三门峡会兴沟剖面黄土—古土壤序列的岩石磁学研究

岩石磁学是古地磁学和环境磁学研究的基础,是鉴定岩石和沉积物中磁性矿物种类、粒度和含量的有效途径。对黄土高原东南部三门峡盆地的水沟—会兴沟旧石器遗址会兴沟剖面黄土—古土壤序列(S_0~S_8)进行系统的岩石磁学研究表明:本剖面沉积物的主要载磁矿物为磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿,显示准单畴(PSD)磁性颗粒特征。所有磁学参数曲线均表现出基本一致的变化特征,与深海氧同位素曲线能够很好的对应,反映了第四纪以来的冰期—间冰期旋回中,东亚季风影响下的风尘黄土堆积中磁性矿物种类、粒度和含量的周期性变化特征。黄土中高矫顽力磁性矿物的相对含量要高于古土壤中的,而随着成土作用的加强,在古土壤中细粒的低矫顽力磁性矿物显著增加的同时,其中高矫顽力磁性矿物的绝对含量也相应增加。质量磁化率(χ)与非磁滞剩磁磁化率(χ_(ARM))和饱和等温剩磁(SIRM)及磁粒度参数χ_(ARM)/SIRM和χ_(ARM)/χ均呈明显的正相关关系,表明由成土作用产生的单畴(SD)颗粒和较小PSD颗粒对磁化率增强有显著的贡献。     

土壤剖面的磁学特征及其对交通污染的指示意义——以北京首都机场高速公路为例

对北京首都机场高速公路旁采集的土壤柱状T01剖面的磁学参数和金属元素分析,探讨了研究区内现代交通导致的土壤磁学性质的变化及其对环境污染的响应.结果表明,磁参数(χ,ARM和SIRM)与重金属含量呈同步垂向变化趋势.来源于交通运输排放的污染物是土壤剖面上部(0～8 cm)磁性和金属含量增强的主要原因,8cm以下,土壤基本未受到污染,磁性矿物和重金属含量较低,磁性颗粒变化稳定,基本代表了该地区土壤的自然背景.尽管土壤岩石磁学分析表明剖面上下部受污染和未受污染样品的磁载体均是粒度较粗的多畴磁铁矿,但是结合磁参数比值曲线,说明底部样品的磁颗粒的粒度较顶部偏细.磁性矿物的含量变化没有影响磁颗粒的粒度特征.指标聚类等相关分析表明,土壤磁参数(χ,ARM和SIRM)与重金属元素(Pb,Zn和Cu)含量显著相关;结合模糊聚类分析,磁参数可用于追踪、识别交通污染物质在土壤剖面中的富集、迁移状态,揭示不同深度土壤的污染程度.     

中国西北地区典型钢铁工业城市表土重金属污染的环境磁学响应

以嘉峪关市为研究靶区,系统采集城区表土样品58件,对其进行环境磁学和重金属元素（Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、V、Zn、Fe）质量分数分析。结果表明：嘉峪关市表土以低矫顽力磁铁矿为主导,磁晶粒度以较粗的假单畴（PSD）和多畴（MD）颗粒为主;城区表土亚铁磁性矿物浓度和磁性颗粒大小远高于国内综合型大城市表土;市区反映磁性矿物含量的参数呈现出以酒钢厂和废渣场为中心的高值区域,并随着污染源距离的增加向周围递减;嘉峪关市表土重金属Cd、Cr、Cu、Mn、Pb、V、Zn、Fe质量分数与反映磁性矿物含量的参数具有显著共变性,二者的高值分布与反映磁晶粒度参数的高值分布成盈缺呼应关系。然而嘉峪关市土壤母质磁性颗粒本底值较粗,与污染土壤特征相似,因此对西北地区而言,亚铁磁性矿物浓度相对磁晶粒度可以更好地指示钢铁厂周边土壤重金属的污染程度。     

西菲律宾海西部沉积物磁学特征及其环境意义

磁学参数作为有效的气候环境变化替代指标,能为古环境演变和沉积物物源研究提供有价值的信息。对取自西菲律宾海西部的GX72柱状样沉积物进行系统的环境磁学研究,测量了磁化率(χ)、非磁滞剩磁(ARM)、等温剩磁(IRM)、磁化率变温曲线(κ-T曲线)、磁滞回线等磁学参数或曲线。结果表明,GX72柱状样沉积物中携磁矿物以低矫顽力磁铁矿为主,粒径以较粗粒准单畴(PSD)为主,这些磁性颗粒主要来源于河流输入的陆源碎屑物质,风成粉尘较少。剖面上多个磁学参数呈现出相同或相反的变化趋势,反映古气候对沉积物磁学性质的制约。χ高值样品通常对应于高饱和等温剩磁(SIRM)值、低ARM/SIRM值、低χARM/χ值以及低χfd值;这类沉积物样品中磁性矿物的含量相对更高,粒度相对较大,可能形成于冷期(相对)。相反,χ低值样品通常对应于低SIRM值、高ARM/SIRM值、高χARM/χ值以及低χfd值,这类样品中磁性矿物的含量相对较低,粒径相对较小,代表相对暖期沉积。     

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.     

中亚地区现代表土磁学特征及其古环境意义*

在中国西北地区主要沙漠、绿洲和戈壁及蒙古国南部戈壁等亚洲中部粉尘源区采集了表土(包括沙漠和土壤)样品,系统分析了样品的磁学性质(包括磁化率、无磁滞磁化率、等温剩磁、磁滞回线和热磁曲线)。结果表明,中亚地区表土样品中主要磁性矿物是铁磁矿,含有赤铁矿和磁赤铁矿,并伴有少量顺磁性矿物;磁性矿物粒度主要是准单畴(PSD)和多畴(MD),超顺磁性颗粒含量较低,接近于中国西部黄土地层含量。中亚地区表土磁性矿物含量总体都较低,磁性矿物含量在空间上与降雨量成正比。研究结果指示西部地区(准噶尔盆地和南部塔里木盆地)表土样品较北部地区(鄂尔多斯高原、阿拉善高原以及蒙古高原)表土样品,其粗颗粒磁性矿物含量高,而细颗粒磁性矿物含量低。本研究结果为黄土地层古土壤磁性增强源自成土过程提供了最直接的证据。     

西菲律宾海GX149柱状样沉积物磁学性质及其环境意义

对取自西菲律宾海西部的GX149柱状样沉积物进行详细的环境磁学研究,揭示其蕴含的环境意义和物源信息。岩石磁学结果表明,GX149柱状样沉积物中携磁矿物以低矫顽力磁铁矿为主;反映磁性颗粒粒径的King图与Day图显示沉积物中磁性矿物以准单畴(PSD)为主。剖面上磁学参数变化明显,以磁性矿物粒径参数(χARM/χ)作为替代指标反演古气候变化结果显示:冷期沉积物中磁性矿物含量相对更高,粒径更粗,高矫顽力矿物含量增加;而暖期沉积物中磁性矿物含量相对较低,粒径更细,高矫顽力矿物含量降低。干燥、寒冷、风大的冷期气候下,东亚季风携带的粉尘输入增加导致沉积物中高矫顽力矿物含量增多;而温暖湿润的暖期,沉积物中风成粉尘输入减少,高矫顽力矿物含量降低。GX149柱状样沉积物与西菲律宾海其他区域以及南海沉积物相似的磁学特征,相同的冰期-间冰期旋回趋势说明沉积物磁学特征对气候变化的响应在东亚地区具有共性。     

石英砂工业区内土壤剖面的磁学特征及其环境意义

对安徽凤阳石英砂工业区土壤剖面的磁学参数和SiO₂含量进行测试,结果显示：土壤剖面磁性矿物含量低,磁学性质由磁赤铁矿控制,土壤剖面由上而下可分成3个磁性层;从第一层到第三层磁性逐渐减弱;第三层磁学性质主要由成土母质决定,第一层存在明显的磁性增强现象,引起这种现象的原因可能是次生磁赤铁矿和燃烧作用。磁学参数和SiO₂含量显示土壤剖面的第一层已被弱磁性石英尾砂污染,在石英尾砂的稀释作用下,其磁性结构特征发生了改变,磁性矿物含量降低。土壤剖面的磁学参数组合特征及SiO₂含量反映了弱磁性石英尾砂对第一层土壤的污染过程。     

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.     

天山北麓典型黄土沉积序列的磁学特征及主控因子初探

新疆黄土岩石磁学特征与地层性质的对应关系具有鲜明的区域特征.本文选取沙湾黄土剖面进行较为系统的岩石磁学分析.研究结果表明,沙湾剖面的磁性矿物组成与黄土高原及新疆北部其他黄土剖面相似,以亚铁磁性矿物(如磁铁矿、磁赤铁矿)为主要的载磁矿物,同时含有一定量的不完全反铁磁性矿物(如赤铁矿、针铁矿)和顺磁性矿物.假单畴(PSD)和多畴(MD)为样品的主要磁畴特征,部分土壤样品中磁性矿物磁畴状态表现为单畴(SD).进一步分析发现,磁化率与地层对应关系较为复杂,剖面3m以上地层中的磁化率及其他相关磁学参数与成壤强度呈现正相关关系,全新世以来发育的古土壤中磁化率值较高,细颗粒磁性矿物含量也较高;而3m之下地层中磁学参数显著表现为风力强度驱动变化模式.古风场强度的变化可能对剖面整体磁学性质具有一定的影响,成壤作用受到风动力条件的制约,主要决定了较细颗粒磁性矿物的含量变化.xARM/SIRM参数与磁化率相比对地层成壤强度的指示作用更为明显.     

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。     

钢铁厂附近树木年轮的磁学性质及其环境意义

通过磁学手段以树木年轮为研究对象,通过多参数磁学研究探讨钢铁厂周围环境污染的历史.研究表明:钢铁厂附近树木年轮样品中磁性矿物为准单畴(其中颗粒偏向于多畴)的磁铁矿,磁性矿物形状各异,粒径大小不一;样品中磁铁矿的含量随年份的不同差异很大;通过树木不同方向上磁性参数尤其是饱和等温剩磁(SIRM)值的差异以及扫描电镜(SEM)和X射线能谱(EDX)分析,发现树木木质部中的磁性颗粒来自于树皮,即大气中颗粒被树皮和树叶表面吸附后,在树木的生长季节通过树皮进入形成层的木质部细胞,然后通过木质化作用被固定在当年生长的树木木质部木材中;另外,朝向钢铁厂方向的树干年轮钻芯样品SIRM值与对应年份钢铁厂年生产量之间高度相关,磁性颗粒在年轮之间不存在横向迁移,树干年轮钻芯的磁性参数(SIRM和部分磁滞参数)可指示该区大气环境污染的历史;污染树木钻芯样品的SIRM随时间的变化曲线说明该研究区大气污染日益严重.     

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.     

石英尾砂对旱地表土磁性的影响及其环境意义

对安徽省凤阳县石英尾砂、受尾砂影响的表土、旱地表土和城镇表土进行了磁学测量,结果表明这4类样品的磁性特征明显不同。尽管这4类样品的磁化率均由磁铁矿主导,但旱地表土中可能含少量磁赤铁矿,石英尾砂、受尾砂影响的表土和城镇表土中可能含少量铁的氢氧化物（如纤铁矿）,受尾砂影响的表土中还含少量赤铁矿。城镇表土中磁铁矿的含量明显高于其他3类样品,受尾砂影响的表土中的磁铁矿含量介于石英尾砂和旱地表土之间。城镇表土中磁铁矿的粒径范围较宽,小于1 μm,石英尾砂中磁铁矿的粒径大于0.1 μm,旱地表土中磁铁矿的粒径小于0.1 μm,受尾砂影响的表土中磁铁矿的粒径介于旱地表土与石英尾砂的粒径之间。城镇表土的磁化率与频率磁化率呈负相关,旱地表土的磁化率与频率磁化率呈正相关,而受石英尾砂影响的表土的磁化率与频率磁化率没有明显的相关关系。在城市工业和交通等人类活动的影响下,城镇表土的磁性较旱地表土增强。而在石英砂生产这一人类活动的影响下,受尾砂影响的表土的磁性较旱地表土减弱,这是由石英尾砂中磁性矿物的含量较旱地表土4的少所致。     

渭河流域典型黄土剖面的环境磁学特征及其古气候意义

对黄土高原南部耀县全新世黄土地层的形成及保存环境进行了研究.结果表明:地层中磁性矿物主要为软磁性矿物,硬磁性矿物对地层的磁学性质贡献小;随着成壤强度的增加,硬磁性矿物的相对含量在减少.本区全新世地层的形成和保存环境为氧化环境,适宜用磁学手段反演全新世古气候.对磁化率和频率磁化率、无磁滞剩磁磁化率的对比分析,可以看出:成壤强度较低时,细粒磁性矿物相对于磁性矿物总量的增加速率相对较快;成壤强度较高时,细粒磁性矿物的相对含量会达到或趋近饱和,相对于磁性矿物总量的增加速率相对较慢.研究表明,在黄土地层中,χfd%和χARM/χ等指示细粒磁性矿物的磁学参数可以显示更细微的气候变化;在古土壤中,χlf的气候指示意义相对更好.     

不同环境中树叶的磁学性质及其对大气环境污染的指示

为了研究树叶的磁学性质对大气环境污染的指示作用,对安徽省凤阳县城、水泥厂和石英砂厂生长的杨树叶及在凤阳县城生长的银杏树、梧桐树等树叶的磁学参数进行测量。结果显示树叶样品中主要磁性矿物都是磁铁矿,粒径较大;但不同环境生长的杨树叶中磁性矿物含量存在差异,由高到低依次排列为水泥厂、凤阳县城、石英砂厂,指示水泥厂大气环境污染较凤阳县城和石英砂厂严重。进一步分析还发现在凤阳县城采集的杨树、银杏树、梧桐树等树叶样品中磁性矿物含量各不相同,其中银杏树叶中磁性矿物含量高于杨树和梧桐树树叶。利用树叶磁学参数能监测大气环境污染,但不同树种树叶的磁学参数对大气环境污染的指示作用存在差异。     

腾格里沙漠边缘表土磁学性质及其意义

通过对腾格里沙漠边缘表土进行岩石磁学的测试和分析,发现样品中的磁性矿物主要是铁的氧化物.主要为磁铁矿,其次为磁赤铁矿和赤铁矿.磁颗粒以多畴和准单畴为主.样品之间低频磁化率值相差很大,靠近雅布赖山附近的样品明显高于其他样品.频率磁化率普遍很弱,最大3.7％,反映了该沙漠边缘区的干旱条件下所进行的以物理风化为主的地质过程....     

渭河流域典型黄土剖面的环境磁学特征及其古气候意义

对黄土高原南部耀县全新世黄土地层的形成及保存环境进行了研究. 结果表明: 地层中磁性矿物主要为软磁性矿物, 硬磁性矿物对地层的磁学性质贡献小; 随着成壤强度的增加, 硬磁性矿物的相对含量在减少. 本区全新世地层的形成和保存环境为氧化环境, 适宜用磁学手段反演全新世古气候. 对磁化率和频率磁化率、无磁滞剩磁磁化率的对比分析, 可以看出: 成壤强度较低时, 细粒磁性矿物相对于磁性矿物总量的增加速率相对较快; 成壤强度较高时, 细粒磁性矿物的相对含量会达到或趋近饱和, 相对于磁性矿物总量的增加速率相对较慢. 研究表明, 在黄土地层中, χfd%和χARM/χ等指示细粒磁性矿物的磁学参数可以显示更细微的气候变化; 在古土壤中, χlf的气候指示意义相对更好.     

罗布泊自生胶黄铁矿对磁性参数χARM/SIRM指示意义的影响

沉积物中磁性矿物的颗粒大小具有重要环境指示意义,是环境磁学研究的重要内容。磁性参数非磁滞剩磁磁化率/饱和等温剩磁（χ_ARM/SIRM）常被用于指示磁性颗粒大小,当沉积物磁性特征为较粗的多畴（MD）颗粒主导时表现为低值,而为较细的单畴（SD）颗粒主导时表现为高值。本研究对罗布泊盐湖LB剖面的沉积物进行了系统环境磁学测试,结果发现剖面中含有5个χ_ARM/SIRM值低于上覆层和下伏层的层位,指示其磁性颗粒较粗。但磁滞参数和扫描电镜结果显示这5个层位磁性颗粒明显细于上覆层和下伏层沉积物,显示χ_ARM/SIRM在这5个层位的指示意义失真。矿物鉴定结果显示这5个层位的主导磁性矿物为早期成岩成因的SD胶黄铁矿,赋存形态主要为颗粒团聚体、单颗粒或颗粒团聚体附着于硅酸盐矿物表面以及分布于薄片状硅酸盐内,这种赋存形态导致其具有较强的磁相互作用,并限制了χ_ARM的增加,最终造成χ_ARM/SIRM下降,指示意义失真。本研究显示当沉积物中存在胶黄铁矿等自生矿物时,利用比值参数χ_ARM/SIRM判断磁性矿物颗粒特征需谨慎。     

德国Chiemsee湖磁性细菌干湖泥的磁学性质

对经历过实验室磁性细菌培养的Chiemsee湖的4块干湖泥样品进行了磁学参数、粒度和XRD测量,结果表明样品中的主要磁性矿物以磁铁矿为主,并含有少量的硫铁矿.培养深度1～ 2cn处的样品在磁化率、百分比频率磁化率、无磁滞剩磁、饱和磁化强度和矫顽力等磁学特征上表现出和其余样品差别较大,分析认为这种差异可能是由于该层位的样品受到较多的磁性细菌产生的磁小体影响所致.样品的低温饱和剩磁测量表明样品中除了单畴(SD)磁铁矿之外,还存在多畴(MD)磁铁矿颗粒,利用粒度频率分布曲线对沉积物的来源进行了分析,表明Chiemsee湖的沉积物可能主要是沉积在湖泊周围的一些风积物在地表水流作用下,与一些粗粒级沙粒一并进入湖泊所形成,样品中的粗粒多畴磁铁矿可能是这些沉积物所携带的,与后期的磁性细菌关系不大.因此,沉积物中的磁学信号除了磁性细菌产生的磁小体的贡献以外,其他物源沉积物的贡献显然也是不可忽略的重要因素.