环境磁学在古气候环境研究中的回顾与展望

基于磁性矿物的性质变化能敏感记录现在和地质历史时期的气候环境变化信息,环境磁学方法能鉴别环境演化过程中磁性物质在大气圈、水圈和岩石圈中运移、沉积和转化的过程,系统介绍了沉积物中磁性矿物的特征和鉴别方法以及主要的环境磁学参数和意义,着重回顾了环境磁学在以黄土、湖泊和海洋沉积物为载体的古气候环境研究中的应用及其取得的重要进展,指出了环境磁学在古气候环境研究过程中要加强多磁学参数综合应用,促进地质记录和磁学指标之间的定量研究,有利于理解不同沉积物的磁性矿物特征和环境变化过程的相关关系。同时强调沉积物还原成岩作用过程的环境磁学研究是目前以至今后发展的一个重要方向。     

磁学方法及其在环境污染研究中的应用

针对日益突出的环境问题,磁学方法依靠自身便捷、经济等一系列优势在环境污染研究方面得到了广泛的应用.文章总结了环境研究中磁性矿物的特征和鉴别方法及主要的环境磁学参数,回顾了磁学方法在地表沉积物污染、水环境污染和大气环境污染方面的应用进展.并指出增进对磁性物质与污染源关系、污染物磁性形成机理的理解,加强从单纯的磁化率测量到多磁性参数的综合运用以及与矿物学、地球化学等方法的结合来查明污染物质的多源性、记录环境信息在时空尺度上的不确定性和不同环境对污染物承载能力的差异性,是提高磁学方法在环境污染研究领域应用效果的关键,有利于使环境污染监测和评价由定性研究向定量化研究发展.     

环境磁学及其在西北干旱区环境研究中的问题

环境磁学是一门新兴交叉学科,它介于磁学、地学和环境科学之间,主要利用矿物和岩石磁学技术,研究环境中磁性颗粒的风化、剥蚀、搬运、沉积和转化受环境变化影响的过程,为全球环境变化和气候过程研究提供代用指标,环境磁学技术在各种环境研究中得到了广泛应用。文中在简要介绍环境磁学原理和方法的基础上,就目前环境磁学在土壤、黄土、沉积物和大气尘埃等方面研究状况进行了阶段性总结。环境磁学参数在干旱和半干旱地区黄土气候和环境记录重建研究中取得了重大进展,但仍存在较大争议。黄土地层中经常使用的磁化率其粉尘贡献到底有多大?磁学参数在季风区和西风区表现迥异,原因何在?不同粉尘源区的环境磁学参数是否存在较大差异?哪些磁学参数适用于干旱区气候与环境重建?这些问题既是国际学术界亟待解决的重大科学问题,也是环境磁学应用在干旱半干旱区环境研究中所面临的主要问题。深入研究提供黄土物质的干旱半干旱地区现代环境磁学过程或许对解决上述问题具有重要的启示意义。     

珊瑚礁岩石磁学、环境磁学和磁性地层学研究进展

本文系统总结了珊瑚礁的岩石磁学、环境磁学和磁性地层学研究,尤其是磁性矿物类型、来源以及磁学性质对气候的响应等方面的成果,归纳出珊瑚礁磁性矿物的主要类型为:磁铁矿、磁铁矿或磁赤铁矿的混合物、碎屑钛磁铁矿颗粒等,且磁性矿物的粒径从单畴到多畴都有分布.关于磁性矿物的来源,目前存在以下3种观点:磁性矿物主要来自海水中含有的陆源物质;微生物成因;火山碎屑矿物成因.在气候响应记录方面,珊瑚礁的环境磁学参数与其他方法相结合,可以很好地指示气候的冷暖状态、大陆输入通量、火山或地震活动,以及海啸灾难等重大突发构造活动或气候事件.综上,珊瑚礁中的磁性矿物类型和来源多样,因此需要采用磁学与非磁学方法进行多学科交叉研究,才能更深入探讨其磁性特征对气候事件的响应与记录.     

城市道路尘埃的磁性特征及其环境意义

城市环境磁性研究表明,道路尘埃中的粗颗粒磁性载体(频率磁化率系数χ′FD＜5%)多为人为源,磁性矿物以单畴和多畴状态的磁铁矿为主,同时含有少量的赤铁矿和其他磁性矿物;细颗粒磁性载体(χ′FD为7%～11%)多为自然源,磁化率较低(小于100×10-8 m3/kg).磁性物质在迁移时往往与粗一级粒径的尘埃颗粒相伴生,磁性参数(如磁化率)和重金属元素(如铅、锌)质量分数之间呈相关关系,它们之间的关系可以用回归分析方法确定.利用电镜分析、因子分析和聚类分析方法可以识别道路尘埃物质的污染源.因此,道路尘埃的磁性特征研究在城市环境评价中具有潜在的重要意义.     

磁性矿物在成土过程中的生成转化机制及其气候意义

土壤作为重要的地球表层生态系统记录了丰富的地质和环境信息。在土壤的形成和发育过程中,其所含磁性矿物也会随之改变。因此,土壤磁性与成土时期的气候环境信息相关,进而可用于重建古环境。然而,土壤的磁学性质由磁性矿物种类、含量和粒径等多参数控制。明确磁性矿物在成土过程中的生成和转化机制及其与环境因子之间的响应关系、减少解释的不确定性,是土壤环境磁学研究的理论基础。本文综述了磁性矿物成土机制及其与环境因子之间响应关系的研究进展,并对该领域的发展方向进行了讨论。     

武夷山紫色土磁学特征及其对成壤的指示意义

紫色土是非地带性土壤,具有磁性本底值低的特征,是研究成土初始阶段土壤磁性矿物与成土因素关系的良好材料。目前,国内紫色土系统的环境磁学研究处于起步阶段。本研究以福建省武夷山市的紫色土剖面(简称WYS剖面,地理坐标为27°44′24″N, 118°00′36″E;海拔216.3 m)为分析对象。该剖面发育于白垩系紫红色粉砂质泥岩之上,厚度为0.9 m。通过系统的环境磁学研究,结合漫反射光谱一阶导数曲线、色度指标和常量地球化学元素指标,分析其磁学特征的层次分异,探讨磁学参数对成壤的指示意义。结果表明：1)WYS剖面以反铁磁性矿物赤铁矿为主。A层的亚铁磁性矿物磁铁矿含量略有增加,超顺磁(SP)颗粒含量更高,磁颗粒相对更细。成壤作用是造成A层和C层的磁学特征差异的主导因素。2)WYS剖面母岩具有易于物理风化、不易化学风化的特征。由于成土时间短,即便在湿热气候条件下,母质中磁性矿物转化微弱。母质和成土时间是影响紫色土磁学性质的主导因素。3)成壤过程中,少部分赤铁矿转化为磁铁矿。磁学参数的微小变化响应于弱成壤作用,表明紫色土磁学特征可以非常敏感地指示成壤强度。     

新疆伊犁地区典型黄土磁学特征及其环境意义初探

黄土地层记录的磁学参数受控因素复杂,全球不同地区黄土磁化率的主要受控因子存在差别.文章在伊犁地区选取两个地层磁化率与成壤作用分别存在较明显正相关和负相关的典型黄土剖面,进行了系统磁性地层学研究.结果表明伊犁地区黄土地层中磁性矿物浓度较大,磁学性质主要受呈现准单畴状态磁铁矿控制,黄土沉积物中磁性矿物主要为原生矿物,后期改造作用弱,地层的磁学特征受物源影响明显.地层的成壤强度与地层中磁性矿物浓度无明显相关关系,与磁性矿物中细粒磁性矿物的含量呈正相关关系.本研究结果暗示伊犁地区黄土沉积物的磁化率增强模式既区别于典型的西伯利亚黄土"风速说"模型,也不同于中国黄土高原"成壤说"模型;当后期改造作用弱时,地层的磁学特征主要受物源影响;随着地层成壤作用的增强,对原生磁性矿物的改造作用逐渐增强,次生磁性矿物含量逐渐增加,磁化率变化规律趋近于"成壤说"模型.     

中国南方红土环境磁学

第四纪红土是中国南方古环境演化与气候变迁的最佳载体之一,记录了南方的古地理、古气候环境变迁信息.典型红土剖面由现代红壤层、均质层、网纹层、砾石层或基岩层组成,均质红土磁化率值多在80×10-8～250×10-8 m3/kg,网纹红土磁化率约低一个数量级.红土的磁化率-温度(χ-T)曲线、等温剩磁获得曲线、XRD和TEM分析认为,成土过程产生的细粒磁性矿物(包括磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿)是红土磁性的主要载体.对红土的岩石磁学和矿物学综合分析认为,红土磁性矿物的含量、粒度、类型等可能指示其形成时期的某种环境变化,红土磁性是南方第四纪环境变迁研究的重要手段,但由于红土的物源以及受后期化学风化改造的复杂性,红土的环境磁学研究需要新的思路和方法.     

阿勒泰地区表土磁学特性及变化机制研究

现代表土的磁学性质反映了物源、成土过程与气候环境之间的重要信息,对认识磁学参数在气候环境研究中的应用有重要意义.干旱区表土的磁学特性表现出极大的复杂性和差异性,为了理解不同气候和环境条件下表土磁学参数的特性、变化机制及控制因素,选择位于新疆北部阿勒泰地区不同景观带的表土样品作为研究对象.通过详细系统的环境磁学分析,并结合X衍射和粒度等方法,结果表明磁性矿物来源相对稳定,磁学性质主要由来自源区的粗颗粒软磁性矿物所主导,xif(低频磁化率)和SIRM(饱和等温剩磁)与磁性颗粒表现出正相关的关系,磁性矿物浓度越大,磁畴颗粒越粗;反之,浓度越低,颗粒越细.磁性矿物的浓度和颗粒大小在不同景观带表现出一.定的差异,荒漠带表土中磁性矿物的浓度较高,磁畴主要为粗颗粒的PSD(准单畴)+MD(多畴),而其他景观带(森林、灌丛、草原和湿地)矿物浓度明显较低,磁畴也相对较细.相比较,其他景观带表土受后期改造作用比荒漠区强,主要是由于在海拔升高到1300m之后,区域气候环境因素(如气温、降水以及蒸发)发生明显变化,导致强磁性矿物的破坏,土壤矿物浓度和粒径发生变化,磁性降低.成壤作用形成的SP(超顺磁畴)颗粒相对较少.     

武昌地区街道尘埃磁学特征及其对环境污染的指示意义

对在武昌地区4个功能区域(青山、洪山、东湖风景区、东湖开发区)主要交通街道收集的尘埃样品进行详细的环境磁学测量,包括质量磁化率、频率磁化率、等温剩磁退磁系数以及典型样品的磁滞回线参数等。研究结果表明:尘埃样品中剩磁载体均以亚铁磁性矿物为主,样品中的磁性颗粒呈现低矫顽力的磁铁矿特征,软磁性的磁性矿物是样品剩余磁性的主要载体。尘埃样品χ、SIRM的区域分布特征受区域周围工业、车流量及道路状况等多种环境因素的影响,在4个功能区域中存在明显的磁性差异:青山工业区污染较重,东湖开发区、洪山、东湖风景区次之;硬剩磁(HIRM)的分布可能指示了道路交通来源的磁颗粒特征,东湖开发区和青山工业区由于行驶的货车和重型车辆较多,表现出硬剩磁量值较高。与其他城市(兰州、西安、南京、徐州等)相比,整个武昌地区街道尘埃样品的磁性含量仍较高,说明在城市环境方面还有待于进一步改善和保护。     

地磁学、古地磁学和环境磁学的研究新进展——第32届国际地质大会学科总结和评述

第32届国际地质大会接受关于地磁学、古地磁学、环境磁学方面的摘要120余篇,主要内容涉及：（1）古地磁学在古大陆再造中的应用;（2）地磁场倒转和长期变的理论、观测和应用以及磁性地层学;（3）磁化率测量在地层划分和对比中的应用;（4）气候变化的环境磁学证据;（5）环境污染监测的环境磁学方法等研究领域。此外,磁法勘探也有很好的成果展出。基于物质磁学和地磁学的方法技术在日益广阔的地学研究领域中有很好的应用前景。     

湿润亚热带山地土壤磁学特征对气候条件变化响应的敏感程度

土壤磁性矿物的形成、转化、运移和保存与气候条件密切相关,其对气候的响应形式、敏感程度及机制是土壤环境磁学的基础研究内容。本研究选取亚热带山地不同海拔高度,但位置相近,母质、地形和植被类型上基本无差异的3个剖面为对象,进行环境磁学、色度、常量元素等参数的测量,探究土壤磁学特征对气候的响应及其敏感程度。结果表明：1)随着土壤发育,土壤中超顺磁(SP)、单畴(SD)细粒亚铁磁性矿物增加,次生反铁磁性矿物的含量也不断增加,亚铁磁性矿物增加的速率高于反铁磁性矿物。土壤磁性随着成壤强度的增加而增强。2)气候通过风化/成壤作用进而影响土壤中磁性矿物,是3个研究剖面磁学特征随海拔规律性变化的主导因素。3)降水量不是湿润亚热带山地土壤磁性增强的限制因子。气温通过化学反应速率和蒸发量调节土壤磁性矿物的生成、转化与保存,是山地垂直地带性土壤磁性差异的主导因素。亚热带山地土壤磁性矿物可以非常敏感地响应气温的微小变化。     

冲绳海槽现代沉积物磁学性质分布特征与环境的关系

选取东海陆架至冲绳海槽槽底平原的110个表层沉积样品,通过磁化率、等温剩磁、非磁滞剩磁和饱和等温剩磁等多种磁学参数测量试验手段,分析探讨了沉积物磁性与物质来源及环境的内在联系,指出不同沉积环境中,各磁性参数表现出不同的磁性特征。冲绳海槽东槽底平原沉积物因含有较多的火山物质,磁学特征与其它沉积环境有明显差异,各磁性参数特征值明显较强。CaCO3含量与磁性参数没有明显的相关性,但在高含量区可能对沉积物磁性矿物的含量具有稀释作用,使沉积物表现出相对减弱的磁性特征。     

黄土高原-阿拉善高原典型断面表土磁学特征研究

在黄土高原-阿拉善高原区域沿接近降水量最大梯度线方向系统采集了表土(包括沙漠和土壤)样品,详细研究了其环境磁学、粒度和有机质含量等环境替代指标的变化特征.结果表明,整个断面表土中的强磁性矿物主要为磁铁矿和磁赤铁矿,并含有赤铁矿.阿拉善高原表土中磁性矿物颗粒多为多畴(MD),总体含量偏低,磁性矿物中硬磁组分含量较高;黄土高原区表土中磁性颗粒多为准单畴(PSD),总体含量偏高,磁性矿物中软磁组分含量较高.进一步分析发现,在干旱地区,频率磁化率与降水有良好的相关性,而常用的磁化率不能较好地反映降水量变化.本研究指示在干旱地区应用单一磁化率指标解释环境变化需要谨慎.     

华南中-晚二叠世之交碳酸盐岩磁学特征及环境意义

磁学参数作为可靠的古气候和古环境指标, 能为全球环境变化、气候过程研究提供有价值的资料.对广西来宾铁桥剖面瓜德鲁普-乐平统界线地层进行详细岩石磁学研究, 结果表明, 铁桥剖面样品中主要磁性矿物是顺磁性矿物以及少量磁铁矿、赤铁矿.在瓜德鲁普-乐平统界线附近, 岩石磁学特征发生显著变化, 磁化率先增大再减小, 携磁矿物成分呈硬磁性矿物(赤铁矿)→软磁性矿物(磁铁矿)→硬磁性矿物(赤铁矿)的变化趋势, 这些转变仅在界线上下大约4m的岩层内完成, 与中二叠世晚期的海平面变化、古海水温度变化同步.中-晚二叠世之交碳酸盐岩磁学参数的变化显著, 反映磁性矿物在各圈层之间的运移和转换发生了转变, 这一转变起因于当时的气候环境变化.瓜德鲁普世晚期和乐平世早期, 海平面较高, 来宾地区物源少, 铁桥剖面的携磁矿物主要来自粉尘赤铁矿; 中-晚二叠世之交短暂的大规模海退作用使华南古陆面积大幅度增加, 同时陆生植物大规模灭绝, 地表侵蚀加剧, 来宾地区物源增多, 此时, 铁桥剖面的携磁矿物主要来源于河流输入的磁铁矿.      

X射线光电子能谱在环境磁学中的应用

近年来,环境磁学方法被广泛应用到古环境和现代环境问题的研究中[1～4].不同种类的磁性矿物具有不同的磁性强度以及磁畴范围[1],磁性矿物种类的确定是研究需要解决的首要问题.目前磁性矿物种类主要运用环境磁学比值参数,以及热磁曲线、磁滞回线等传统的磁学方法鉴别[5～8],然而这些方法对弱磁性矿物(如反铁磁性矿物)不敏感,信号常被亚铁磁性矿物掩盖.近年来,XRD矿物衍射[9,10]、漫反射光谱[11]等技术被引入到磁性矿物鉴别中,但矿物衍射的方法对于研究对象中磁性矿物的含量有一定要求,对于磁性矿物含量比较低的天然样品,如被有机质以及其他矿物稀释的湖泊沉积物,难以满足实验要求.     

西菲律宾海780ka以来气候变化的岩石磁学记录:基于地磁场相对强度指示的年龄框架

文章对取自西菲律宾海本哈姆高原东部的两个钻孔岩芯进行了岩石磁学和古地磁研究,两个岩芯长度近4m,水深均超过5000m.在岩芯146底部出现了磁倾角倒转和相对磁偏角偏移,被认为是布容-松山极性转换(780ka);而岩芯89中没有发现磁倾角倒转和磁偏角偏移,表明其底部年龄比780ka年轻.岩石磁学结果表明沉积物的磁学特征符合磁性"均一性"条件:即主要载磁矿物为低矫顽力的磁铁矿,磁性矿物粒度在假单畴-单畴范围内,并且磁性矿物含量变化不超过10倍;据此构建了地磁场相对强度(RPI)的3个指标NRM/κ,NRM/ARM和NRM/SIRM.综合古地磁和地磁场相对强度与Sint800的对比结果,我们得到了两个岩芯的深度-年龄对比,在此基础上获得的岩石磁学记录表明,岩芯记录了Brunhes期以来的气候演化:冰期时,磁性矿物的粒度变粗,细粒磁性矿物含量降低;反之,间冰期时磁性矿物的粒度变细,细粒磁性矿物含量增加,与南海ODP1143孔记录的氧同位素具有一致的变化,这反映了间冰期时加强的化学风化对源区物质的影响而不是海面升降造成的沉积分选.而且,在间冰期时磁学参数反映的粒度大小亚峰谷值与氧同位素的亚峰谷值一一对应,表明间冰期沉积过程能反映气候的细微变化.这种磁学参数对气候的响应也出现在南海钻孔中,表明该特征至少是东亚海域沉积物的共同规律.对细粒磁性矿物比较敏感的ARM显示了与磁学粒度参数相似的变化,在间冰期为高值,冰期为低值,而对粗颗粒更敏感的κ和SIRM则缺乏这种与冰期-间冰期旋回的对应关系.与此同时,S-ratio变化不大并且缺乏与亚洲风尘记录的对应关系,表明自从780ka以来沉积区的低矫顽力磁性矿物一直是主要磁性载体,并且暗示物质来源应以来自陆地的悬浮体为主,而非风尘.研究区内自西向东降低的沉积速率表明了沉积物的主要来源是西部的吕宋岛和东亚大陆.400kaB.P.前后,磁学参数出现转折,粒度由逐渐变粗到稳定,磁性矿物含量降低以及变化幅度增加;同时,碳酸盐含量的变化也相应降低,反映了全球海区出现的碳酸盐溶解加剧即中布容事件.磁性矿物含量和粒度与冰期-间冰期的同步变化反证了地磁场相对强度指示年龄的正确性,同时岩石磁学参数对稳定氧同位素和碳酸盐含量的响应也揭示了岩石磁学方法是进行古气候和古海洋研究的有效工具.     

黄土高原与伊犁黄土磁学特征对比及启示

近30年来世界黄土磁学性质及其古气候意义研究取得了重大进展,并提出了“成壤说”和“风速论”两种主要的磁化率增强模式.由于两种模式是针对特定地区黄土地层的磁学性质变化规律提出的,其应用范围有限,然而模型描述的影响磁化率的增强因素是否可能普遍适用于黄土地层?近些年来的研究结果倾向于肯定这种假设.本研究选取黄土高原和伊犁地区黄土进行磁学分析进一步探讨这个假设存在的可能性.磁化率测量结果发现伊犁地区的古土壤/黄土层与xlf曲线的峰/谷对应关系不明确,且分布范围和平均值的差别小,区别于黄土高原.岩石磁学分析结果表明黄土高原和伊犁地区黄土/古土壤地层的磁学性质受磁铁矿(和磁赤铁矿)控制,细粒磁性矿物和低矫顽力矿物对地层总体磁性的贡献与成壤强度呈正相关关系;区别在于黄土高原黄土的磁性矿物含量与地层成壤强度呈现良好正相关关系,伊犁黄土中磁性矿物含量与成壤强度无明确相关关系,且总体高于黄土高原黄土.后者的细粒磁性矿物和低矫顽力矿物百分比含量显著高于伊犁黄土.研究结果表明两种磁化率增强因素在黄土中是普遍存在的,在不同环境下两种因素对磁化率的贡献不同,因此磁化率在不同的环境下具有不同的环境指示意义,磁化率作为降水量的代用指标并不适用于所有黄土剖面.相比较而言,反映细粒磁性矿物和低矫顽力矿物百分比含量的磁学参数以及反映粗粒磁性矿物含量的磁学参数更适合于古气候研究.     

环境磁学理论、方法和研究进展

环境磁学是一门介于地球科学、环境科学和磁学之间的边缘科学。环境磁学可提供大量有关区域或全球环境变化及人类活动对环境影响等的重要信息,其研究范围迅速扩大,已成为当今地学前沿学科之一。本文在简述了环境磁学的理论和方法的基础上,介绍了环境磁学中几个主要研究领域如古气候与古环境变化、土壤学和环境污染研究等方面所取得的进展,指出了环境磁学研究中存在的不足之处,并提出了近年来环境磁学的一些新的发展趋势：①加强磁信息与地质记录之间的定量研究;②利用磁信息加强应用研究;③环境磁学与地球化学方法密切相结合;④建立全球磁数据