天、国防军工、节能环保等领域中有较为广泛的应用，均被全球发达国家与地区视为重要的战略资源4-8。当前，中国正处在世界粮食危机、环境污染治理和“双碳”产业结构转型升级调整的关键时期，发展新兴产业是应对能源资源紧缺与生态环境危机1盐科学与化工第53卷第3期2024年3月9000E9200E9400E9600E3900N3800N3700N阿尔金山柴达木盆地茫崖冷湖马海塞什腾山祁连山昆仑山西台东台洪水河-那陵格勒河乌图美仁河别勒滩达布逊格尔木河格尔木诺木洪河柴达木河04080 kmN干盐湖Playa盐湖Salt lake山脉Mountain河流River城镇City研究区Research area的必然选择 9-10。随着“盐湖农业与盐碱农业”等观念的提出，我国传统种植和传统养殖等已逐渐涉及盐碱农业等领域，随着技术的不断发展，盐碱地已经得到部分开发，逐渐走向淡土农业与盐碱农业共同发展的道路 11-12。盐碱农业的发展，可改善盐区环境、解决农产品不足等问题，为人类的食物供应提供更为广阔的来源 13-14。推进国内盐湖资源的科学高效开发与综合利用，不仅可持续保障我国经济发展、社会稳定，还可确保盐业发展主动权在自己手里 15-16。察尔汗盐湖是具有代表性的氯化物盐湖，自20世纪以来，有关察尔汗盐湖卤水的水化学组成、变化规律、水动态等问题，许多部门均进行过大量研究17-19。然而，盐湖边土壤中元素含量的报道较少。文章从察尔汗盐湖周边入手，对察尔汗盐湖湖畔某100500 m处的土壤取样，分析Na、Mg、Al等13种重要元素含量。以此期望，为盐湖周边生态研究、植物生长、盐碱地综合利用提供数据支持。1区域概况、材料与方法1.1研究区域概况察尔汗盐湖位于柴达木盆地中东部（见图1），面积约 5 856 km2，具有资源储量最丰富的可溶性氯化物型钾镁盐矿床，同时也是世界较大盐湖之一1。察尔汗盐湖是一个以钾盐为主，同时储藏着极为丰富的Mg、Li、Na、Rb、I等自然资源，总储量超过600亿t20-21。其中，钾盐资源约为 5.4 亿 t（固体矿约为 2.96 亿 t、液体矿约为 2.44亿t），镁盐资源约为 40.59 亿 t（固体矿约为 2.03 亿 t、液体矿约为38.56 亿 t），锂盐资源约为1 204 万 t，铷矿资源约为4.3 亿 t，溴盐资源约为 50.7 亿 t，碘盐资源约为3.47 亿 t，均居全国前列。依地质、矿产特征自东向西又被划分为4 个区段，从西至东分别是别勒滩区段、达布逊区段、察尔汗区段和霍布逊区段22。1.2样品采集试 验 于 2023 年 69 月 在 察 尔 汗 盐 湖 东 经95.232 4，北纬36.920 3处共采集了 50个表层土壤样本。通过分析比较前期收集的资料，选取距离察尔汗盐湖岸边 100500 m 范围内的土壤，采样点间距为 100 m，各分样点的采样部位、深度和重量一致，并剔除植物根系、石块等杂物，每份样品由510处子样点组成，取地下 025 cm 处土壤，力求避开外源污染，采样点距铁路和公路大于300 m，每收集完一份土样都要做好标签，以免造成样品混乱。1.3样品前处理将采集回来的土壤样品自然风干，风干后用木棍和石头将泥土磨成粉末状，用0.150 mm的筛子将粉末过滤出来，采用四分法将粉末分好。取其中的一份装入袋中并贴好标签。称量出20 g进行检测，在称量之前先用玛瑙研钵研磨，每研磨一份样品就要用酒精擦洗玛瑙研钵一次，防止样品污染。1.4样品测试方法采用硝酸、高氯酸、氢氟酸和盐酸消解样品后，使用稀盐酸进行定容，再利用电感耦合等离子体发射光谱ICP-OES测定Na、Mg、Al、Si和P元素在土壤中质量分数；电感耦合等离子质谱法ICP-MS测定S、K、Ca、Se、Rb、Cs 和 Sr 元素在土壤中质量分数；容量法测定Cl元素在土壤中质量分数。2结果与讨论2.11120号元素质量分数与察尔汗盐湖距离的影响由图2可知，在1120号元素中大部分元素质量分数都受到与盐湖之间距离的影响。在距盐湖200 m 的范围，Cl、Na、S 元素质量分数达到了最高值，Si、Ca、Al、K、Mg元素达到最低值。在与盐湖距离变化过程中，P元素质量分数并未受到明显影响。NaCl是察尔汗盐湖含量最高的物质，同时Cl元素作为所有阳离子的配体，其含量最高，再一次证明了察尔汗盐湖是氯化物型盐湖。相较于察尔汗盐湖卤水中的化学组分（见表1），各元素含量之间出现明显不同，其原因可能是各种盐不同的溶解度，导致土壤中各种元素的含量不同。2.2碱金属元素、碱土金属元素质量分数与察尔汗盐湖距离的影响由图3可知，在碱金属元素中Na元素的含量受盐湖距离的影响最大，在 200 m 处质量分数达到图1柴达木盆地盐湖分布图3Fig.1Distribution map of salt lakes in Qaidam Basin2（下转第7页）图4非金属元素与察尔汗盐湖距离的影响Fig.4Non-metallic elements are affected by the distance from QarhanSalt Lake质量分数/%454035302520151050100200300400500距离/mSiPSClSe最高值。同一主族中的K和Rb并没受到较大影响，甚至Na与K还出现了反常现象。可能是因为钾相对于钠而言核外电子数的增加程度比其半径增加程度大，因而产生这种反常现象。在碱金属元素与碱土金属元素中Ca和Na元素的含量受其与盐湖距离的影响最大。与青藏高原放牧草地表层土壤元素相差甚大24，在青藏高原放牧草地中，土壤中常量元素Ca和K普遍高。而在察尔汗盐湖附近草地中，Na与Ca成为土壤中主要的常量元素，其主要原因可能与盐湖成因有关，原始海洋被逐渐抬高至青藏高原上，海洋中的主要盐分为 NaCl，随着水分的蒸发导致盐湖附近土壤中 Na元素含量较高。而K元素含量低于放牧草地的原因可能是渗透作用，其在距离盐湖200 m处的含量普遍较低，可能是土壤中低浓度的K向高浓度的盐湖进行了扩散。Mg含量变化机理与K类似。盐湖距离对Rb、Sr、Ba等元素质量分数并未有明显影响。2.3非金属元素与察尔汗盐湖距离的影响如图4所示，非金属元素Si、S、Cl质量分数受其与盐湖距离影响较大，P和Se元素并未受到明显影响。相比于青藏高原放牧草地土壤成分，P和S并未受与盐湖距离的影响。Si元素受到与盐湖距离明显的影响，表现出与大多数元素相同的变化特征。3结论从研究结果上看，大部分元素含量都受到与盐湖距离的影响。Cl、Na、S元素受到影响后，在200 m处含量最高；Si、Ca、Al、K、Mg 元素受到影响后，在200 m处含量最低；P、Sr、Ba、Se、Pb元素的含量未受到与盐湖距离的明显影响。参考文献1张苏江，张琳，姜爱玲，等.中国盐湖资源开发利用现状与发展建议 J.无机盐工业，2022，54（10）：13-21.2王洋，张露露，王木荣，等.阳离子交换树脂分离电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）法测定盐湖卤水中偏硅酸含量 J.中国无机分析化学，2023，13（8）：857-862.3郑绵平.盐湖农业与盐碱农业 J.科技导报，2014，32（35）：1，3.4BASAK B B，SARKAR B，MAITY A，et al.Low-grade silicate minerals as value-added natural potash fertilizer in deeply weatheredtropical soil J.Geoderma，2023，433：116 433.5XU P，HONG J，QIAN X，et al.Materials for lithium recovery fromsalt lake brine J.Mater Sci，2021，56：1663.6SMITH S M，ZWART S R.Magnesium and Space Flight J.Nutrients，2015，7（12）：10 209-10 222.7张超，路厚源，费鹏飞，等.全球盐湖提锂领域研究发展态势 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0212.3-2020执行，同时列出了卤水（原卤）采样内容，如单井采样、综合采样及基本检测项目等的相关要求。5.8溶腔探测要求溶腔是盐矿开采后留下的充满淡卤水的腔体，在盐矿山区域广泛分布，是一种地质灾害的潜在风险因素，常会引起卤水泄露和地面沉陷等复杂地质灾害。通过溶腔探测，掌握溶腔大小、形态和埋深，为溶腔综合利用提供依据10。5.9地应力及盐层蠕变特性研究随着浅部资源开采的枯竭，矿山开采深度不断加大，地应力随着井深增加而增加，围岩的应变特别是岩盐蠕变特性，对钻井施工和开采过程中井筒质量的影响越来越大11；随着岩盐的开采，溶腔高度逐渐增加，溶腔范围逐渐扩大，溶腔顶板应力状态随之变化，易导致溶腔顶板垮塌12，故在该标准中提出研究岩盐蠕变特性及围岩应力的相关要求。5.10关于矿石损失的界定岩盐溶解在溶腔底部形成一个形似空心倒锥体的倾斜底面13。溶腔倾斜底面与理想水平面的夹角，称为侧溶角。侧溶角以下及水平对接井水平段井眼轨迹以下难以溶解的矿石均列为损失。岩盐溶解以后在地下形成的腔体被卤水完全充填，这部分无法返出地面的卤水也被视为损失。此外，还有永久保安矿柱、盐井及构造维护带的损失等。6结语标准于 2023-04-19 发布，2023-08-01 正式实施。标准通过资料收集、一线调研、专家指导和座谈交流等方式进行编制，充分体现了其客观性和科学性，对于岩盐钻井水溶开采地质工作做出了相应规定和指标要求，填补了国内同行业空白。标准的推广应用，更好地规范和指导岩盐钻井水溶开采行业矿山地质工作，促进岩盐地质研究、岩盐资源开采及盐腔的综合开发利用。参考文献1 林元雄，宋良曦.中国井盐科技史 M.成都：四川科学技术出版社，1987.2 林元雄，聂成勋.中国四川自流井薄层岩盐水溶开采技术发展J.中国井矿盐，1983，14（2）：14-19.3 宋良曦.论井盐输卤技术的发展 J .盐业史研究，1988，19（2）：59-65.4 王清明.石盐矿床与勘探 M.北京：化学工业出版社，2007.5 王清明.钻井水溶开采与设计 M.北京：化学工业出版社，2016.6 邹晓峰，王鹏.井矿盐钻井过程中盐岩层的预判与录井识别 J.中国井矿盐，2019，50（2）：25-27.7 易胜利，严正伟，陈强.岩盐水溶开采后期开采技术的探讨 J.中国井矿盐，2002，33（5）：27-30.8 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