環境電磁學

環境磁學興起於20世紀70年代,是一門介於地球科學、環境科學和磁學之間的邊緣學科。其原理是測量土壤、岩石和沉積物等自然物質和人類活動產生的物質在人為磁場中的磁性響應,提取地理環境的信息。由於系統磁性測量技術本身的優點,高靈敏度測試儀器,以及計算機處理磁測數據,使環境磁學廣泛應用於湖泊及流域古地理研究、土壤形成和分類、黃土——古土壤研究和環境污染研究等許多研究領域。未來環境磁學有一些新的發展趨勢。

環境磁學的原理就是通過對環境物質,如土壤、岩石、湖泊和海洋的沉積物、火山灰、大氣塵埃等自然物質,以及人類活動所產生的物質,如化石燃料燃燒後釋放的微粒等的磁性測量,並通過模擬實驗與相關研究的對比加以映證,瞭解環境物質中磁性礦物的含量、類型和運動,然後反推地理環境演變過程,提取地理環境變化信息,瞭解自然過程和人類活動對地理環境的影響,預測地理環境長期變化的趨勢,為創造環境監控新手段、制定環境控制戰略提供新的依據。

任何物質都有磁性,自然界中顆粒物的磁性主要是由礦物產生的,礦物的磁性行為通常分為順磁性、抗磁性、亞鐵磁性和不完整反鐵磁性等幾種基本類型。抗磁性礦物如石英和方解石,可在外加磁場中獲得與外加磁場方向相反的磁性,這種磁性很弱而沒有剩磁。它是幾種磁性行為中最弱的,因此在大多數情況下被其他磁性行為所掩蓋。順磁性礦物可在外加磁場中獲得與外加磁場方向相同的磁性。這種弱同向磁性在去除外加磁場之後立即消失,因此沒有剩磁。更強的磁性行為通常掩蓋了順磁性。在環境磁學中主要研究的幾種天然礦物的磁性,是鐵磁性的特殊變種,包括亞鐵磁性和不完整反鐵磁性。亞鐵磁性礦物,如磁鐵礦(Fe3O4)和磁赤鐵礦(ΧFe2O3),不僅能在外加磁場中獲得很強的磁性,而且這種強磁性在去除外加磁場之後部分地被保留下來,稱為剩餘磁化強度(簡稱剩磁)。通常,樣品中低濃度的亞鐵磁性晶體主導其磁性特徵;不完整反鐵磁性礦物,如赤鐵礦(ΑFe2O3)和針鐵礦(ΑFeOOH),能在外加磁場中獲得比較弱的同向磁性,而且與亞鐵磁性礦物一樣也能保留剩磁。事實上,岩石、大氣微粒、土壤和沉積物等環境物質的磁性測量所得的總磁矩,是樣品抗磁性、順磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性礦物磁矩的總和。

自然物質和人類活動所產生的次生物質,往往表現出不同的磁性特徵。這些磁性特徵與它們包含的磁性礦物數量和類型、鐵磁性結晶晶粒大小及其配比有關。環境磁學研究的基礎就是通過系統磁性測量,揭示物質中磁性礦物的類型、含量和晶粒組合特徵,從中提取環境及其演變的信息。大量樣品的磁性測量表明,含量不高的亞鐵磁性礦物在很大程度上決定了物質磁化率的測值。如磁性礦物(主要是Fe3O4)含量為48144Λg?g的粉煤灰樣品,其質量磁化率(X)達27177Λm3?kg,飽和等温剩磁(SIRM)為571313ΛAm2?kg[1]。環境物質中磁性礦物的鐵磁結晶晶粒的大小(用磁疇來表示)同樣表現出磁性特徵的差異。對於磁鐵礦而言,一般粒徑在1～2Λm以上多疇為(MD)晶粒,0105～1Λm為假單疇(PSD)晶粒,0105Λm上下的晶粒具有單疇(SSD)性質,0102Λm左右呈細粘滯性(FV)特徵,01001～0101Λm以下為超順磁(SP)晶粒。通過磁參數的綜合測試和比較計算,可以分辨鐵磁晶粒的組成和差異。如,非滯後剩磁ARM?X與軟等温剩磁IRMS?X結合可以確定穩定單疇(SSD)磁鐵礦的存在和含量,而IRMS?ARM可以瞭解樣品中多疇(MD)成分磁鐵礦的存在狀態等亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦、磁赤鐵礦、磁黃鐵礦等)和不完整反鐵磁性礦物(如赤鐵礦和針鐵礦等)是環境磁學最為關注的礦物類型。亞鐵磁性礦物一般經過小於011T的磁場磁化以後即可獲得95%以上的飽和等温剩磁,其矯頑力也較低,磁鐵礦約為20mT左右;而不完整反鐵磁性礦物要在4～7T的強磁場中磁化後,才能獲得飽和剩磁。軟等温剩磁。

20世紀70年代初期,英國環境生態學家F1Oldfield教授和物理學博士R1Thompson,在研究北愛爾蘭LoughNeagh湖時,發現了湖泊沉積物樣芯的磁化率曲線與其孢粉組合類型相吻合的現象,進而認識到:有可能通過湖泊沉積物非天然剩磁的磁性測量,結合生物化學指標,提取高分辨率的環境變化信息。其後,F1Oldfield和R1Thompson的長期合作研究以及其他先驅者的研究,為這門新的學科奠定了基礎。80年代以來,隨着電子技術和計算機科學的發展,用於野外和實驗室的高靈敏度磁性測量儀器的問世,大大提高了磁性測量的精度和分辨率,形成了一整套野外磁測踏勘、樣芯磁性掃描、實驗室整樣磁性測量及粒度組分磁性測量的工作程序。由於磁性測量具有簡便、快速、經濟、無破壞性和多用性等優點,因而受到世界許多科學工作者的重視。

綜合應用地質學、磁學、地理學、生態學、水文學、氣象學、冰川學、考古學、湖泊學和海洋學等多學科知識,研究環境問題。簡言之,環境磁學研究環境中物質的磁性及其與環境問題之間的聯繫。

環境磁學自20世紀70年代興起以來,在歐洲、澳洲、北美、南亞和北非許多國家和地區的環境研究中得到重視,應用領域迅速擴大。環境磁學的研究已遍及全球各主要氣候帶和地質巖性區域,涉及到不同類型的湖泊、沼澤、河流和海洋環境系統。磁測的對象不僅有海洋和湖泊沉積物樣芯、河流的懸移或推移質,也包括了不同區域的土壤剖面、黃土剖面序列、大氣塵埃、冰磧物、巖芯和冰芯等。應用領域推廣到區域和全球變化研究,區域環境污染監測和污染歷史研究,流域侵蝕和沉積研究,人類活動對地理環境影響研究,環境考古,石油勘探等。

研究湖泊沉積物以恢復流域古地理環境湖泊沉積物的來源是多種多樣的,由於各種來源的物質具有不同的磁性特徵,並在一定程度上保留了原有的磁性,因而湖泊沉積序列的磁性變化模式能綜合地反映沉積物質的來源及其配比。

環境事件的指示研究表明,在連續的常態湖泊沉積序列中,可能夾帶着一層或多層磁性極端異常的沉積層,它們往往指示了流域或臨近區域的某些環境事件。如森林、草場火災會導致表土層磁性的明顯增強,這些物質由徑流帶入湖泊,在沉積序列中保留了火災事件的“痕跡”。F1Oldfield等通過磁性測量鑑別出巴布亞新幾內亞高原四次火山噴發事件。俞立中等在蘇北興化的湖泊沉積物研究中,從沉積物的磁性異常揭示了歷史洪水事件,並通過相關研究得到證實。

對流域環境變遷的分析利用湖泊沉積物的磁信息可以揭示流域環境變化的過程和機制。中國雲南滇池沉積物的磁性研究表明,在具有穩定的森林植被覆蓋的地區,氣候變化仍然可以從湖泊沉積物的磁性特徵上反映出來。吳瑞金認為,湖泊沉積物的磁化率、頻率磁化率可以作為映古氣候、古環境變化的靈敏間接指標。胡守雲等指出,磁化率可以作為一個反映環境變化的代用指標,高(低)頻磁化率相應指示濕潤(乾旱)的氣候,較高(低)的湖面。張振克等研究認為:歷史時期內陸封閉湖泊沉積物頻率磁化率高值段指示氣候偏濕階段;低值段指示氣候乾旱階段;俞立中等對太湖的沉積物環境磁學研究揭示了由氣候變化引起的太湖水位升降旋迴。J1Dearing等在Peris湖的環境磁學研究,不僅發現了由於過度放牧引起的表土流失,而且解釋了流域土地利用變化的歷史過程。俞立中等提出利用湖泊沉積物磁信息判別物質來源的定量分析方法,併成功地應用於流域環境研究。

對土壤形成和土壤分類的研究土壤磁學是本世紀70年代末建立的新的研究領域,其基本原理是土壤中的鐵能改變價態、形成與環境有關的多種氧化相或與土壤中其它成分一起形成絡合物。土壤中鐵的化合物狀態常常指示土壤水分狀況、形成過程和土壤類型。各種土壤的磁測表明,在土壤環境類型和磁學性質之間存在着清楚的關係。土壤磁學的任務是對土壤剖面進行常規勘探和描述;研究土壤的形成過程,對土壤進行分類、分層,標識不同的成土過程。未來土壤磁學的應用包括幾個方面:土壤基本磁性、氧化物和發生研究、土壤地理、土壤調查、土壤磁法改良、土壤結構研究、土壤侵蝕狀況等。

研究黃土——古土壤序列探索古氣候變化規律磁化率曲線已用來建立不同地區黃土剖面的相應層位聯繫,並對照深海沉積物和極地冰芯中提取的古氣候演變信息,以揭示全球古氣候變化規律。黃土的磁化率之所以能夠很好地反映氣候變化,是因為在大範圍內,可以認為黃土的沉積環境變化不大,磁化率的高低主要決定於成土作用及其細小磁性物質產生的多少。通過對黃土剖面的磁化率頻率係數及其它磁參數的測量,以及對各個粒級的黃土、古土壤磁性特徵的對比研究,已認識到黃土和古土壤中鐵磁晶粒的大小構成和組合存在着明顯差異,反映出在不同氣候條件下成土作用的強弱對黃土剖面磁性差異的重要影響。FriedrichHeller等對陝西洛川黃土的研究,指出天然剩磁(NRM)和磁化率的強度變化對黃土沉積期間的氣候變化具有指示性。大量研究表明黃土堆積時期氣候乾冷,古土壤形成時期氣候暖濕,黃土的磁化率低,古土壤的磁化率高。

環境污染研究環境磁學主要監測現代環境污染、重建污染歷史、以及典型地區的污染等幾個方面。根據JohnDearing的資料,磁性測量已經被用來識別來自化石燃料燃燒、汽車、表面建築材料、鋼鐵製造和其他金屬冶煉所釋放的顆粒物。根據湖泊和水庫沉積物、泥炭沼澤,甚至有機質枯落層的磁性分析,許多研究已經重建了大氣污染的歷史。T1M1Williams採用磁化率曲線,對比沉積物中重金屬化學分析和1820年以來歐洲煤炭燃燒的資料,得出低頻磁化率(xlf)與Pb,Zn和Cu高度相關(相關係數大約為018),並與歷史上歐洲煤炭消耗有相同趨勢的結論。BeckwithP1R1等完成了城市來源的沉積物重金屬和磁性關係研究。F1Oldfield等對芬蘭泥炭剖面的研究,指出磁性顆粒的大氣污染降落物從1860年(大約工業革命開始的時候)加速增加,到第二次世界大戰以後達到峯值。該項工作為顆粒物大氣污染環境磁學研究提供了一個有用的途徑。長江口潮灘沉積物的磁性研究指出,沉積物的磁參數值與重金屬元素含量相關,並與粒度組成有關。磁性測量可為大城市及其臨近的河口海岸環境監測提供有效手段和重要依據。

環境磁學是依賴自然系統內在的秩序認識環境的新方法,所以得到廣泛重視。然而,由於地理環境千差萬別,磁性礦物對環境變化的敏感性,磁參數解釋的多義性等,使得環境磁學仍然存在一些問題,如對於不同粒徑和類型磁性礦物的磁參數貢獻,磁性礦物在環境中的遷移轉化,及磁信息的定量及數據庫建設方面,還有很多工作要做。實踐證明,環境磁學是一門富有生命力和廣闊應用前景的學科。

環境磁學有幾個新的發展趨勢。首先更加註重機理研究,盧升高等對雲南和浙江玄武岩上發育的土壤進行磁性測量和X-射線衍射分析,從鐵磁性氧化鐵礦物學角度解析土壤磁化率的機理。朱立軍等用多種先進的分析觀察方法研究了碳酸鹽巖發育土壤中磁性礦物的形成機理。A1J1Wheeler和F1Oldfield等研究了影響愛爾蘭西北海岸沉積物磁性發生和保持的過程,指出生物作用和成巖過程對磁性記錄的保持有強烈的影響。董瑞斌從機理上研究了還原作用下紅壤磁性的穩定性,並對影響因子之間的關係進行了量化。其次應用於生產實踐的方向。張衞國,俞立中等[44]對東海陸架表層沉積物的磁性測量表明,磁測可以作為油氣勘探的間接手段。重金屬污染也是重要應用領域,H1Yang等對武漢東湖的研究,張衞國,俞立中等對長江口南岸潮灘沉積物的研究,S1M1Hutchinson,和L1Yu對於長江口潮灘重金屬污染的研究,表明環境磁學應用於重金屬污染研究有重要意義。第三,定量化是環境磁學的學科要求,成為研究趨勢之一。俞立中在這方面作了許多工作,董瑞斌在工作中也應用了定量方法。王建等建立了磁化率與磁鐵礦百分含量之間的迴歸方程。第四,湖泊和深海沉積物研究是應用磁測技術研究區域氣候變化乃至全球環境變遷的有效方法之一。孫知明等和王慧中等人[51]的工作具有代表性。最後,環境磁學與多學科的分析測試技術的結合,在這方面A1J1Plater等利用地球化學和放射性核素,結合磁性測量研究河口地區污染的工作具有典型意義。