火电厂粉煤灰的矿物磁性及其环境意义

火电厂排放的粉煤灰是重要的大气颗粒污染物之一,利用粉煤灰的磁性监测环境污染是新近发展的新手段。应用矿物磁测技术和X射线衍射对浙江省主要电厂排放的粉煤灰的矿物磁性特征和磁性矿物学,以及与重金属元素的关系进行了研究,结果表明粉煤灰具有较高的磁化率（X）、软剩磁（IRM20mT）和饱和等温剩磁（SIRM）值,粉煤灰频率磁化率（Xfd）的平均值为2．5％,磁性矿物以多畴（MD）颗粒存在,粉煤灰的剩磁矫顽力（BCR）在42～53mT之间。矿物测试结合X射线衍射分析表明粉煤灰中的氧化铁矿物以FeO4和Fe2O3-α为主,粉煤灰的磁化率与Fe、Mn、Pb、Zn、Cu、CA含量呈显著线性正相关,相关系数（r）分别是0．924,0．866,0．725,0．756,0．945和0．867,磁化率可作为粉煤灰中重金属元素含量的代用指标。     

碳酸盐岩红色风化壳中的氧化铁矿物

氧化铁矿物是碳酸盐岩红色风化壳的主要矿物成分和重要结构单元。运用X射线衍射、透射电镜、扫描电镜、穆斯堡尔谱和电子探针等方法对碳酸盐岩红色风化壳中的氧化铁矿物进行了系统研究。碳酸盐岩红色风化壳中的氧化铁矿物主要有针铁矿、赤铁矿和磁赤铁矿。氧化铁矿物组合、含量和化学成分随成土环境和风化强度在剖面中呈明显的规律性变化,这为碳酸盐岩风化成土作用、红色风化壳成因与环境问题的深入研究提供了重要的矿物学依据。     

南方红土的磁性矿物组成及其区域性差异

位于我国热带、亚热带地区的南方红土是我国分布最广的第四纪土状沉积,其经历了较强的化学风化作用,具有典型的磁性矿物组成.磁性矿物是沉积物的重要组成成分.磁性矿物的种类、粒度和含量等信息可以反映沉积物形成时的温度、降水等气候条件.因此,了解红土沉积物磁性矿物组成对于研究南方红土区的环境演化具有重要意义.本文综合分析了安徽室城、浙江长兴、江西九江及广西百色4个剖面不同层位红±样品的x-T曲线、三轴等温剩磁热退磁曲线等岩石磁学结果,发现南方红土的磁性矿物组成主要为磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿及针铁矿,这些磁性矿物的相对含量不仅具有地带性差异,而且在不同风化阶段也存在差异.其中百色剖面顶部棕色土中磁赤铁矿含量相对其他剖面较高,与百色地区现今较强的风化作用相符.同一剖面内网纹红土中赤铁矿的含量较高,磁赤铁矿的含量相对较低,指示网纹化时期较强的成土作用引起磁赤铁矿向赤铁矿的转化.此外,岩石磁学结果显示百色剖面网纹红土及均质红土中含有一种特殊性质的磁性矿物,即粒度较细、解阻温度较低的成土成因赤铁矿,该矿物为后期强烈风化作用的产物.该次生矿物携带了较强的化学剩磁,引起了百色剖面初始碎屑剩磁的重磁化.该研究表明磁性矿物组成的差异还可以用来解释南方红土剩磁记录的多样性.     

西峰和段家坡剖面S5-1层段磁性矿物的成分与组合特征

从西峰和段家坡黄土剖面S5-1层段中分选出<30μm粒级、磁性相对最强的组分(分别为XS-4J和DS-4J),先后进行了MPV-3光学显微镜的观察与反射率测定、矿物的扫描电镜能谱测定和X射线衍射物相分析.两个样品的磁性矿物均以风尘碎屑状的钛铁氧化物为主.XS-4J样矿物的反射率和Fe的含量都普遍较高,磁性矿物除磁(赤)铁矿、赤铁矿外还见有含铁高的氧化物(Fe 72.20%～86.70%,质量分数)和含Cr、Ni的钛铁晶石或钛铁矿.DS-4J样的磁性矿物中Fe与Ti元素呈明显的负线性相关关系,Si、Al、Ca的含量较高,矿物以磁(赤)铁矿、赤铁矿、针铁矿和褐铁矿为主,并明显见有磁性矿物被溶蚀和新生的磁(赤)铁矿.磁性矿物成分与组合特征的差异反映了西峰与段家坡S5-1岩石中磁性矿物的物质来源与保存条件有较明显的差异.     

花岗岩上发育的亚热带红土岩石磁学特征

本文对发育于花岗岩上的两个亚热带红土剖面进行了系统的岩石磁学研究,测试了磁化率、频率磁化率、等温剩磁、非磁滞剩磁、磁滞回线等常温磁学参数,选取代表性样品进行了高低温岩石磁学分析,拟探讨亚热带红土磁性矿物的特征及湿热环境下土壤中磁性矿物的转化规律。实验结果表明:亚热带红土的强磁性矿物为磁铁矿、磁赤铁矿;弱磁性矿物为赤铁矿和针铁矿,滞水土层中含有纤铁矿。花岗岩具有较强的磁性,在其上发育的红土也因此具有较强的磁性。花岗岩中的亚铁磁性矿物的磁畴以多畴占主导地位,随着风化强度的增强,逐渐形成较细粒的超顺磁与单畴磁性矿物。亚热带红土中的磁赤铁矿与位于半干旱区黄土高原成土作用形成的磁赤铁矿存在着磁学性质上的差异,表现为具有更高的居里点(约600℃和640℃),可能说明亚热带红土中的磁赤铁矿粒径更粗。两个剖面在磁学性质上存在着明显的差异,泉州剖面磁性矿物以磁铁矿为主,磁化率最高可达1823×10~(-8)m~3/kg,平均值为1033.1×10~(-8)m~3/kg,具有较低的剩磁矫顽力;福州剖面磁性矿物以磁铁矿和部分热稳定磁赤铁矿为主,磁化率最高为385.73×10~(-8)m~3/kg,平均值为91.5×10~(-8)m~3/kg。基于磁学参数分析,认为母质与后期成土作用共同造成了两个剖面的磁学性质差异,但后者起主导作用。磁化率在两个剖面中,均随着深度减小而减小,与温带地区表层土磁化率增强有很大区别。湿热环境条件下,强磁性矿物溶解或转化为弱磁性矿物的程度主导剖面磁化率变化。     

洛川黄土-红粘土序列铁氧化物组成及其古气候指示

对洛川黄土、古土壤和红粘土中磁性矿物组成、成因和相关系进行了研究。结果表明:黄土磁性矿物以风尘磁铁矿为主,少量的成土赤铁矿和成土磁赤铁矿;古土壤磁性矿物以成土磁赤铁矿为主,成土赤铁矿次之,少量的风尘磁铁矿和赤铁矿;红粘土磁性矿物以成土赤铁矿为主,风尘磁铁矿和成土磁赤铁矿次之,少量风尘赤铁矿。黄土、古土壤和红粘土磁性矿物组成差异,反映了其形成期不同的古气候特性以及不同气候条件下生物地球化学作用强度的差异。干冷的冰期,黄土弱成土作用形成了以粗颗粒的风尘磁铁矿核 赤铁矿边的磁化率载体。间冰期的温暖湿润的古气候最有利于生物活动,强烈生物活动导致古土壤中大量纳米超细磁赤铁矿/磁铁矿产生,形成以磁赤铁矿为主,风尘磁铁矿核 赤铁矿边为辅的磁化率载体。红粘土成壤期,强降雨强蒸发的长干短湿的高温炎热的古气候使得红粘土化学风化强烈,生物地球化学活动较弱,形成以磁铁矿核 赤铁矿边和磁赤铁矿核 赤铁矿边的磁化率载体。黄土、古土壤和红粘土磁性矿物组成、磁性矿物相关系是其形成期独特的古气候指示。     

陆地生态系统演替过程中的磁性矿物响应——以粤西小良水土保持观测站为例

位于广东茂名的小良水土观测站因同时保持了人类活动破坏生态后的光板地区域和在光板地上人工恢复生态的区域,而成为联合国"人与生物圈"考察点和"中国科学院水土保持实验推广站".文章通过对源于同一花岗岩的风化壳生态恢复剖面MX-1和光板地剖面MX-2进行系统的环境磁学研究,揭示出两个剖面磁性矿物类型有显著差别.MX-1剖面亚铁磁性矿物,如磁赤铁矿、磁铁矿控制了剖面的磁性特征,它们浓度与粒度的变化很好的指示了风化壳的结构;MX-1剖面磁性矿物粒度的变化反映了成土作用强度对磁性矿物形成的控制作用;MX-1剖面的磁组构特征也反映了风化壳发育过程中不同层位体积变化与矿物形成的情况.MX-2剖面的磁性矿物则以反铁磁性矿物,如赤铁矿、针铁矿为主.两剖面磁性矿物类型的差别,显示在湿热气候条件下,生物风化作用与化学风化作用的共同参与,对磁性矿物的转变具有明显的促进作用.     

天然矿物Wadsleyite在我国首次发现

对于在毫县陨石中发现的Ｘ矿物，本文用电子探针获得了其化学成分：ＳｉＯ４，用Ｘ射线微区衍射得到了其结构参数。该矿物属斜方晶系，晶胞参数ａ＝０．８２６４，ｂ＝１．１４４８，ｃ＝０．５７０４ｎｍ。这些结果证明了它是Ｗａｄｓｌｅｙｉｔｅ，是橄榄石的高压相－β－（Ｍｇ，Ｆｅ）２ＳｉＯ４由冲击变质作用形成的。该矿物呈包裹体产出，在我国属首次发现。     

磁性硫酸烧渣结构和物性特征及应用潜力

通过X射线荧光光谱、X射线粉末衍射分别对某公司磁性硫酸烧渣的化学和物相组成进行了鉴别,采用场发射扫描电镜观察微形貌和微结构特征,测定了烧渣的磁化率和磁滞回线。结果表明,硫精矿粉沸腾炉焙烧所得磁性硫酸烧渣,铁品位达到64.78%,杂质组分主要是硅、铝和硫;主要物相为磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿,含少量石英;比表面积为2.83 m2/g,磁化率为18 000×10-8 m3/kg;原始微米粒径的黄铁矿粉体在脱硫、氧化相变为磁赤铁矿、磁铁矿和赤铁矿的过程中多晶化、纳米化,转变为纳米亚微米晶体,颗粒表现为多孔特征。这种较高比表面积、强磁性的磁性烧渣有望在吸附和磁分离领域作为功能材料发挥作用。研究结果也为利用铁硫化物热分解相变进行矿物纳米材料加工提供了新的思路。     

风积地层中铁矿物随环境变化及其启示

铁在不同温度和湿度环境中形成不同铁的化合物,如铁的氧化物、氢氧化物、硫化物和碳酸盐等。这些不同种类含铁矿物可以通过磁学方法测量,根据它们含量与比例特征来分析过去地球环境变化。黄土是一种风积形成特殊成因的沉积岩,经过百余年不断争论,才有了"风成"的定论。本文总结概括世界各地的黄土古土壤形成环境与铁矿物特征,得到如下认识:红色古土壤只形成于干旱氧化环境中,但不是所有干旱条件都能够形成红色土;红色土壤中的磁赤铁矿和赤铁矿在湿润氧化和还原环境中不稳定,会渐渐转变成为氢氧化物(褐铁矿),甚至硫化物(黄铁矿/磁黄铁矿),导致红色褪去、黄色增加和磁化率降低。现代的河流、湖泊和海洋均为还原环境,沉积物也呈黄、灰、白、绿、黑等还原系列颜色与之对应。将今论古可以推理,过去红色地层极不可能形成于"水成"环境,只能形成于地表透水性良好的干燥氧化环境中。沉积岩除了"水成"和"风成"两个大类环境之外,至少还有一种过渡交互类型需要得到特别认识,如干旱区山间盆地洪积类型(戈壁滩洪积与河流河漫滩等环境)。这类沉积物毫无疑问是洪水搬运形成,因此留下层理等特征;但是洪水消失后,沉积物实际上长期处于地表干燥氧化成土环境,因此兼有水成和成土两种特征。丹霞红层具有水成层理,并同时具有原生红颜色的就是在这样环境中形成的。张掖彩色丘陵,并非湖相水成地层,而主要是风积古土壤地层序列,在长期持续炎热半干旱环境条件下甚至还发育了特殊的厚层石膏土。黄土与环境的深入研究必将对地质学和地理学产生深远的影响,比如黄土研究已经带来地学一些基本概念变化,如:古土壤层并不一定意味着沉积间断;层状沉积岩地层并不一定是"水成"等等。     

Ferrimagnetic minerals in red paleosols of Pleistocene Epoch, eastern China

The type,grain size and origin of ferimagnetic minerals separated from red paleosols of pleistocene Epoch(Q2)in eastern China ,were studied by using mineral magnetic measurement,X-ray powder diffraction and electron microscopy.Results showed that the iron oxider in red paleosols were composed of hematite(α-Fe2O3),maghemite(γ-Fe2O3) and goethite(α-FeOOH),Mineral magnetic parameters and X-ray diffraction patterns indicated that maghemite was the dominant remanence carrier in red paleosols,which is characterized by superparamagnetic(SP) and stable single domain(SSD) grains,The variations of magnetic susceptibility(χ） ,anhysteretic magnetic susceptibility(χRAM）and saturation isothermal remanent magnetization(SIRM) for red paleosols following heating to various temperatures showed two peak values at 700℃ and 900℃.The spherulitic magnetic particles measuring 250-1000μm in diameter in red paleosols were separated by the magnetic separation method,indicating that these magnetic particles were an assemblage of superparamagnetic and stable single domain ferrimagnetic grains,It is suggested that the ferrimagnetic minerals of red paleosols be a pedogenic ferrimagnetic component under high temperature and high humid conditions in the Pleistocene Fpoch(Q2).It is concluded that the magnetism characteristics of red paleosols can be used to evaluate the environmental changes of Quaternary in eastern China.     

西昆仑山黄土的岩石磁学特征及其磁化率增强机制

成壤过程中形成的细颗粒的软磁性矿物被认为是导致古土壤磁化率增加的主要原因。但近来的研究表明,在一些地区,尤其是靠近沙漠边缘的黄土-古土壤序列,源区对黄土磁化率的影响要远大于成壤作用。因此,有必要对不同地区、不同环境条件下的典型黄土堆积进行详细的岩石磁学研究。日前,我们在西昆仑山北侧钻取了一根长达671m的岩芯,这为研究极端干旱区黄土的岩石磁学性质提供了难得的契机。本文对第一期黄土钻探得到的207m岩芯进行了详细的岩石磁学研究,结果表明: 昆仑山黄土的主要载磁矿物为磁铁矿和磁赤铁矿,同时还含有少量的针铁矿、赤铁矿;  该地区磁化率的变化主要受源区粗颗粒的软磁性矿物含量的影响,成壤作用形成的细颗粒磁性矿物对磁化率的贡献极小;  磁化率、粒度在0.5Ma左右急剧升高和变粗,主要与气候干旱化加剧有关。     

川西高原理县黄土磁学特征及其影响因素

川西高原河谷阶地和断陷盆地广泛分布厚层风成黄土-古土壤序列,目前对其磁学性质变化机制及古气候意义研究还很薄弱。文章对该区理县黄土-古土壤剖面进行了系统的岩石磁学研究,确定了其磁性矿物种类、含量和颗粒大小的特征及其变化规律。通过结合粒度、色度与地球化学参数,进一步探讨了理县黄土-古土壤磁性的主控因素。结果表明:1)理县剖面同时含有强磁性矿物(为磁铁矿和磁赤铁矿)以及弱磁性矿物(为赤铁矿和针铁矿);2)相对黄土层,古土壤层含有更高比例的亚铁磁性矿物;3)成土过程中生成的大量细小强磁性矿物颗粒,是古土壤层S1磁化率增加的主导因素,该模式与黄土高原相似;4)结合色度以及磁学性质,可以较为明确地区分成壤强度;(5)理县黄土剖面物源复杂,磁学特征受到沉积物来源、后期流水和气候的共同作用,利用单一磁学性质(比如磁化率)进行古气候研究会造成多解性。     

机械研磨作用对磁铁矿低温氧化及磁化率的影响

磁铁矿是岩石、土壤和沉积物中少量而又普遍存在的副矿物,是环境磁记录的主要载体.磁铁矿在表生地质过程中受到机械、生物和化学风化作用使其结构、粒径、氧化程度、磁学性质发生一系列变化,这些变化对环境磁学以及表生地质过程的研究具有重要意义.从矿物学角度研究了磁铁矿粒径、相转变、氧化程度和磁化率随着研磨时间的变化规律.结果表明,平均粒径为4 μm的磁铁矿在研磨1 h后粒径变化趋于稳定,但随着研磨时间的增加,磁化率逐步降低而氧化率逐渐增加.通过对研磨后样品进行XRD分析表明,随着研磨时间的增加,磁铁矿衍射峰强度明显减弱,衍射峰宽化,赤铁矿的衍射峰强度逐渐增强.由此可见,原生磁铁矿(对沉积物而言属于碎屑磁铁矿)低温氧化产物是赤铁矿而不是磁赤铁矿.在表生地质演化过程中颗粒的机械碰撞不仅使磁铁矿颗粒变细,而且可能影响到磁铁矿常温氧化、磁学性质和晶体结构.     

北大西洋ODP1049C孔Aptian-Albian期高频旋回大洋红层的成因:矿物学证据

北大西洋ODP171B航次1049C孔Aptian-Albian期沉积以出现大洋红层与灰色、白色沉积物高频旋回为特征。为了探讨大洋红层的成因,本文进行了矿物学、地球化学、沉积学等方面的研究。漫反射光谱、磁化率和活性铁数据表明,赤铁矿、针铁矿的出现是导致样品由白色向红色转变的矿物学原因。棕色和橙色样品中出现赤铁矿和针铁矿的特征峰,FeR/FeT平均值分别为0.23和0.24,明显区别于其他颜色的样品。磁化率与红层成良好的正相关关系,说明铁氧化物矿物含量的变化是导致磁化率变化的原因。X射线衍射结果表明,不论颜色如何,样品中均含伊利石、高岭石、蒙脱石、绿泥石等粘土矿物,其分布与样品颜色没有直接关系,很可能反映当时物源区气候稳定。ODP1049C孔岩芯沉积物出现橙色、棕色、白色、灰色等颜色的高频变化,颜色过渡接触界线清晰,说明导致红色变化的赤铁矿和针铁矿是沉积期低温氧化的产物。棕色样品中CaCO3含量最低,推测红层所对应的氧化条件是由于较低的有机质堆积速率造成的。     

Heavy metal pollution in urban topsoils: mineralogical analyses and magnetic characterization

Urban soil samples collected from the city of Xuzhou were analyzed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) for Pb and Zn. The samples were also investigated for mineralogy using X-ray diffraction, thermal analyses and scanning electron microscopy (SEM). The identified minerals are mainly composed of quartz and calcite as major minerals. Soil samples contained elevated Zn (2,049 ± 5,439 mg/kg) and Pb (115 ± 58 mg/kg). According to the index of geoaccumulation, the soils of the study area are considered to be moderately to strongly contaminated with respect to Zn, moderately contaminated with respect to Pb. The magnetic measurements indicate that the dominant magnetic components are multidomain grains of ferrimagnetic minerals and that superparamagnetic and stable single-domain ferrimagnetic grains and non-ferrimagnetic minerals are present in small magnetic concentrations in this area. The measured metals correlated positively with the determined magnetic parameters (χ, χ _ARM, SIRM and SOFT). This result suggests that simple, rapid, and non-destructive magnetic measurements could provide useful information about Pb and Zn pollution in Xuzhou urban surface soils.     

长江、汉江沉积物磁学特征比较研究

长江和汉江现代沉积物的磁学特征分析研究结果表明：  1）长江和汉江现代沉积物中铁磁性矿物均以亚铁磁性矿物为主,它们主导了样品的磁性特征。但长江沉积物比汉江沉积物亚铁磁性矿物含量要高;  2)长江和汉江沉积物的亚铁磁性矿物晶粒都以假单畴~多畴为主。相对汉江沉积物,长江沉积物磁性颗粒总体上要比汉江的粗;   3）长江沉积物中的不完全反铁磁性矿物含量比汉江高,但不完全反铁磁性矿物对沉积物磁性参数和SIRM的贡献却比汉江的小;   4）长江上游金沙江段比长江中游（宜昌-武汉）江段沉积物中亚铁磁性矿物含量要高,且长江中游沉积物样品磁性颗粒要比长江上游的偏细,这可能与搬运距离有关;   5）长江样品的磁性参数的变化区间比汉江大,数据间的相关性也比汉江差。这可能与长江较汉江流域范围广、支流多、物源复杂有密切的关系。     

Evidence for a simple pathway to maghemite in Earth and Mars soils

Soil magnetism is greatly influenced by maghemite (γ-Fe₂O₃), the presence of which is usually attributed to the following: (1) heating of goethite in the presence of organic matter; (2) oxidation of magnetite (Fe₃O₄); or (3) dehydroxylation of lepidocrocite (γ-FeOOH). Formation of the latter two minerals in turn requires the presence of Fe(II) in the system. No laboratory experiment or soil study to date has shown whether maghemite can form from ferrihydrite, a poorly crystalline Fe(III) oxide [∼Fe_4.5(O,OH,H₂O)_13.5], below 250°C. However, ferrihydrite is the usual precursor of goethite (α-FeOOH) and hematite (α-Fe₂O₃), the most frequently occurring crystalline Fe(III) oxides in soils. Here is presented in vitro evidence that ferryhidrite can partly transform into maghemite at 150°C. This transformation occurs upon aging of ferrihydrite precipitated in the presence of phosphate or other ligands capable of ligand exchange with Fe-OH surface groups. This maghemite coexists with hematite and is a transient phase in the transformation of ferrihydrite to hematite, which is apparently stabilized by the adsorbed ligands. Its particle size is small (10 to 30 nm), and its X-ray diffraction pattern exhibits superstructure reflections. The possible formation of maghemite in Mars and in different Earth soils can partly be explained in the light of this pathway with minimal ad hoc assumptions.     

长江中下游第四纪沉积物发育土壤磁性增强的环境磁学机制

对长江中下游第四纪沉积物 (Q₃ 黄土,Q₂ 红土和Q₃ 红土 )发育土壤的磁性增强现象及其物理机制进行了讨论。结果表明 :(1)铁磁性矿物是土壤磁性的主要载体,它们是成土过程中形成的稳定单畴 (SSD)和超顺磁性 (SP)态的次生磁性矿物,没有显示重要的反铁磁性矿物的贡献;(2 )土壤磁化率 (χ)的高低与成土过程产生的稳定单畴和超顺磁性颗粒呈极显著正相关,指示了风化成土作用的强度,磁化率可作为反映成土环境变化的代用指标;(3)频率磁化率 (χfd) 5 %可作为土壤中的超顺磁性颗粒存在与否的临界值,土壤 χfd值的高低同样反映了风化成土作用的强度,可用作研究第四纪环境变化的有用工具之一。