黄土高原靖边剖面岩石磁学性质及其古环境意义

中国黄土在东亚第四纪气候环境变化研究领域占有重要地位,靖边黄土剖面位于黄土高原北部边缘,对东亚季风变化敏感.本文对靖边黄土剖面进行了详细的岩石磁学和环境磁学研究.剖面沉积物中的主要磁性矿物为磁铁矿、磁赤铁矿以及赤铁矿,黄土中的碎屑磁铁矿普遍经历了低温氧化作用的初始阶段,形成磁赤铁矿外壳包裹磁铁矿内核的结构,导致矫顽力大幅增加.磁化率随温度变化曲线(X-T)指示成壤作用生成的单畴颗粒的亚铁磁性矿物(磁铁矿和磁赤铁矿)的含量在L15(约1.25Ma)后整体减少,表明东亚夏季风强度发生阶段性减弱.黄土层中的磁化率与非磁滞磁化率比值(X/X_(ARM))与来自物源区粗粒磁性矿物含量相关,冬季风增强则X/X_(ARM)值越高,靖边剖面黄土层X/X_(ARM)在L14以后整体增加,L6以来逐渐增加,表明东亚冬季风发生过两次增强.矫正后磁化率与非磁滞磁化率((X-X_(0))/X_(ARM))指示了来自物源区磁性矿物含量,靖边剖面自2.6Ma以来,(X-X_(0))/X_(ARM)逐渐增加,源区的磁性矿物含量增多表明冬季风逐渐增强.非磁滞剩磁与饱和等温剩磁中值退磁场比值(MDF_(ARM)/MDF_(SIRM))与样品相关,样品磁性矿物粒度越粗,低温氧化作用越弱,矫顽力越高,MDF_(ARM)/MDF_(SIRM)越高,靖边剖面MDF_(ARM)/MDF_(SIRM)分别在L14和L6后整体升高,表明磁性矿物粒度整体变粗,代表了沙漠两次向南扩张.综上磁学参数一致表明,靖边黄土剖面有效地记录了东亚季风演化过程,对研究亚洲内陆干旱环境演变有重要意义.

大同盆地高砷地下水系统沉积物环境磁学特征

为了研究高砷含水层沉积物中砷与磁性矿物的关系,对大同盆地高砷地区含水层钻孔样品进行了环境磁学和地球化学分析,结果表明亚铁磁性矿物是决定含水层沉积物磁性特征的主要磁性矿物.通过对比砷和磁性参数在垂向上的变化趋势发现,高砷含量往往对应着低的饱和等温剩磁(SIRM)值,揭示出砷和顺磁性矿物之间也存在联系.沉积物砷含量与磁性参数的相关系数均小于0.5(α=0.05),表明砷和亚铁磁性矿物及不完整反铁磁性矿物之间不存在明显的联系.在所有磁性参数中磁化率(χ)和砷含量之间相关性最显著,相关系数均在0.4(α=0.05)左右,低的相关系数与亚铁磁性矿物和不完整反铁磁性矿物对顺铁磁性矿物的稀释有关.该地区高砷地下水的形成可能与水铁矿及纤铁矿等砷的赋存矿物在还原条件下的还原溶解有关.

环境磁学某些研究进展评述

环境磁学是应用岩石磁学和矿物磁学技术去恢复环境过程、重塑环境演化历史的一门边缘科学。沉积环境中磁性矿物的形成、搬运、沉积和演化受气候变化和环境过程的控制 ,因此 ,岩石和矿物磁学性质可作为环境变化和气候过程的代用指标。环境磁学能为全球环境变化、气候过程研究提供有价值的资料。鉴于环境磁学方法在古环境和古气候研究中的重要作用 ,本文对当前黄土、湖泊沉积物和海洋沉积物环境磁学研究的一些进展作简要评述。

福建三明地区被污染土壤的磁学性质及其环境意义

对福建三明某钢铁厂和火电厂附近的污染表土样品进行了多参数的岩石磁学测试分析 ,包括 χ T曲线、磁滞回线、等温剩磁获得曲线等 .三明地区污染表土中的磁性矿物有磁铁矿、赤铁矿和磁黄铁矿 .样品中磁性矿物的平均粒度较粗 ,为较大的准单畴 ,甚至多畴 ,粒度明显大于成土作用所产生的磁性颗粒 .粗粒的磁铁矿颗粒是污染物的主要磁性组分 .虽然磁化率测量可以作为一种简单、快速而且廉价的检测污染土壤的方法 ,但同时辅以必要的岩石磁学测量将有利于提取更多的污染信息 .对于低磁化率的污染土壤 ,亚铁磁性硫化物的存在可以作为土壤可能被污染的证据之一 .

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。

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。

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。

近7000年巢湖沉积物环境磁学特征及其指示的亚洲季风变化

利用巢湖ACN钻孔,通过多参数磁性测量、粒度和AMS14C测年分析,探讨了近7000年以来巢湖沉积物磁性特征变化及其控制因素,并进而探讨了其对亚洲季风变化的指示意义。研究结果表明,ACN钻孔磁性特征由磁铁矿主导,其变化主要受沉积动力环境控制,间接反映了流域降水的变化。总体上粘土含量高的沉积物中磁性矿物含量较低、颗粒较细,形成于高湖泊水位环境,对应了降水量高的时期;而>32μm组分含量高的沉积物磁性较强、颗粒较粗,形成于低湖泊水位环境,对应了降水量低的时期。巢湖ACN的磁性记录(尤其是ARM/和ARM/SIRM两个参数)揭示了近7000年以来巢湖流域降水具有减少的趋势,导致湖泊收缩和沉积物中磁性矿物颗粒变粗。在这一长期变化的基础上,还存在6000aB.P.,5500aB.P.和3800aB.P.附近的显著干旱事件。这一磁性记录与中国东部地区的石笋、湖泊等记录可以很好地对比,是亚洲季风演变的区域响应结果。

兰州市街道尘埃磁学特征及其环境意义

兰州市是全球大气污染最为严重的城市之一,为城市颗粒物污染研究的理想场所.分析了兰州市街道尘埃样品的磁学参数(包括磁化率、无磁滞磁化率、等温剩磁、磁滞回线和热磁曲线)变化特征.结果表明,兰州市街道尘埃中磁性矿物含量较高,主要磁性矿物是铁磁矿、磁赤铁矿和赤铁矿,并伴有少量顺磁性矿物;磁性矿物粒度主要是准单畴(PSD);市区污染春季较夏季严重,春季高频率的强沙尘暴可能带来了更多的磁性矿物;兰州市污染物的沉积和分布在很大程度上受到气象条件和地形地貌格局的影响,市区每个盆地东端高于其它地区;兰州市污染以人为活动产物为主,人为活动贡献约为81.9%,其中包含交通约22.6%的贡献,自然降尘贡献约为18.1%;特殊的地形和气象条件,使得兰州市区的大气环境容量比平原城市的环境容量小得多,进而导致严重的大气污染.

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。

中国黄土环境磁学

中国陆相风成沉积序列蕴含了晚新生代以来丰富的古地磁场和古气候信息。第四纪黄土-古土壤序列的岩石磁学性质可以揭示第四纪亚洲内陆地区干旱化过程和东亚古季风演化历史以及末次冰期-间冰期旋回的气候不稳定性特征。文章主要评述近年来中国黄土环境磁学研究所取得的一系列重要进展,同时提出目前需要深入研究的几个重要问题,如成土作用对黄土沉积物沉积剩磁的影响、微生物对磁性矿物的改造、亚洲内陆地区气候过程和环境演变的磁气候学记录等。

环境磁学反映的藏南沉错地区1300年来冷暖变化

通过藏南沉错湖芯的2 10 Pb和13 7Cs的测试 ,获得湖芯的平均沉积速率为 0 .1 6cm a。根据湖芯长度和分样间距 ,获得平均分辨率为 6～ 7年 ,长达 1 3 5 0年的连续湖芯环境序列。对湖芯样品磁学指标的低频磁化率 (χlf)、等温剩磁 (IRM)、饱和等温剩磁 (SIRM)、非滞后剩磁(ARM)等指标及其比值的测试 ,划分了 6 5 0A .D .以来沉错湖区的冷暖变化阶段和相对强度。结果表明 ,6 90～ 86 0A .D .和 1 1 2 0～ 1 3 2 0A .D .分别出现两个相对集中的暖期 ,每个暖期中间又具有相对寒冷时段。1 5 2 0～ 1 6 5 0A .D .出现寒冷时段之后 ,1 82 0A .D .左右直至现在环境又逐渐进入转暖时期。在 3个暖期中 ,以 1 2 2 0A .D .前后的温暖程度最强 ,而冷期中以 1 6 1 0～1 6 5 0A .D .达到最盛。沉错湖区冷暖环境的演变得到了其他资料的很好验证。

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建立全球磁数据库。

兰州市大气降尘环境磁学特征研究

应用环境磁学方法系统研究了兰州市区大气自然降尘的磁学特征(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:兰州市大气降尘中磁性矿物含量较高,磁参数的贡献主要来自磁铁矿和磁赤铁矿,磁性矿物的粒度较粗,为准单畴颗粒;兰州市大气污染严重,磁化率等磁学参数较好地反映了兰州市大气污染状况;兰州市空气污染防治近年来已取得了一定成效,空气质量有了较大改善,冬季污染在逐年减轻,而夏季污染变化不大。环境磁学作为一种简单、快速且无破坏性的研究手段,可以为城市污染防治研究提供许多有价值的信息。

新疆表土磁学性质及其环境意义

在新疆地区采集了331块表土样品,分析了样品的磁性特征(磁性矿物种类、磁性矿物含量和粒径组成)及其环境意义。结果指示新疆地区表土磁性特征存在较大的区域差异。北疆样品中磁性矿物总体含量较高,以单畴和假单畴颗粒的磁铁矿、磁赤铁矿等软磁性矿物为主,南疆样品中磁性矿物含量较低,硬磁质含量稍高,单畴颗粒矿物所占比重较北疆低;伊犁地区样品的磁性矿物在组成上与南疆样品更为接近,但成壤相对较强,超顺磁颗粒含量高。新疆地区表土磁性特征差异在一定程度上反映了新疆地区环境因子的区域差异,尤其是年均降水的不同。

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。

天山北麓黄土环境磁学特征及其古气候意义

新疆黄土-古土壤序列环境磁学参数的变化机理及其气候意义仍存在争议.本文选择天山北麓的中梁黄土剖面,系统开展了低温和常温下环境磁学参数的测试与研究,测量包括室温的磁化率与饱和磁化强度,以及磁化率与饱和剩余磁化强度的低温变化.结果发现,该剖面黄土和古土壤样品的磁性矿物主要由磁铁矿与磁赤铁矿组成,不含任何粒级成壤形成的超顺磁矿物颗粒,其磁化率信号主要记录了粉尘磁性矿物含量变化,较高的磁化率指示较强的风动力状况或者较近的风尘源区,新疆黄土的这种环境磁学"风尘输入模式"可用来重建干旱区的风动力强弱变化.

中国第四纪黄土环境磁学研究进展

中国黄土分布广泛、沉积连续性好 ,是进行磁性地层研究和重建古环境、恢复古气候的理想材料。中国黄土高原黄土—古土壤序列的环境岩石磁学性质详细地记录了 2 .5Ma BP以来古气候和古环境变化的信息 ,尤其是黄土和古土壤的磁化率作为很好的气候代用指标已得到广泛应用。古土壤磁化率增强成因机制一直在争论中 ,其中 ,与气候变化关系密切的成壤作用对古土壤磁化率增强起主导作用的观点已被普遍接受 ,目前利用不同方法建立了磁化率气候转换函数 ,从而使重建古降水量和古温度成为可能。

呼和浩特市大气降尘磁学特征及其环境意义

应用环境磁学方法研究了呼和浩特市及其对照点大气降尘样品的环境磁学特征,同时与西北地区两大典型污染城市—乌鲁木齐、兰州进行对比,探讨了环境磁学在大气污染监测和来源解析方面的应用.结果表明,两地样品磁学特征均受磁铁矿控制,磁性矿物为假单畴和多畴颗粒;与对照点相比,呼和浩特样品磁性矿物的含量较高,颗粒较细.通过降尘污染的季节变化对比可知,呼和浩特大气污染受到自然因素和人类活动的共同影响.相对于磁化率(χlf)而言,饱和等温剩磁(SIRM)能更好地反映呼和浩特大气污染状况,可作为大气降尘磁性特征的有效指示器.与乌鲁木齐和兰州相比,呼和浩特逆温强度较大,但大气污染程度相对较低,暗示人类活动对大气污染起到主导作用.

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。