杭州城区土壤的磁性与磁性矿物学及其环境意义_卢升高

第27卷 第6期2007年11月第 四 纪 研 究QUATERNARY SC I ENCESV o.l 27, N o .6N ove m be r ,2007文章编号 1001-7410(2007)06-1016-07中国南方红土环境磁学*卢 升 高(浙江大学环境与资源学院,杭州 310029)摘要 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 10-8m 3/kg ,网纹红土磁化率约低一个数量级。

红土的磁化率-温度( -T )曲线、等温剩磁获得曲线、XRD 和TE M 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。

主题词 红土 环境磁学 磁性矿物 古环境中图分类号 S152,P3 文献标识码 A作者简介:卢升高 男 45岁 教授 环境磁学与环境生态学专业 E-m ai:l l u s g @z j u edu cn *国家自然科学基金项目(批准号:49971044)资助 2007-06-28收稿,2007-07-20收修改稿在我国长江以南广泛分布的红土,是湿热气候环境下经强烈风化作用形成的产物,因含较多的氧化铁而呈现明显的红色,又称为 红色风化壳[1~4]。

典型的第四纪红土常由黄棕色粘土层、均质红粘土层、网纹状红粘土层和砾石层构成,由于网纹层深厚醒目,第四纪红土又多被形象地称为 网纹红土 。

红土的分布范围北起南阳-桐柏-淮河一线,经长江中下游地区,南至南岭山地,东界大体沿杭(州)嘉(兴)湖(州)-宜(兴)溧(阳)山地-安庆-淮河中下游,向东转至东南沿海海岸以及向东北延至淮河以北,向西直到成都平原。

第51卷第3期2008年5月地　球　物　理　学　报CH IN ES E JO U RN A L OF G EO PH YSICSVo l .51,N o .3M ay ,2008卢升高,白世强.杭州城区土壤的磁性与磁性矿物学及其环境意义.地球物理学报,2008,51(3):762～769Lu S G ,Bai S Q .M agnetic characterization and mag netic mine ralo gy o f the H ang zho u urba n soils and its envir onmental implications .Chinese J .Geophy s .(in Chinese ),2008,51(3):762～769杭州城区土壤的磁性与磁性矿物学及其环境意义卢升高,白世强浙江大学环境与资源学院,杭州　310029摘　要　对杭州城区四个不同功能区块土壤进行了系统的环境磁学测定,结果表明城市土壤的磁化率平均值为128×10-8m 3·kg -1,频率磁化率平均值3.6%(样品数=182),城市土壤呈现明显的磁性增强.城市土壤的磁化率与频率磁化率呈极显著指数负相关,表明城市土壤磁性增强明显区别于自然成土过程引起的以超顺磁性(SP )颗粒为主的表土磁性增强机理.统计分析表明,城市土壤磁化率与软剩磁和饱和等温剩磁(SI RM )呈显著直线正相关,说明亚铁磁性矿物是城市土壤剩余磁性的主要载体.综合等温剩磁获得曲线、热磁曲线、磁滞回线等岩石磁学测定和SEM /EDX 分析,城市土壤的磁性矿物以磁铁矿和赤铁矿为主,磁性矿物以假单畴-多畴(PSD -M D )颗粒存在,粒度明显大于成土过程形成的磁性颗粒,这些磁性颗粒主要来自燃料燃烧、汽车尾气等环境污染物.因此,城市土壤磁测可作为城市土壤污染监测、污染空间分布和污染物来源判断的新手段.关键词　城市土壤,环境磁学,磁性矿物,岩石磁学文章编号　0001-5733(2008)03-0762-08中图分类号　P318收稿日期2007-04-29,2008-01-28收修定稿基金项目　国家自然科学基金(40771096)和浙江省自然科学基金杰出青年团队项目(R305078)资助.作者简介　卢升高,男,1962年生,教授,博士生导师,主要从事环境磁学与环境生态学方面的研究.E -mail :lu sg @zju .edu .cnMagnetic characterization and magnetic mineralogy of the Hangzhou urban soilsand its environmental implicationsLU Sheng -Gao ,BAI Shi -QiangColleg e o f Environmenta l and Res ou rce S ciences ,Zhejiang University ,Hang zho u 310029,ChinaA bstract A detailed mag netic study of urban soils in H angzhou City ,China ,w as carried out usingcom binedenvironmentalmagnetismandro ckmagnetismtechniques .Mag neticmeasurements show ed that those urban soils have a sig nificant m ag netic enhancement ,w hich were characte rized by hig her magnetic susceptibility (average 128×10-8m 3·kg -1)and mag netic rem anence ,and low frequency -dependent susceptibility (average 3.6%,N =182).Mag netic susceptibility v alues of urban soils show ed hig hly significant neg ative co rrelation w ith frequency -dependent susceptibility ,indicating that the mechanism of the m ag netic enhancem ent of urban soils is different fro m contribution of pedogenic ferrom ag ne tic mine rals in nature soils .Mag netic susceptibility values of urban soils ,on the other hand ,hav e significantly positive co rrelation with So ft IRM (IRM 20mT )and saturation isothe rm remanent mag netization (SIRM ),sugg esting that ferrimag netic mine rals are the main mag netic car riers .The co mbined rock magnetism (acquisition curves o f IRM ,temperature -dependent susceptibility and hysteresis measurem ent )and SEM /EDX (scanning electron micro sco py and energ y dispersive X -ray analy sis )revealed that mag netic mineralog y of urban soils is dominated by magnetite -like and hematite -like phases .The hy ste resis paramete rs sug gested that they a re pre sent mainly in the pseudo -single dom ain (PSD )and　3期卢升高等:杭州城区土壤的磁性与磁性矿物学及其环境意义multidomain(M D)g rains,w hich is attributed to input of anthropo genic m ag netic grains from industrial activity,fuel co mbustio n and traffic po llution.This finding sugg ested that mag netic measurements could be used as po tential too ls for monito ring soil po llution,m apping spatial distribution o f po llution,and differentiating so urces o f po llutants in urban soils.Keywords　Urban soil,Environm ental m ag netism,M agne tic mine ral,Ro ck m ag netism1　引　言城市土壤是各种重金属和有机污染物的“汇”,各种工业过程和人类活动如煤炭燃烧、冶炼、机械制造、汽车尾气等产生的污染物往往富含磁性颗粒,它们以各种方式进入城市土壤和沉积物,导致土壤和沉积物磁性增强.人们发现,人为成因的磁性颗粒往往富含重金属,因此土壤、沉积物和大气颗粒物的磁化率值与重金属元素含量密切相关,磁化率值在一定的环境中可作为这些物质中重金属元素含量的代用指标[1～3].由于磁测方法具有的简单、快速、非破坏性的特点,磁测作为土壤和沉积物重金属污染监测的方法已在国内外得到应用[4～12].如H offmann等[13]通过测定高速公路两侧土壤的磁化率来确定交通污染的分布范围;Chan等[2]和Petrovsky等[3]通过测定海湾和湖泊沉积物的磁性判断污染的来源和程度以及分布规律,在西欧[5,6,9]、东欧[3,4,10,12,14]和中国[15～19]的部分城市和工业区,磁化率已作为监测环境污染的工具,并通过平行测定污染区土壤、沉积物和大气颗粒的磁参数和重金属含量,建立磁性参数-重金属元素之间的定量关系和区域性经验模型,并可利用磁化率监测重金属元素污染范围与程度.可见,利用快速、简便和非破坏性的磁学方法研究环境污染问题已成为环境磁学的重要方向.随着我国城市化和工业化的快速发展,城市土壤和人类的关系显得愈来愈重要,城市土壤污染问题正在影响着城市生态环境质量和人类的健康与安全.因此,阐明城市土壤的重金属污染现状、程度、分布和污染源问题是十分重要的.环境磁学方法具有的样品用量少、灵敏度高、简便快速、非破坏性、费用低等特点,为研究城市土壤的重金属污染问题提供了新途径和新方法.本研究以杭州市城区土壤为例,试图解决下列问题,城市土壤的磁信号有什么特征?城市土壤磁信号的载体是什么?以及城市土壤磁信号的环境意义,为进一步发展磁测技术监测城市土壤重金属污染的时空分布规律、污染程度、污染源判断等问题提供环境磁学新手段.2　材料和方法2.1　研究材料土壤采自浙江省杭州市城区,按城市的功能区块和土地利用类别,分为工业区、交通沿线(铁路、高速公路和主干道路两侧)、居民与商业区、公园与绿地四个区块采集.由于城市土壤受人为因素的强烈影响,对土壤的干扰强烈,每个土壤样品由5～6个采样点多点采集混合而成,共采集表土样品182个.同时,在杭州市东北部采集相同母质的农地表土样品60个供对比.研究区的成土母质为浅海相沉积物,成土母质对土壤磁性的干扰相对较小.2.2　研究方法土样自然风干,过1mm筛供磁测.磁化率采用Barting to n M S2磁化率仪测定,等温剩磁采用英国M olspin脉冲磁化仪和M inispin旋转磁力仪测定,并根据测量结果计算质量磁化率、频率磁化率(χfd,χfd=[χlf-χhf]/χlf×100)、软剩磁(So ft IR M =IR M20mT)、硬剩磁(H ard I RM=S I RM-IR M300mT)、饱和等温剩磁(S I RM=IR M1000mT)等磁性参数以及F300mT(F300mT=IRM300mT/S IRM×100)、S-100mT(S-100mT=[S IR M-I RM-100mT]/[S I RM]×100)等磁性比值参数.上述磁性参数的意义和测定方法可参阅文献[20～22].选取6个典型城市土壤进行详细的岩石磁学研究,其中H2、H6、H10、H78为工业区土壤,分别采自炼油厂、钢铁厂、火电厂和叉车厂厂区,它们的磁化率分别是197×10-8、741×10-8、390×10-8和522×10-8m3·kg-1.H21和H113为交通沿线土壤,采自风起路和登云路,磁化率分别是132×10-8和367×10-8m3·kg-1.磁化率-温度(χ-T)曲线用AG ICO公司生产的KLY-3卡帕桥测量,CS-3作为温度控制系统.磁滞回线用M icro Mag2900型交变梯度磁力仪测量,并计算磁滞参数饱和剩磁(Mrs)、饱和磁化强度(Ms)、矫顽力(H c)和剩磁矫顽力(H cr).岩石磁学测量由中国科学院地质与地763地球物理学报(Chinese J .G eophy s .)51卷　球物理研究所古地磁与年代学实验室完成.磁选的磁性颗粒进行扫描电子显微镜(SEM )观察和电子探针(能谱仪EDX )分析.3　结果与讨论3.1　城市土壤的磁学性质表1表明了城市土壤与郊区农田土壤环境磁学参数的测定结果.结果表明,城市土壤有较高的磁化率值,磁化率变幅在9×10-8～914×10-8m 3·kg -1,平均为128×10-8m 3·kg -1.郊区农地的磁化率变幅在7×10-8～40×10-8m 3·kg -1,平均为17×10-8m 3·kg -1,与该区域同一母质发育的自然土壤磁测结果一致[20].城市土壤不同功能区块的平均磁化率依次为工业区>交通沿线>居民与商业区>公园与绿地区(图1).与磁化率不同,S IR M 不受顺磁性和抗磁性物质的影响,主要由亚铁磁性矿物与不完整反铁磁性物质贡献,而软剩磁IR M 20mT 主要反映亚铁磁性矿物的含量,硬剩磁主要反映不完整反铁磁性物质的贡献.这些与浓度有关的磁性参数值都表现为城市土壤的明显增大,说明工业活动、化石燃料燃烧、汽车尾气等人类活动排放的磁性物质对土壤的磁性增强效应与国内外报道的污染土壤磁化率显著增大的结果一致[4,7～10].表1　城市土壤的环境磁学参数测定结果Table 1　Environmental magnetism parameters of urban soils磁性参数城市土壤(N =182)范围(平均值)标准误差郊区农地(N =60)范围(平均值)标准误差χ/(10-8m 3·kg -1)9～914(128)94.97～40(17)5.3χfd /(%)0.7～11.3(3.6)1.7-①-Soft IR M /(10-3Am 2·kg -1)0.03～64.36(3.95)3.750.01～0.96(0.20)0.10H ard IR M /(10-3Am 2·kg -1)0.11～8.311.500～0.31(0.18)0.06S I RM /(10-3Am 2·k g -1)0.14～254.55(25.62)21.080.38～6.05(1.95)0.75F 300m T /(%)53.5～100(91.1)4.870.3～100(90.2)5.2S -100mT /(%)42.0～100(65.5)7.020.3～68.9(48.0)9.6注:①土壤磁化率比较低,导致χfd 计算误差增大,故不预统计.图1　城市土壤磁化率(χ)与频率磁化率(χfd )的相关性IA -工业区,RS -交通沿线,RC -居民与商业区,PG -公园与绿地.Fig .1　Co rrelatio n between mag netic susceptibility (χ)and frequency -dependent susceptibility (χfd )in ur ban soilsIA -industrial area ,RS -roadside ,RC -residential areas and commercial cen ter ,PG -park s and green recreation areas . 表示土壤中磁性颗粒大小的频率磁化率(χfd )则相反,城市土壤的频率磁化率变幅在0.7%～11.3%,平均为3.6%,这表明城市土壤中磁性矿物含量较高,但超顺磁性颗粒(Superparamag neticg rain ,SP )很少.根据Dearing (1999)[21]提出的应用χfd 半定量估算SP 颗粒浓度的模型,χfd <2%基本没有SP 颗粒,χfd 在2%～10%的样品SP 和粗颗粒混合存在,表明城市土壤磁性颗粒以粗颗粒为主.城市土壤磁化率和频率磁化率的统计分析结果表明(图1),城市土壤的磁化率与频率磁化率之间呈极显著指数负相关,表明城市土壤中的SP 颗粒对磁性的贡献很少.土壤磁学研究表明[20],由沉积母质发育的自然土壤,土壤磁化率值随χfd 增大而增高,因为在成土过程中形成了一定量的超顺磁性颗粒,不同地区黄土-古土壤的磁测也获得类似的规律.说明城市土壤的磁性起源不同于自然土壤,它的高磁化率来自工业污染物质的积累.764　3期卢升高等:杭州城区土壤的磁性与磁性矿物学及其环境意义图2　城市土壤磁化率(χ)与I R M 20mT 和S I RM 的相关性(N =178)统计分析中剔除了超过5倍标准误差的4个异常高值样品.(a )磁化率-I RM 20m T ;(b )磁化率-S IR M .Fig .2　Bi -plo ts o f different magnetic parameter s in urban so ils (N =178)S am ples w ith measu rement values more than five s tandard deviations are not included in the statis tics analysis .(a )M agnetic susceptibility vs IR M 20mT ;(b )M agnetic su sceptibility vs S I RM F 300mT 和S -100mT 比值是反映样品中亚铁磁性矿物(Fe 3O 4或γ-Fe 2O 3)和不完整反铁磁性物质(α-Fe 2O 3或γ-FeOOH )相对比例的参数.城市土壤的F 300mT 平均值达到91%以上,表明经300m T 磁场磁化后,土壤所携剩磁接近饱和,S -100mT 平均值>65%,指示亚铁磁性矿物(如Fe 3O 4)主导了样品的磁性特征,但同时存在不完整反铁磁性物质(如α-Fe 2O 3)的贡献.磁化率与Soft IR M 和S I RM 的高度线性相关(图2),反映了城市土壤磁化率的变化主要受亚铁磁性矿物控制.3.2　城市土壤的磁性矿物学3.2.1　IR M 获得曲线及反向场退磁特征等温剩磁(IRM )获得曲线和饱和等温剩磁在直流磁场中的退磁特征是区分磁性矿物种类的重要参数.典型城市土壤的I RM 获得曲线(图3)表明,城市土壤的IRM 在0～100mT 快速上升,在100mT 磁场下达到饱和值的74%～82%,在300m T 磁场下基本接近饱和,IR M 达到饱和值的95%～98%,表明软磁性的磁性矿物是样品剩余磁性的主要载体.等温剩磁在大于300m T 磁场的继续增加是由于硬磁性的磁性矿物引起的,指示了硬磁性磁性矿物的存在.典型城市土壤的Bcr 则在30～52mT 之间,指示亚铁磁性矿物Fe 3O 4是土壤剩余磁性的主要载体.城市土壤IRM 20mT 与S IR M 的极显著直线正相关关系(S IRM =4.3094Soft IR M +8376.4,R 2=0.944,p <0.01)进一步说明了亚铁磁性矿物Fe 3O 4是土壤剩磁的主要贡献者.根据B ′c r /Bcr 比值(B ′c r 系在正向磁场中样品获得的剩磁为饱和剩磁的一半时的磁感应强度,B cr 系获得饱和剩磁的样品在反向磁场中剩磁降至零时的磁感应强度)区分磁性矿物类型,典型城市土壤的B ′cr /B cr 比在1.25～1.93.据Danke rs 报道[23],各种粒度纯Fe 3O 4的B ′cr /Bcr 值在1.6±0.2,因此,可以认为,城市土壤中Fe 3O 4占主导地位,而样品中的赤铁矿增大Bcr 值,从而导致B ′cr /Bcr 值降低.由于工业过程形成的Fe 3O 4成分复杂,多发生金属离子的同晶替换作用,导致图3　典型城市土壤的等温剩磁(I RM )获得曲线和矫顽力谱(Bcr 为剩磁矫顽力)Fig .3　I RM acquisitio n curv es and co ercivity spectra o f I RM of ty pica l urban soil samples (Bcr -r ema nent coerciv e for ce ).765地球物理学报(Chinese J.G eophy s.)51卷　Fe3O4的Bcr值偏高.3.2.2　χ-T曲线热磁分析广泛用于测定铁磁性矿物的居里点,用于区分磁性矿物相[7,8,13,16].典型城市土壤样品的磁化率-温度(χ-T)曲线见图4.χ-T曲线在270℃～290℃之间形成一个小隆起,在400℃后磁化率明显增大,χ-T曲线在500℃附近形成峰值,随后迅速降低,在580℃接近零,呈现出磁铁矿的居里温度(Tc),说明样品的主要磁性矿物是磁铁矿.400℃～500℃之间的磁化率升高主要是由含铁硅酸盐矿物或粘土矿物在高温下分解形成铁磁性矿物形成的[24].270℃～290℃之间的小隆起可能是磁赤铁矿转变为赤铁矿引起的[25].样品的冷却曲线基本一致,样品在冷却至580℃时磁化率急剧上升,至图4　典型城市土壤的磁化率-温度(χ-T)曲线实线和虚线分别代表加热和冷却过程Fig.4　M agnetic susceptibility v s.temperature curve s(χ-T)fo r ty pica l urban soil samplesT hick lin e rep resents heating run and thin line cooling run.图5　典型城市土壤的磁滞回线Ms-饱和磁化强度,Mr s-饱和剩磁,Bc-矫顽力,B cr-剩磁矫顽力.Fig.5　Hy steresis loops of ty pica l urban soil samples Ms-saturation magnetiz ation,Mrs-satu rationremanen t magnetization,Bc-coercive force,B cr-coercivity of remanence.500℃附近达到最高值.3.2.3　磁滞回线典型城市土壤的磁滞回线见图5,样品在200mT 左右形成闭合的磁滞回线,表明低矫顽力的磁性矿物(磁铁矿)主导了它们的磁滞行为.根据磁滞回线计算饱和剩余磁化强度(M rs)、饱和磁化强度(Ms)、剩磁矫顽力(Bcr)和矫顽力(Bc)参数,磁滞参数比反映了磁性矿物的粒度特征[26,27],典型城市土壤的M rs/Ms在0.078～0.140范围,B cr/Bc在2.538～3.855范围,在以Bcr/Bc为横坐标,Mrs/M s为纵坐标作成的Day[26]图上(图6),城市土壤样品位于图6　典型城市土壤的Bcr/Bc-Mrs/Ms图SD-稳定单畴,PSD-假单畴,M D-多畴.Fig.6　Plot of Bcr/Bc-Mrs/M s for typical urban soil samplesSD-s ingl e domain,PSD-ps eudo-single domain,M D-multidomain.766　3期卢升高等:杭州城区土壤的磁性与磁性矿物学及其环境意义假单畴(PSD)区内,且明显接近多畴(MD)区域,表明城市土壤的磁性矿物颗粒较粗,为PSD-M D颗粒.值得指出的是Day图所示的颗粒度解释比较复杂[27],对于0.02≤Mrs/Ms≤0.5,1≤Bcr/Bc≤5的样品,可能为PSD/SD/M D的混合物.工业区土壤的Mrs/Ms为0.08～0.11,Bcr/Bc为3.16～3.86.交通沿线土壤的Mrs/Ms在0.11～0.14,Bcr/Bc在2.54～3.47.3.2.4　SEM/EDX城市土壤磁性颗粒的扫描电子显微镜(SEM)观察表明,城市土壤的磁性物质中有球粒状颗粒,这些球粒状颗粒表面光滑完整,颗粒大小为10～30μm,系化石燃料高温燃烧过程形成的特有结构,图7是典型工业区土壤的SEM图.球粒状颗粒的电子探针(EDX)分析揭示磁性颗粒主要由Fe、Si、S等元素组成,并含有微量Cd、Cu、Zn、Pb等重金属元素.工业区土壤中磁性颗粒的表面形态和化学组成与煤炭燃烧产生的飞灰中提取的磁性颗粒有高度的相似性(图7c).飞灰中的磁性颗粒为圆球状,颗粒大小在10～100μm,表面粘附1～6μm的小圆球.综合等温剩磁(IR M)获得曲线、χ-T曲线、磁滞回线、SEM/EDX分析表明,城市土壤的主要磁性矿物是磁铁矿和赤铁矿,它们以PSD和M D颗粒存在. 3.3　城市土壤磁性与磁性矿物学的环境意义土壤磁性主要取决于成土母质、成土过程、气候以及人类活动等因素.由于研究区的成土母质为浅海相沉积物,经受强烈的搬迁和还原过程,母质中的磁性矿物含量很低,成土过程对土壤磁性的增强作用微弱,自然土壤的磁化率在10×10-8～40×10-8m3·kg-1之间[20].测定的杭州郊区农地土壤磁化率平均值为17×10-8m3·kg-1(表1),与相同母质上发育的自然土壤磁化率一致.杭州城区不同功能区块与郊区农地相比,平均磁化率值分别增加18.8、10.5、5.9和4.9倍,表明城区土壤由于受到工业和人类活动图7　典型城市土壤和飞灰中磁性颗粒的扫描电镜(SEM)(左)和电子探针(EDX)(右)图谱Fig.7　Scanning e lectro n microscopy(SEM)imag es(lef t)and energ y-dispe rsive X-ray(EDX)spectra(rig ht) of mag netic par ticles fro m representative urban soil and fly ash767地球物理学报(Chinese J.G eophy s.)51卷　的影响,土壤磁性显著增强,这种磁性增强是由于各种环境污染物中的磁性物质输入引起的,这些磁性物质主要来源于工业生产、化石燃料燃烧、汽车尾气等人类活动,这些污染物中含有大量的磁性颗粒,导致城市土壤发生重金属污染的同时,伴随磁化率的显著增强.研究发现[10,14,15,25,28],化石燃料燃烧产生的飞灰和汽车尾气样品中大多数金属元素都与铁锰氧化物有关.土壤氧化铁的研究[29]也证明重金属元素可通过两种途径与磁性矿物发生作用,一是表面吸附作用,氧化铁矿物对Cu、Zn、Pb、Zn等元素有强烈的吸附能力,二是通过同晶替换作用进入氧化铁矿物的晶格结构中.因此,土壤中的重金属元素多与氧化铁矿物共存,这也是为什么反映氧化铁矿物类型、浓度和颗粒特征的磁性参数指示重金属元素含量的机理.杭州城市土壤的磁测表明,在均质母质和低本底磁化率值的区域,城市土壤磁性的高低与土壤污染程度存在一定的相关性,高磁化率值可作为土壤潜在重金属污染的判断依据.统计分析表明[30],城市土壤的磁化率、ARM、IRM20mT和S IR M与土壤的重金属含量具有极显著的直线正相关.初步认为磁化率>100×10-8m3·kg-1,频率磁化率<3%可作为杭州城市土壤污染的判断依据.城市土壤磁性矿物的岩石磁学研究将进一步阐明磁性起源,追踪土壤污染成因.杭州城市土壤磁性矿物的粒度特征表明磁性颗粒为假单畴-多畴颗粒,明显区别于自然成土过程形成的以超顺磁性(SP)颗粒为主的磁性矿物.我们的土壤磁测证明[20],在成土过程中形成了超顺磁性颗粒,土壤磁性的高低取决于成土过程形成的SP颗粒的数量,表现为磁化率随χfd的增大而增强,磁化率与χfd的关系模式是区分自然成因和人为成因磁性矿物的依据.表明城市土壤的磁性矿物类型和粒度特征系人为起源的,与工业活动和煤炭燃烧排放的飞灰一致.这些结果与欧洲城市土壤和工业污染区土壤磁性特征的研究一致[4,10,14,25],表明磁性颗粒的起源是化石燃料燃烧过程排放引起的.关于飞灰中磁铁矿和赤铁矿的形成已由许多学者证明[25,27],磁铁矿是高温下煤中的FeS与熔融的硅酸盐反应而成,它们随烟尘、灰尘进入环境中.Kapicka等[14]指出,煤炭燃烧过程中产生的Fe3O4和α-Fe2O3是大气颗粒物磁性的主要贡献者,粉煤灰的Fe3O4含量可达500～1000mg·kg-1,高的可达16000mg·kg-1.对受到燃煤粉尘污染的土壤磁测证明,煤炭燃烧和其他工业过程产生的磁性颗粒多以MD颗粒存在,χfd接近和小于2%.可以预期,城市土壤磁测可以区分其磁性矿物的成因,进而判断污染物来源、污染程度和空间分布.因此,城市土壤的环境磁性参数和岩石磁学分析可作为城市土壤重金属污染监测、空间分布和污染物来源判断的新手段.4　结　论环境磁学测定表明杭州城区城市土壤的磁性明显增强,城市土壤的磁化率与频率磁化率呈极显著指数负相关.等温剩磁获得曲线、χ-T曲线、磁滞回线等岩石磁学测定和SEM/EDX分析证明,城市土壤的磁性矿物以磁铁矿和赤铁矿为主,磁性矿物以多畴-假单畴(M D-PSD)颗粒存在,粗粒磁铁矿是城市土壤磁性的主要载体,表明城市土壤磁性增强是由工业活动、燃料燃烧、汽车尾气等环境污染物中的磁性颗粒引起的.结果表明城市土壤磁测可作为城市土壤污染监测、污染空间分布和污染物来源判断的新手段.参考文献(References)[1]　Beckwith P R,Ellis J B,Revitt D M,et 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hinese),2004,47:282～288[17]　张春霞,黄宝春,李震宇等.高速公路附近树叶的磁学性质及其对环境污染的指示意义.科学通报,2006,51:1459～1468 Zhang C X,Huang B C,Li Z Y,et al.M agnetic properties of high road-side pine tree leaves in Beijin g and theirenvironmental significan ce.Ch inese S ci.B ull.,51:3041～3052[18]　Lu S G,Bai S Q,Xue Q F.M agnetic properties as indicatorsof heavy metals pollu tion in u rban topsoils:a case study fromthe city of Luoyang,China.Geop hys.J.Inter.,2007,171:568～580[19]　Yang T,Liu Q S,C han L S,et al.M agn etic inves tigation ofheavy metals con tamination in urban tops oils around the EastLake,Wuhan,China.Geophys.J.Inter.,2007,171:603～612 [20]　卢升高著.中国土壤磁性与环境.北京:高等教育出版社,2003,240 Lu S G.Chinese S oil M agnetis m and Environment(in Chinese).Beijing:High er Education P ress,2003,240 [21]　Dearing J A.Environmental magnetic susceptibility,usingthe Bartington M S2sys tem.Second edition,England:ChiPublis hing,1999[22]　M aher B A.M agnetic p roperties of m odern soil andQuaternary loessic paleosols:paleoclimatic 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Shan H D,Lu S G.M in eral m agnetism of pow er-plan t fly ash and its environmental im plication.Acta Minera logicaS inica(in C hinese),2005,25:141～146[29]　Cornell R,Schw ertmann U.T he Iron Oxides.S tructure,Properties,Reactions,Occurrence and Uses.Verlagsges-ellschaft:VC H,1996.[30]　Lu S G,Bai S Q.S tudy on th e correlation of magneticproperties and heavy metals con tent in u rban soils ofHangzhou City,China.J.Ap pl.Geophys.,2006,60:1～12(本文编辑　胡素芳)769。

粒度 (2)1 粒度的概念 (2)2 粒级的划分 (2)3 碎屑颗粒形状 (2)4 粒度分析 (2)色度 (8)1 红度a和黄度b (8)2 亮度L (9)粒度粒度分析在判定沉积物来源及输运方式( 悬移、跃移和推移)、区分沉积环境、判别水动力条件和分析粒径趋势等方面具有重要作用, 沉积物粒度分布是物质来源、沉积区水动力环境、输移能力和输移路线的综合反映。

卢连战, 史正涛.沉积物粒度参数内涵及计算方法的解析.环境科学与管理,2010,6(35):54-601 粒度的概念粒度是指碎屑颗粒的大小。

2 粒级的划分砾与砂的转折点在2mm处，砂与粉砂的界限放在0.1mm，粉砂与粘土的界限十进制为0.005mm，2的几何级数制为小于0.0039 3 碎屑颗粒形状球度：球度是一个定量参数，用它来度量一个颗粒接近于球体的程度。

球状颗粒不仅比其他形状的颗粒更容易滚动，而且由于其单位体积表面积最小，所以比其他颗粒沉降的更快。

圆度：指碎屑颗粒的原始棱角被磨圆的程度。

在河流环境中砾石的磨圆度随着粒度的增大而增高。

4 粒度分析（1）粒度资料图直方图和频率曲线：直方图横坐标代表颗粒直径值，纵坐标是算数百分比；各长方形底边长度代表粒度区间，高代表每种粒度的频数。

将脂肪图各方块顶边中点连接起来而成的圆滑曲线就是频率曲线图。

有单峰（沉积物粒度分选极好）、双峰（沉积物粒度分布较宽，峰所在粒级的重量百分比并不高）和多峰（分选性更差）。

累积曲线：用累积重量百分比做成的图。

由粗粒级开始进行累积的图总是构成“S”形，分选性好的曲线很陡，分选性差的图比较平缓。

概率累积曲线：仍然用累积重量百分比作图。

横坐标仍为粒径（φ值），而纵坐标改用概率百分数标度。

概率坐标不是等间距的，而是以中央50%处为对称中心，向上、下两端相应地逐渐加大，这样可将粗、细尾部放大，并清楚地表示出来。

粗切点：表示能跳跃的最粗颗粒（水动力强则粗切点左移）；细切点：表示能悬浮的最粗颗粒。

稀土材料的磁性与磁体应用研究1. 引言稀土材料具有独特的磁性，其中一些稀土材料具有非常高的磁性，因此广泛应用于磁体领域。

磁性是稀土材料在磁场下的行为，它是由电子自旋和轨道角动量所造成的相互作用而产生的。

因此，研究稀土材料的磁性对于深入了解其磁体应用具有重要意义。

2. 稀土材料的磁性2.1 稀土元素的磁性稀土元素中的一些元素具有高自发磁化强度，如钕、铽等。

这些元素在磁场中表现出强烈的磁性。

钕铁硼合金是一种应用广泛的磁体材料，它由稀土元素钕和铁、硼组成。

这种合金具有高磁能积和高矫顽力，因此在电机、计算机硬盘等领域中有着广泛的应用。

2.2 稀土化合物的磁性除了纯稀土元素外，稀土化合物也具有磁性。

例如，稀土永磁体是一类具有高矫顽力和高自发磁化强度的磁性材料。

稀土化合物在磁工业中的应用是基于它们的磁性。

由于稀土化合物具有丰富的电子结构和磁性相互作用，因此研究稀土化合物的磁性对于开发新的磁体材料具有重要意义。

3. 稀土材料的磁体应用3.1 钕铁硼磁体钕铁硼磁体是一种具有高磁能积和高矫顽力的磁体材料。

它由稀土元素钕、铁、硼等组成。

钕铁硼磁体广泛应用于电机、传感器、声音器件等领域。

它具有高矫顽力和良好的耐腐蚀性，因此在恶劣环境下仍能保持良好的磁性能。

3.2 稀土永磁体稀土永磁体是一种具有高自发磁化强度和高矫顽力的磁体材料。

它由稀土元素和过渡金属组成。

稀土永磁体具有优异的磁性能，因此被广泛应用于电机、发电机、磁力传感器等高性能设备中。

稀土永磁体的应用带动了现代电力技术的发展，对于提高设备效率和节能减排具有重要意义。

4. 稀土材料与磁体应用研究的挑战4.1 资源问题稀土元素是地球上非常有限的资源，其中一些稀土元素的供应受到严格限制。

因此，稀土材料的开发和利用受到了资源问题的制约。

为了解决这个问题，需要研究新的替代材料或者开发高效的稀土材料回收技术。

4.2 技术问题研究稀土材料的磁性与磁体应用还存在一些技术问题。

例如，稀土材料的制备和加工技术需要进一步提高，以满足应用需求。

上海金山区和崇明区表层土壤分析毕业名师（完整版）资料(可以直接使用，可编辑优秀版资料，欢迎下载）目录摘要 (5)ABSTRACT (6)第一章绪论 (8)1城市土壤 (8)1.2土壤中的重金属 (11) (11) (13) (14)1.3环境磁学 (16) (16) (17) (18)1.4研究目的与意义 (20)1.5研究内容 (22)第二章材料与方法 (24)2.1样品的采集和预处理 (24)采样情况 (24) (30)2.1样品磁化率测定 (30) (30) (30)2.3土壤样品消解 (30) (30) (31) (31)2.4重金属元素含量测定 (32)2.5邻菲罗啉测铁 (33) (33) (33)第三章结果与讨论 (34)3.1上海市郊区表土重金属含量 (34)3.2郊区表土重金属污染评价 (43)3.3重金属含量与磁化率的相关性 (45)第四章结论与展望 (58)4.1结论 (58)4.2展望 (59)致谢 (61)参考文献 (62)附录 (66)英文文献原文 (66)英文文献翻译 (67)摘要在上海金山区和崇明区区不同路段（交通道路，工业区，农业区）采集表土（0-5cm）样品,测试磁化率和各种重金属污染元素（Fe，Cu，Zn，Pb，Cd，Cr，Mn）的含量。

上海金山区与崇明区土壤重金属污染情况存在一定差异，采用单因子指数指示法表明明两区均为Cd重度污染区域，金山区表土可区分为农业区、工业区和马路绿地，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Mn的含量平均值分别为：45.79 mg/kg、245.98 mg/kg、8.88 mg/kg、2.63 mg/kg、61.04 mg/kg、0.6g/kg；37.85 mg/kg、274.59 mg/kg、10.94 mg/kg、3.30 mg/kg、79.96 mg/kg、0.75g/kg；40.34 mg/kg、108.14 mg/kg、8.03 mg/kg、2.80 mg/kg、63.56 mg/kg、0.71g/kg崇明区表土可区分为农业区和马路绿地，Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Mn的平均含量分别为：33.16 mg/kg、98.09 mg/kg、5.84 mg/kg、1.64 mg/kg、54.44 mg/kg、0.64 g/kg；34.44 mg/kg、119.79 mg/kg、4.97 mg/kg、1.65 mg/kg、47.82 mg/kg、0.62 g/kg.采用内梅罗指数法分析结果表明金山区和崇明区均为土壤重度污染区。

环境磁学与土壤重金属科研计划书编号：_______________________一、项目背景与意义a. 研究目的① 环境磁学是一项新兴的研究领域，利用磁性物质的特性分析土壤污染情况。

② 土壤重金属污染对生态环境及人类健康造成严重威胁，亟需深入研究其成因与影响。

③ 通过本研究，旨在探索环境磁学技术在重金属污染监测中的应用。

④ 本项目将为治理土壤污染提供科学依据与技术支持。

b. 研究现状① 目前，国内外对土壤重金属污染的研究已有一定基础，但仍缺乏综合性研究。

② 环境磁学在土壤污染监测中的应用逐渐受到关注，但系统性研究较少。

③ 通过文献回顾，发现多数研究集中在单一重金属的检测，缺乏整体性分析。

④ 本项目将填补这一研究空白，推动相关领域的发展。

c. 项目意义① 通过研究可提高对土壤重金属污染的认知，促进环境保护。

② 为政府和企业提供数据支持，帮助制定土壤污染治理政策。

③ 研究结果有助于提升公众对土壤环境的关注度。

④ 促进环境科学与技术的融合发展，推动相关学科的交叉研究。

二、研究内容与方法a. 研究内容① 项目将分析不同土壤类型中重金属的分布与浓度。

② 结合环境磁学手段，研究磁性特征与重金属污染的关系。

③ 评估不同环境条件对土壤重金属污染的影响。

④ 开展案例研究，探讨治理措施的有效性。

b. 研究方法① 采用采样与分析相结合的方法，确保数据的准确性与代表性。

② 利用磁性测量仪器，分析土壤样本中的磁性物质。

③ 结合统计学方法，对实验数据进行深入分析。

④ 通过模型模拟，探讨不同治理措施的效果。

c. 研究计划① 项目分为前期准备、现场采样、数据分析及结果评估四个阶段。

② 前期准备包括文献调研、实验设计与设备采购。

③ 现场采样阶段将覆盖多个区域，确保样本的多样性。

④ 数据分析与结果评估阶段将通过定量与定性分析相结合，确保结果的科学性。

三、保密条款a. 保密义务① 双方应对在项目执行过程中获取的所有数据和信息保密。

城市降尘磁性特征对比及其环境意义王博;夏敦胜;余晔;贾佳;田世丽【期刊名称】《兰州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(046)006【摘要】城市降尘中亚铁磁性矿物的浓度较高,且以MD颗粒的磁铁矿为主,反铁磁性矿物和顺磁性矿物浓度低.花岗岩中亚铁磁性矿物(MD颗粒的磁铁矿)和反铁磁性矿物的浓度高,顺磁性颗粒浓度低.黄土中磁性矿物包括磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿,且浓度低,顺磁性矿物浓度相对较高.古土壤中磁性矿物浓度稍高于黄土样品,晶体粒径细,SP颗粒含量高.研究表明城市降尘具有独特的磁学特征,环境磁学可以通过磁性矿物浓度、种类以及磁晶粒度定性和半定量地指示城市降尘污染.【总页数】7页(P11-17)【作者】王博;夏敦胜;余晔;贾佳;田世丽【作者单位】兰州大学,西部环境教育部重点实验室,兰州,730000;兰州大学,西部环境教育部重点实验室,兰州,730000;中国科学院,寒区旱区环境与工程研究所,兰州,730000;中国科学院,寒区旱区环境与工程研究所,兰州,730000;兰州大学,西部环境教育部重点实验室,兰州,730000;中国科学院,寒区旱区环境与工程研究所,兰州,730000【正文语种】中文【中图分类】X513【相关文献】1.漳州市城市绿地表土磁性特征及其环境意义 [J], 吕敏;余明;陈秀玲;贾丽敏2.天山黄土区与黄土高原表土磁性特征对比及环境意义 [J], 郭雪莲;刘秀铭;吕镔;汤德平;毛学刚;陈家胜;陈晓耀3.杭州城区土壤的磁性与磁性矿物学及其环境意义 [J], 卢升高;白世强4.城市交通绿地土壤磁性的空间变异特征及其环境意义 [J], 孙于然; 柳云龙; 陈诚; 冯瑶5.城市道路尘埃的磁性特征及其环境意义 [J], 刘振东;杨凌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

浙教版八年级下册科学知识点归纳第一章电与磁一、磁现象：1、磁性：能够吸引铁、钴、镍等物质的性质2、磁体：具有磁性的物质〔磁铁：铁质的磁体〕3、磁极：定义：磁体上磁性最强的局部叫磁极，任何磁体都有两个磁极。

种类：如果磁体能自由转动，指南的磁极叫南极〔S〕，指北的磁极叫北极〔N〕相互作用规律：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。

4、磁化：①定义：使原来没有磁性的物体得到磁性的过程。

磁铁吸引铁钉的原因是因为铁钉被磁化后，铁钉与磁铁的接触局部间形成异名磁极，异名磁极相互吸引的结果。

②钢和软铁的磁化：软铁被磁化后，磁性容易消失，称为软磁材料。

钢被磁化后，磁性能长期保持，称为硬磁性材料。

所以制造永磁体使用钢，制造电磁铁的铁芯使用软铁。

二、磁场：1、定义：磁体周围存在着的物质，它是一种看不见、摸不着的特殊物质。

磁场看不见、摸不着我们可以根据它所产生的作用来认识它。

这里使用的是转换法。

2、根本性质：磁场对放入其中的磁体产生力的作用，磁极间的相互作用是通过磁场而发生的。

3、方向规定：小磁针静止时北极所指的方向就是该点磁场的方向。

4、磁感线：在磁场中一些带箭头的曲线。

①方向：磁体周围的磁感线都是从磁体的北极出来，回到磁体的南极。

②说明：A、磁感线是为了直观、形象地描述磁场而引入的曲线，不是客观存在的。

B、用磁感线描述磁场的方法叫模型法。

C、磁感线是封闭的曲线。

D、磁感线立体的分布在磁体周围，而不是平面的。

E、磁感线不相交。

F、磁感线的疏密程度表示磁场的强弱。

③熟练掌握条形磁铁磁感线的画法。

三、地磁场：①定义：在地球产生的磁场，磁针指南北是因为受到地磁场的作用。

②磁极：地磁北极在地理南极附近，地磁南极在地理北极附近。

③磁偏角：首先由我国宋代的括发现，地磁南北极与地理南北极不重合。

四、电生磁：1.奥斯特实验：通电导线的周围存在磁场，称为电流的磁效应。

直线电流周围的磁感线是环绕导线的同心圆，距离直线电流越近，磁场越强。

2.通电螺线管的磁场：通电螺线管的磁场和条形磁铁的磁场很相似。