土壤及其形成 土壤是怎样形成的
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1.土壤的概念及分层
土壤一般是指覆盖在基岩上面、生长着植物的疏松物。
土壤是在岩石风化产物的基础上通过成壤作用（有生物的参加，经过淋溶、沉淀等）逐渐形成的。它受气候、生物、母质、地形、时间等因素综合影响，其中生物起主导作用。不同气候带土壤类型各不相同。比如，我国华南亚热带地区发育红壤、砖红壤、黄壤（富Fe，Al）；东北山地、华北西部、秦岭山地发育棕色森林土（富Si，Al，Fe）；在华北地区（北到沈阳以北，南到长江黄河之间，东到海边，西到西安以西）发育褐色土（富Ca，Mg）；沿大小兴山岭山麓、松辽平原的东北和北部的大陆性气候带发育黑土（可保持丰富的金属和非金属元素）；干旱区发育碱土（富NaCl，Na2SO4）。
土壤由矿物质、有机质、土壤溶液和土壤空气等组成。矿物质和有机质是土壤的主体。土壤矿物质包括原生矿物（如石英、云母等）和次生矿物（如高岭石、蒙脱石等）两大类，在不同气候带不同类型的土壤中，土壤的矿物成分不完全相同。土壤的有机质包括非腐殖质（如蛋白质、碳水化合物、脂肪等）和腐殖质两类有机物质。腐殖质是微生物活动的产物，一般不易被微生物所分解，是土壤有机质的主体。
在岩石矿物风化和成壤过程中，可溶性碱及二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝等相继成为游离状态，并且产生各种不同的次生矿物。
同时由于有机质的分解和腐殖质的形成，产生各种无机酸和有机酸及其盐类。在这些物质的基础上，通过淋溶和淀积两方面的作用，逐渐形成土壤发生层。
在土壤发生层的上层，由于下渗水流的作用，不仅可溶性碱，而且胶状氧化物及二氧化硅和黏土质点等成分，随水下淋。由于植物残体的聚积和细菌分解作用，使下渗水具有更强的淋蚀作用。这样在上层就形成淋滤层（或称溶解层），通常以A表示。因此在A层中，上部为富含有机质的暗色层（A1），下部由于黏土矿物、铁锰氧化物及有机质大量被淋滤（包括微量元素）而形成浅色层（A2）。它主要由砂（二氧化硅）组成并含有一定数量的黏土，黏性差、较松散为A2层的另一特点。A2层厚度多小于30cm，在气候潮湿、土壤发育成熟的条件下，A1与A2层均可见。但在干旱地区或成壤不充分的地段，A2层可能缺失。
由A层淋溶下来的氧化物及黏土质点，在其下淀积，因而在淋溶层下出现淀积层，简称为B层。在B层因更富含黏土，黏性强，具有黏土结构，由于铁、锰的氧化物的存在而使土层呈黄褐色、棕褐色。有机质很可能在A层即完全分解为二氧化碳与水，但也可以转移至B层。除了可通过下渗水将上层物质转移至B层外，有时下伏层位中的可溶性物质靠地下水循环也可带至B层淀积下来。
在B层以下为淋溶和淀积作用均不发育的C层。在C层含有风化程度不等的、部分被分解的岩石。C层是形成A层、B层土壤的“母质”，故有母质层之称。在C层有机质含量最少，所含黏土也往往比B层少，并比B层颜色浅，有时尚保留原岩的结构构造。
由上所述可以看出，土壤的形成和土壤剖面的分层是一个统一过程。尽管B层与A层同时在形成，但往往在A层很明显时才能辨认出B层。因而成壤作用不充分的土壤，分层界线模糊不清，在A层之下甚至缺失B层，成壤作用充分的成熟土壤的理想剖面如图3-1所示。
图3-1 理想的土壤剖面（示主要层位）
在成壤过程中，由于物质的淋溶和淀积，微量元素也进行再分配。耐风化矿物中的元素，容易在A层中富集。可溶金属元素或黏土等胶体吸附的元素，从A层移出，部分在B层中与含水的铁、锰氧化物及黏土一起聚集。如赞比亚红土剖面上某些元素在土壤层位中的变化，除碱金属随深度而增加，Co，Ni变化很小外，其他元素均在B层中富集，见图3-2。
图3-2 土壤剖面中元素分布图
需要说明的，微量元素不仅在不同层位的土壤中分布不均匀，而且在同一层位不同粒度的土壤中的含量也不一致。其原因是元素在风化、成壤过程中的行为状态不同。很显然，耐风化矿物中的元素与在黏土或铁、锰氧化物上呈吸附离子的易溶金属元素相比，后者肯定富集于更细粒的土壤中。这些情况，在矿化地区或无矿化的地区都是存在的，而且对土壤地球化学找矿说来有重要意义，这一问题在有关章节中还要讨论。
2.元素在土壤中的正常分布、分配
成壤以后，元素在土壤中的正常分布、分配有如下特点：
（1）元素在土壤中的平均含量是不平均的，例如Si为33%，Hg只有0.01×10-6。土壤中主要的化学成分是Si，Al，Ca，Mg，K，Na。土壤中的元素的丰度见表3-1。
表3-1 元素在土壤和地表植物中的丰度 （wB/%）
续表
（据A.II.维诺格拉多夫，1962；JI.II.马柳加，1963）
（2）不同岩石风化的土壤中常量元素（Si，Al，Fe，Ca，Mg，K，Na）差异不大（表3-2），但微量元素的富集特点不同。如由超基性岩风化形成的土壤中相对富集Ni，Cr，Co，Cu；花岗岩风化形成的土壤中相对富集W，Sn，Be，Mo，Pb，Li，Th，Te等。
表3-2 不同母岩形成的土壤各层位中的主要化学成分（wB/%）
（3）土壤中微量元素在不同土壤层中的分配是不同的，根据实际观察有如下几种情形：
1）从上到下含量变化不大（图3-3a）。这是在干旱或寒冷地区的山坡上，因生物及化学风化极弱，而以物理风化为主，残坡积物又不断被剥蚀所造成的特殊情形。
2）越往下元素含量越高（图3-3b）。这是强烈淋失作用的结果。在沼泽土壤和热带潮湿气候条件下，在非碳酸盐母岩上的土壤的Cu，Zn，U，Ni常见这种情形。
3）越往下元素含量越低（图3-3c）。这是由于表层发生了残余富集或生物聚积作用。在灰岩地区的Sn，Pb（残余富集），森林地区的Cu，Co，Mn等（生物聚集）常见这种特点。此外，在干旱地区，强烈的蒸发作用亦可造成此种情形。
4）在淀积层聚积（图3-3d）。这是淋溶作用不大，淀积层中的Fe，Mn氢氧化物及黏土、有机质对元素的吸附作用使Cu，Ni，Zn，Co等元素聚积。
5）有几种使元素聚积的作用同时存在。在某几个层位上出现元素的高含量（图3-3e）。
图3-3 元素在土壤层位中的分配
（4）微量元素在同一土壤层中粒度不同含量也不一致。耐风化矿物中的元素在土壤中以原生矿物碎屑形式存在，多富集在较粗的粒级中；抵抗风化能力较弱的矿物中的元素（许多金属硫化物中的元素等）在土壤中常呈吸附离子形式存在，一般富集在较细的粒级中。
（5）土壤中微量元素的概率分布形式多服从对数正态分布。
3.次生晕的形成
是已生成的矿体（矿化）及原生晕，在表生带与围岩一同遭受风化作用，随着矿物的破碎和分解，其中的元素发生迁移，在一定的条件下一些与成矿有关的元素可以在矿体上方或附近的土壤中聚集形成含量增高的地段，即为次生晕。在次生晕的形成过程中，元素迁移成晕的方式主要有下列几种。
（1）机械迁移
元素呈固相（包括原生矿物或难溶的次生矿物碎屑）进行迁移。矿石风化后逐渐由大块变成细小的碎屑，由于剥蚀作用地表面不断下降，风化侵蚀面也不断向下延伸，矿石的碎屑相对地由下层土壤逐渐变为上层土壤。由于风化作用总是从地表向深处进行，相对于上层的土壤，下层遭受的风化作用更强一些，颗粒变得更细一些。又由于水、风等的作用使细小碎屑发生水平移动，越接近地表位移越大。同样围岩的碎屑亦产生上述迁移。
这样，矿石碎屑由原矿体位置向外迁移，矿体附近围岩的碎屑向原矿体位置迁移。于是在矿体上覆土壤中，由于有矿体或原生晕的碎屑的存在，某些元素的含量显著高于正常岩石所形成的土壤中的含量而形成次生分散晕。通过这种方式形成的晕叫作机械分散晕（图3-4）。
图3-4 风化剥蚀与矿床次生晕形成关系示意图
1—矿体；2—围岩；3—矿石质点
当地面有一定坡度时，重力等作用使地表疏松物向下坡滑动，越接近地面下滑的速度和距离越大，从而使晕发生位移（图3-5）。
此外，重力、冰川、风的作用及地表水的冲刷，还可使矿石破坏后的碎屑被搬运离开矿体一定距离而形成离矿较远的次生晕（图3-6，图3-7，图3-8）。
（2）水成迁移
元素在水溶液中呈分子、离子、配离子或胶体等形式进行迁移。对于金属硫化矿床来说，它们中的许多金属（如Cu，Zn，Fe，Co，Ni等）的硫化物在表生带容易氧化，生成易溶于水的硫酸盐，金属以离子状态转入地下水中。还有些多金属在表生带可以形成可溶性的配离子，如［VO4］3-，［MoO4］2-，［CrO4］2-，［VO2（CO3）3］4-，或与腐殖质形成可溶性有机金属配合物（如腐殖质能与Fe，Al，Ti，U，V形成可溶性的有机配合物）。
图3-5 风化岩石碎块借重力作用向下坡滑动
1—土壤；2—矿体；3—矿石碎块
图3-6 风力活动造成的次生晕
图3-7 冰川活动造成的次生晕
图3-8 冲积锥及山麓冲积物中的次生晕
这些以离子或配离子溶于地下水中的元素，它们或由矿体向四周扩散；或由毛细作用由地下水面上升；或随地下水流动而迁移。在迁移过程中当物理化学条件（pH和Eh等）改变，或发生化学反应生成难溶于水的化合物；或者被吸附（特别是胶体的吸附）等作用使这些元素从地下水中沉淀出来而固定的土壤中。
有些元素可在水中以胶体的形式迁移，在风化带中常见的正胶体有 Zr4＋，Ti4＋，Ce4＋，Al3＋，Fe3＋的氢氧化物。负胶体有As，Sb，Cd，Cu，Pb 的硫化物；H2SiO3以及Mn4＋，U6＋，Sn4＋的氢氧化物；自然元素（S，Ag，Au等）。氢氧化铁有时带负电荷。当胶体在土壤层中发生凝聚时，这些金属亦可固定在土壤中。
通过这种方式在土壤中形成的晕称为水成分散晕。前苏联文献中将元素以水溶液（零点溶液）迁移形成的晕称盐晕。
由于地下水的运动，易溶元素可被带到离矿体较远的地下水渗出区的土壤中或湖泊底部沉积物中形成异常（图3-9）。
图3-9 地下水运动示意图
1—雨季潜水面；2—雨季泉水或渗出区；3—旱季泉水或渗出区；4—旱季潜水面；5—矿体；6—次生晕
（3）生物迁移
植物通过根系能从土壤中，特别是从矿体附近的土壤中吸收一些微量元素，如Cu，Co，Ni，Pb，Zn，As，Be，Mo，Fe，Ag，Au，Mn，V，U等而进入植物的各种器官中，当植物的枝、叶落在地面，可使一些元素聚积在土壤A0层中。当这些枝叶腐烂后，所吸收的元素又转入地表水及地下水中，其中一部分又可被植物吸收，一部分聚积在腐殖层中，一部分随地下水下渗到土壤B层中被Fe，Mn氢氧化物或黏土矿物等吸附，使土壤中某些元素聚集形成分散晕，这种晕称生物成因的晕（图3-10）
图3-10 生物迁移成晕示意图
（4）自然电场迁移
自然电场迁移在表生带中金属硫化矿体和地下水接触时，由于环境的氧化还原条件不同，潜水面以上矿体处于氧化带，容易失去电子，矿体带正电，溶液带负电。潜水面以下矿体处于还原带，矿体得到电子带负电，溶液带正电，从而使潜水面上下矿体之间、矿体和地下水接触面之间、潜水面上下水体之间出现电位差，产生自然电场，电流方向如图3-11所示。在电场作用下，土壤溶液中的阳离子按实线轨迹运动，在矿体上方将出现一个低含量带，而在四周则出现高含量带。
图3-11 自然电场迁移离子的理想模型
这种成晕机制曾用以解释加拿大某地冰碛物上的次生晕。加拿大某铜多金属硫化矿床矿体产在斑状变晶石英长石绿泥石片岩中，地表为冰碛层形成的土壤覆盖。矿体呈透镜体，长约137m，最大厚度约46m，延深约244m。矿石以细粒黄铁矿为主（85%）其余为ZnS，PbS，CuFeS2及砷黄铁矿，平均品位：Cu 0.3%，Pb 0.6%，Zn 3.2%。化探样品取自B层，分析结果见图3-12。剖面上除Pb外其余元素在矿体正上方表现为低值，而在外围出现宽阔的正异常。
图3-12 加拿大某地冰碛物上的次生晕
1—绿色片岩；2—斑状变晶石英长石绿泥石片岩；3—矿体；4—安山岩
Pb在矿床上方形成正异常可能是由于生成难溶的PbSO4或者PbCO3，停留在矿体的上方。
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