福建三明地区被污染土壤的磁学性质及其环境意义_琚宜太
Ju Y T ,Wang S H ,Zhang Q P ,et al .Mineral magnetic properties of polluted topsoils :a case study in Sanming city ,Fujian province ,s outheast China .Chines e J .G eo phys .(in Chinese ),2004,47(2):282～288
福建三明地区被污染土壤的磁学性质及其环境意义
琚宜太
1,2
王少怀1 张庆鹏1 旺 罗2 邓成龙
2＊
1中国冶金地质勘查工程总局二局,福州 3500012中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029
摘 要 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.
关键词 被污染表土研究 岩石磁学 环境磁学 福建三明
文章编号 0001-5733(2004)02-0282-07 中图分类号 P318 收稿日期 2003-04-24,2003-12-03收修定稿
MINERAL MAGNETIC PROPERTIES OF POLLUT ED T OPSOILS :A CASE ST UDY
IN SANMING CITY ,FUJIAN PROVINCE ,S OUTHEAST CHINA
JU Yi -Tai
1,2
W ANG Shao -Huai 1 ZHANG Qing -Peng 1 WANG Luo 2 DE NG Cheng -Long
2
1Se co nd Bu re au of Ch ina Exp lo ra tio n a nd En gin eer ing Bur eau ,Fu zh ou 350001,Ch ina 2In sti tute of Ge ol og y an d G eo p hysi cs ,C hin es e Ac ad emy of Sci enc es ,Beiji ng 100029,C hin a
A bstract We have c onducted mineral magnetic investigations of polluted topsoil samples ,which wer e collect -ed in the vicinity of a steel plant and a power plant in Sanming City ,Fujian Province ,southeast China .Our analyses include the temperature -dependence of ma gnetic susceptibility ,hysteresis loops and isother mal rema -nent magnetization acquisition curves .High -temperature susceptibility measurements suggest that magnetite ,
hematite and pyrrhotite exist in the polluted topsoil samples .All the samples show multidomain or multidomain -like magnetic grain -sizes .For the sa mples with significantly high susceptibility (χ)and low fre -quency -dependent susceptibility (χfd ),χand χfd measurements can be used as an effective method for detect -ing the polluted topsoils .For the samples with relatively low χand high χfd ,the presence of ferrimagnetic iron sulphide can serve as a potential pollution indicator in the case that an origin from bedrock weathering has been excluded .We further suggest that mineral magnetic measurements can contribute a better and more complete understanding of the pollution pr ocesses for industrially -polluted topsoils .
Key words Polluted topsoil ,Mineral magnetism ,Environmental magnetism ,Sanming city .
基金项目 中国科学院知识创新工程项目(KZCX2-303)和国家自然科学基金委员会创新研究群体项目(40221402)资助.
作者简介 琚宜太,男,1970年生,1996年于长春地质学院地质系获矿床学专业硕士学位,现为中国科学院地质与地球物理研究所博士研究
生.主要从事岩石学与大地构造学方面的研究.E -mail :j yt71@sohu .c om
＊
通讯作者 邓成龙,男,1971年生,2000年于中国科学院地质与地球物理研究所获地质学专业博士学位,主要从事岩石磁学与环境磁学方面的
研究.E -mail :cldeng @mail .igcas .ac .cn
第47卷第2期
2004年3月
地球物理学报
CHINESE JOUR NAL
OF
GEOPHYSICS
Vol .47,No .2
Mar .,2004
1 引 言
钢铁生产、金属冶炼和火力发电等是工业化社会不可缺少的生产活动,其间产生的降尘含有多种重金属元素,是其周围环境的一个重要污染源.这种降尘同时也富含磁性颗粒,导致其沉降的表土发生重金属污染的同时,常常伴随显著的磁化率增强[1]
.20世纪80年代以来,人们越来越意识到土壤污染问题会严重影响社会发展和人类生存环境.利用土壤磁学性质和重金属的关系进行重金属污染调查是目前国际上正在兴起的一种有效手段[2～4]
.其中,磁化率测量作为一种简单、廉价而又便捷的检测污染土壤的方法,已经在国内外得到了广泛应用[5～9]
.可是,一方面,人们还很少对污染土壤进行详细的岩石磁学研究;另一方面,并非所有被污染的土壤都显示磁化率增强,多参数的岩石磁学研究能提供土壤可能被污染的信息.本文选择福建三明地区某钢铁厂和火电厂附近被显著污染的表土为研究对象,通过多种岩石磁学手段阐明其岩石磁学性质,提取可能显示污染特征的岩石磁学信息.
2 材料与方法
研究区(图1)位于中国东南沿海丘陵地带,区
内的表土大部分已被污染.在40km ×40km 的区域内采集了50个表土样品,火电厂和钢铁厂附近采样密度稍大,其他区域采样密度较稀.大部分样品在火电厂和钢铁厂附近的山坡上采集,一部分样品来自附近的农田.样品的磁化率用英制Bartington 磁化率仪测量.本文选择污染较重的4个表土样品(见图1)做详细的岩石磁学研究,其中样品N5和N26具有较高的初始磁化率,分别为584×10
-8
m 3
kg 和543×10-8
m 3
kg ;而样品N34和N35的初始
磁化率很低,分别为21×10-8m 3
kg 和41×10-8
m 3
kg .在实验室测定这些样品的磁化率(χ)随温度(T )变化曲线(χ-T )、磁滞回线和等温剩磁(IR M )获得曲线.χ-T 曲线用捷克AGICO 公司生产的KLY -3卡帕桥测量,CS -3作为温度控制系统,温度传感器为CS TE MPM1,精度为±2℃,在氩气环境中加热,加热速率为9℃ min .磁滞参数(包括饱和剩磁M rs 、饱和磁化强度M s 、矫顽力B c 、剩磁矫顽力B cr )和等温剩磁获得曲线用美国普林斯顿仪器公司
生产的MicroMag 2900型变梯度磁力仪测量.每个
样品首先在±1.5T 的循环磁场中测得磁滞回线,再
经过顺磁校正后确定其饱和剩磁M rs 、饱和磁化强度M s 和矫顽力B c ;然后,该样品在最大值为250mT 的交变磁场中退磁,并在0～1.5T 的直流磁场中获得等温剩磁;最后,将该样品置于0～-1.5T 的反向直流磁场中逐步退磁以获得其剩磁矫顽力B cr 值.上述所有岩石磁学实验在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁学实验室完成.
图1 福建三明地区某钢铁厂(实心圆圈)和火电厂(实心
三角形)附近污染表土磁化率的等值线图
λE 为经度,φN 为纬度;
钢铁厂和火电厂为两个明显的污染中心;五角星表示本文做岩石磁学测试的样品.
Fig .1 Spatial distribution of magnetic susceptibilities of the
industrially -polluted topsoils in the Sanmin g area
Solid circle and triangle res pectively repres ent steel and power plants ,which indicate t wo pollution centers .Stars s how the sa mples selected
for mineral magnetic measurements .
3 岩石磁学性质
3.1 χ-T 曲线
图2给出了研究区典型的被严重污染的表土的χ-T 曲线.其中,样品N5的χ-T 曲线先在590℃附
近出现急剧转折,显示出磁铁矿的居里温度,然后较为缓慢下降至670℃附近再次出现转折(见图2a 中的插图),并且磁化率下降至几乎为零.这些特征说明,该样品的主要磁性矿物为磁铁矿和赤铁矿,而前者是磁化率的最主要贡献者.样品N26和N34的χ-T 曲线都在590℃附近出现急剧转折(图2b ,c ),
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2期 琚宜太等:福建三明地区被污染土壤的磁学性质及其环境意义
显示出磁铁矿的居里温度,说明这两个样品中磁铁矿是对磁化率做出主要贡献的磁性矿物.样品N35的χ-T 曲线从500℃左右开始快速下降,到620℃附
近出现转折,并在680℃左右磁化率下降至几乎为
零(图2d ),这些特征说明,该样品的主要磁性矿物为部分氧化的磁铁矿(或磁赤铁矿)和赤铁矿,而前者是磁化率的最主要贡献者,赤铁矿由于其磁化率很低,在χ-T 曲线上的特征不甚明显
.
图2 典型污染表土样品的磁化率-温度(χ-T )曲线
实线和点线分别表示加热和冷却过程;(a )中的插图表示样品N5在600～700℃之间的加热曲线.
Fig .2 Temperature -dependent susceptibility measurements for typical polluted tops oil samples .
Solid (dotted )lines represent heating (cooling )curves .The ins et in (a )shows the heating curve of sample N5between 600℃and 700℃.
样品N5(图2a )在400℃以下磁化率基本不变,χ-T 曲线平缓,但在400℃以后磁化率明显升高,χ-T 曲线在400～590℃之间形成一个明显的隆起,磁化率峰值出现在500℃左右.这里磁化率在400～500℃之间逐渐升高主要是由含铁硅酸盐矿物或粘土矿物在高温下分解生成亚铁磁性磁铁矿形成的
[10～14]
.样品N26的磁化率在250℃以下缓慢升
高,其加热曲线在250℃呈现微弱的峰值,然后磁化率逐渐下降,在250～500℃之间形成一个微弱的、宽缓的U 形(图2b ).该样品的加热曲线在室温至250℃之间磁化率随着温度升高而微弱增强可能是由于纤铁矿脱水转化为磁赤铁矿造成的(γFeOOH ※αFe 2O 3)[15]
.
样品N34的磁化率从室温至230℃基本不变,
χ-T 曲线平缓.从230℃开始,磁化率急剧升高,在280℃达到峰值,然后磁化率较为缓慢地下降至450℃后又逐渐上升,在570℃左右达到另一个峰值后急剧下降(图2c ).该样品从230℃左右开始急剧
升高的磁化率可能起因于磁黄铁矿的λ转换[16～18]
,即反铁磁性的磁黄铁矿(Fe 9S 10)受热分解形成亚铁磁性的磁黄铁矿(Fe 7S 8).此外,类似于样品N26,加热曲线上570℃附近的峰值主要是由于含铁硅酸盐矿物或粘土矿物在高温下分解生成亚铁磁性磁铁矿形成的
[12～14]
.
样品N5,N26和N34冷却曲线都明显位于加热曲线的上方,而且都呈现出磁铁矿的冷却曲线,说明热处理过程中新生成的强磁性矿物主要是磁铁矿(图2(a ～c )).而样品N35(图2d )的冷却曲线在
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地球物理学报(Chinese J .Geophys .) 47卷
300～700℃之间与加热曲线几乎可逆,在300℃以下,冷却曲线稍位于加热曲线的上方,热处理前后磁化率变化不大.3.2 等温剩磁获得曲线和饱和等温剩磁在直流磁
场中的退磁特征
等温剩磁(IR M )获得曲线和饱和等温剩磁在直流磁场中的退磁特征是识别磁性矿物种类的重要参数[14,16,19].在最大强度为1.5T 的连续可变外磁场下得出的IRM 获得曲线(图3)表明,样品在100mT 下达到饱和值的65%～81%,在300mT 达到饱和值的86%～91%,表明低矫顽力的磁性矿物是样品剩余
磁性的主要载体.结合χ-T 曲线的特征,可以确定样品N5、N26、N34和N35所含的低矫顽力的磁性矿物主要是磁铁矿或部分氧化的磁铁矿.等温剩磁在大于300mT 后的继续增加是由一些高矫顽力磁性矿物引起的,本文研究的样品直到使用最大场强(1.5T )时还明显没有达到饱和(尤其是样品N5和N35),指示了高矫顽力磁性矿物的存在,结合χ-T 曲线的特征,可以确定样品N5和N35所含的高矫顽力磁性矿物为赤铁矿,样品N34中的磁黄铁矿也是一种矫顽力较高的磁性矿物,但不能确定样品N26含有何种高矫顽力的磁性矿物
.
图3 典型污染表土样品的等温剩磁(IRM )获得曲线和矫顽力谱
B 为磁感应强度;B ′cr 为剩磁获得矫顽力;
B cr 为剩磁矫顽力.Fig .3 IRM acquisition curves and coercivity spectra of IRM for representative polluted topsoil samples
B ,magnetic induction ;B ′cr ,remanent acquis iti
on coercive force ;B cr ,remanent coercive force . 这里利用剩磁获得矫顽力(remanent acquisition coercive force ,B ′cr )[20]
和剩磁矫顽力(B cr )的比值(B ′cr B cr )来进一步鉴定样品中磁性矿物的类型.剩磁获得矫顽力是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,而剩磁矫顽力是已
经获得饱和剩磁的样品在反向磁场中剩磁降低至零时的磁感应强度.结果显示,样品N5和N26具有较高的剩磁获得矫顽力和较低剩磁矫顽力,B cr ′ B cr 值较高,分别为1.95和1.57,见图3(a ,b );样品N34和N35具有较低的剩磁获得矫顽力和相对较高的剩磁矫顽力,B ′cr B cr 值较低,分别为1.02和0.88(图3c ,d ).根据Dankers
[20]的报道,对于各种粒度的纯
磁铁矿,B ′cr B cr 值为1.6±0.2.我们也注意到天然沉积物的情况,例如,以磁铁矿为主要磁性矿物的西伯利亚黄土沉积物的B cr ′ B cr 值为1.4～1.7
[21]
.因
此,可以认为样品N5和N26中磁铁矿占主导地位,
而样品N34和N35中,高矫顽力成分的信号不容忽视.结合热磁分析结果,可以认为是样品N34中的磁黄铁矿以及样品N35中的赤铁矿有效增大了它们的B cr 值,从而导致B ′cr B cr 值明显降低.3.3 磁滞回线
样品N5和N26在200mT 左右即形成闭合的磁滞回线(图4a ,b ),表明低矫顽力的磁性矿物(主要是磁铁矿)主导了它们的磁滞行为.样品N34和
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N35的磁滞回线甚至在500mT 也没有闭合,并且显示微弱的蜂腰形特征(图4c ,d ),说明这两个样品中含有较多高矫顽力的磁性矿物
[22]
.结合热磁分析结
果(图2c ,d ),样品N34中的高矫顽力成分主要是磁黄铁矿,而样品N35中的高矫顽力成分主要是赤铁矿
.
图4 典型污染表土样品的磁滞回线
采用的最大磁感应强度为±1.5T .虚线和实线分别表示顺磁校正前、后的磁滞回线.M 为磁化强度;
B c 为矫顽力;M r s 为饱和剩磁;M s 为饱和磁化强度.
Fig .4 Magnetic hysteresis loops for typical polluted topsoil samples before (dashed lines )and after (solid lines )
correction for the paramagnetic
contributions
图5 典型污染表土样品的剩磁比(M r s M s )和矫顽力
比(B cr B c )在Day 氏图[23]上的投影
SD 为单畴;PSD 为准单畴;MD 为多畴.
Fig .5 Hysteresis ratios plotted on a Day diagram [23]of the polluted tops oil samples .SD ,single domain ;PSD ,pseudo -sin gle -domain ;and MD ,multidomain .
以剩余磁化强度与饱和磁化强度的比值(M r s M s )为纵坐标、剩磁矫顽力与矫顽力的比值(B cr B c )为横坐标的Day 氏图
[23]
上,样品N34落在了接近多
畴区域的准单畴区内,样品N5落在典型的多畴区
域,样品N26和N35介于上述二者之间(图5),表明所研究的污染表土样品中亚铁磁性矿物的粒度较粗,为较粗的准单畴甚至多畴颗粒.
4 讨 论
4.1 磁性矿物种类及粒度特征
本文主要利用χ-T 曲线确定污染土壤中磁性
矿物的类型.热磁分析(包括居里点分析和χ-T 分析)是古地磁学和岩石磁学研究中常用的手段.有的磁性矿物,尤其是磁赤铁矿和亚铁磁性硫化物等有重要环境意义的磁性矿物的热稳定性较低,在热处理过程中容易转化为其他矿物,这种转化往往具有重要的环境意义.另外,热处理过程中还会发生非磁性矿物向磁性矿物的转化.土壤的成土作用和磁化率变化是一系列复杂的沉积后过程造成的,在加热过程中磁性矿物的转化和新的强磁性矿物生成是非常普遍的现象.因此,通过对样品进行热磁分
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地球物理学报(Chinese J .Geophys .) 47卷
析,可有效判别磁性矿物在加热过程中的转变规律,并有助于识别磁性矿物的种类和粒度分布[1,16,24,25].
上述岩石磁学研究表明,本文研究的污染表土样品具有各自不同的磁性矿物组合特征.样品N5和N35中的强磁性组分为多畴磁铁矿,弱磁性组分为赤铁矿,但这两个样品中磁铁矿和赤铁矿的相对含量特征有明显差异.虽然它们的χ-T曲线都显示出较为明显的赤铁矿的信号(图2a,d),但样品N5未产生明显的蜂腰形磁滞回线(图4a),可能是由于该样品中高矫顽力赤铁矿的相对含量还不够高、低矫顽力成分的信号相对较强所致;而样品N35中高矫顽力的赤铁矿含量相对较高,高、低矫顽力组分强烈对比,使其磁滞回线呈现微弱的蜂腰形特征(图4d)[22].样品N26中磁性矿物组合相对较为单一,主要为低矫顽力的磁铁矿,其粒度也应接近或达到多畴.对于样品N34,χ-T曲线显示其磁性矿物为磁铁矿和磁黄铁矿组合(图2c).值得指出的是,该样品的磁滞回线也显示了微弱的蜂腰形特征(图4c).使该样品产生蜂腰形磁滞回线的原因可能如下,一是成分因素,它所含的磁黄铁矿具有较高的矫顽力;二是粒度因素,铁硫化物的存在说明该样品产出条件为局部还原环境,在还原条件下,粗粒的多畴磁铁矿被部分溶解至准单畴甚至单畴,从而增加了高矫顽力组分的相对含量.
4.2 岩石磁学性质的环境意义
影响表土磁化率的因素主要有气候、母质成土和人类活动等[1,7,26].研究区为石灰岩和砂岩分布区,虽然区内属亚热带季风性湿润气候,年平均温度和年平均降水量都较高,有利于成土作用,从而增强表土的磁化率,但由于成土母质中亚铁磁性矿物的含量很低,研究区温湿的气候对表土磁化率增强的作用不应很显著.对研究区未被污染表土的磁化率测量表明,通常磁化率低于20×10-8m3kg.因此,研究区内被污染表土磁化率的显著增强不是由于温湿的气候和基岩风化形成的,而主要是人类活动的结果,即附近的钢铁厂和火电厂产生的燃煤飞灰.
按磁化率的高低可以将本文研究的污染表土样品分为两类,即高磁化率的N5和N26,以及低磁化率的N34和N35.其中,高磁化率的N5和N26的频率磁化率较低,均小于3%.这种显著的高磁化率和低频率磁化率往往是工业污染表土的特征[7,27].模拟实验也证明这一现象[9].此外,它们所含磁铁矿颗粒的粒度也较粗,N5中的磁铁矿为多畴颗粒,N26中的磁铁矿颗粒粒度也接近多畴(图5).这些磁学特征与东欧的工业污染表特征一致,例如,Heller 等[7]对波兰Upper Silesia工业区Ja worznoⅢ火力发电厂附近的污染表土进行磁学研究也表明,高磁化率的污染土壤中富含粗粒的磁铁矿颗粒,其粒度可达1～10μm,一般呈球形,主要来自工业区附近Ja-worznoⅢ火力发电厂产生的燃煤飞灰.因此,对于像N5和N26这样具有较高磁化率和较低频率磁化率特征的样品,在进行化学分析以前,可以通过测样品的低场磁化率和频率磁化率,快速而且简便易行地推断这两个样品是否可能被污染.
但是,对于低磁化率的样品N34和N35,它们的频率磁化率相对较高,分别为8%和6%,仅仅根据它们的磁化率和频率磁化率特征,不易判断是否被污染.样品N35中所含的磁铁矿颗粒粒度较粗,成土作用形成的磁铁矿颗粒一般达不到这样的粒度,根据该样品所含磁性颗粒的粒度特征,也可以推断它可能被污染.对于样品N34,其中所含的磁黄铁矿可能来自附近钢铁厂或火电厂的燃煤粉尘,因为其成土母质及其附近没有含硫化物的岩石或沉积物.在煤的燃烧过程中,黄铁矿可能未被充分氧化,分解产生中间产物磁黄铁矿[28].部分磁黄铁矿可能随飞灰沉降在地表.可见,热磁分析提供了样品N34可能被污染的证据.因此,对于磁化率没有显著增强而且频率磁化率较高的表土样品,如果成土母质中不含硫化物,那么,亚铁磁性硫化物的存在可以作为可能被污染的证据之一.
5 结 论
5.1 研究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,为较大的准单畴或多畴,粒度明显大于成土作用过程中产生的磁性颗粒.粗粒的磁铁矿颗粒是污染物的主要磁性组分.
5.2 对于磁化率没有显著增强而且频率磁化率较高的表土,亚铁磁性硫化物的存在可以作为可能被污染的证据之一.
5.3 虽然磁化率测量可作为一种简单、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可能被污染的信息.
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