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环境磁学研究

时间:2022-02-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:张玉芬1,李永涛1,严玲琴2,康春国1,韩晓飞3,周耀1,张勇4,周稠1,何禹5,汪华军1,高梦秋1,郭洁1摘 要:环境磁学是一门边缘学科,介于地球科学、环境科学和磁学之间。对环境研究来说,最有用的矿物磁性特征已证明是磁化率和饱和等温剩磁。磁化率与样品中所含磁性矿物的种类、粒度和含量直接有关,常用作磁性矿物含量的粗略估量。
张玉芬,李永涛,严玲琴,康春国,韩晓飞,周耀,张勇,周稠,何禹,汪华军,高梦秋,郭洁_大人地球物理科学

张玉芬1,李永涛1,严玲琴2,康春国1,韩晓飞3,周耀1,张勇4,周稠1,何禹5,汪华军1,高梦秋1,郭洁1

(1.中国地质大学地球物理与空间信息学院,武汉,430074;2.中国地震局兰州地震研究所,

兰州,730000;3.山西省地震局,太原,030002;4.贵州省交通规划勘察设计研究院,

贵阳,550000;5.湖南省地质调查院,长沙,410116)

摘 要:环境磁学是一门边缘学科,介于地球科学、环境科学和磁学之间。环境磁学参数可提供全球或区域环境变化和人类活动对环境影响等重要信息,已成为当今地学研究的一个重要的分支学科。因其具有简单、快速、无破坏、成本低廉等特点使其被广泛应用于很多研究领域,并取得了很好的研究成果。在简单阐述了环境磁学基本原理的基础上,介绍了中国地质大学地球物理与空间信息学院环境磁学科研小组近年来在该学科领域所取得的部分研究成果和进展,尤其对环境磁学在长江的形成演化和长江三峡贯通研究、现代河流沉积物磁学特征及物源示踪研究、古气候变化和环境污染等方面的部分研究成果进行了梳理和总结,以达到与同行交流和共勉的目的。

关键词:环境磁学,第四纪地质,长江流域

前 言

环境磁学是一门介于地球化学、环境科学和磁学之间的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边缘学科。其原理是测量土壤、沉积物和岩石等自然物质和人类活动产生的物质在人工磁场中的磁性效应,提取地质—地理环境的信息[1]

近年来本科研小组在执行国家自然科学基金项目[“用磁组构分析建立洪灾(水)事件沉积辨识标志”(基金编号:40172061);“江汉平原近5000年的古洪水事件与环境变化”(基金编号:40472151);“长江三峡贯通的环境磁学示踪研究”(基金编号:40672206)和国家“973”项目中子课题(子课题名称:“东亚季风变迁与长江古水文变化”,(子课题编号:2004CB720204);子课题名称:“长江中游河湖演化规律控制因素研究”(子课题编号:2003CB415201)]以及国土资源部的“土壤环境磁学”、“岩性特征与土壤类型关系综合研究”等项目时,在环境磁学方面做了大量的研究工作,取得了一些研究性成果和进展。

1 环境磁学的兴起及研究概况

20世纪70年代初期,英国环境生态学家Oldfield F教授和物理学博士Thompson R,在研究北爱尔兰Lough Neagh湖时,发现了湖泊沉积物样芯的磁化率曲线与其孢粉组合类型相吻合的现象,进而认识到:有可能通过湖泊沉积物非天然剩磁的磁性测量,结合生物化学指标,提取高分辨率的环境变化信息。其后,Oldfield F和Thompson R的长期合作研究及其先驱者的研究,为这门新的学科奠定了基础[2]

1980年Thompson R等发表于《Science》的“Environmental applications of magnetic measurements”一文,列举了磁性测量方法在湖泊学、水文学、地貌学、地球物理学等领域有关环境问题研究中的应用,可谓对环境磁学的一种注释[3]。Thompson R等(1986)系统地论述了如何将矿物的磁学性质应用于环境研究,出版了《Environmental Magnetism》一书,标志着环境磁学作为一个相对独立的分支学科而正式建立[4]。环境磁学的重要特征是简单、快速、无破坏、成本低廉,可解决许多物理和化学方法无法解决的问题。尽管其历史不长,它的发展却异常迅速。迄今为止,环境磁学的研究对象涵盖了地球岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈中的岩石、土壤、沉积物、悬浮泥沙、飘尘、降尘等物质。在样芯对比、物质来源鉴别、泥沙运移示踪、流域生态环境演变、古气候环境研究、土壤发生学、环境污染、油气勘探、古地磁学等领域得到了广泛应用,某些参数(如磁化率)已被视为全球变化研究的重要指标[3]

2 环境磁学基本理论

2.1 物质的磁性行为类型

任何环境物质都有一定的磁性,自然界中颗粒物的磁性主要是由矿物产生的,矿物的磁性行为通常分为顺磁性、抗磁性、亚铁磁性(如磁铁矿、磁赤铁矿、磁黄铁矿)和不完整反铁磁性(如赤铁矿、针铁矿)等几种基本类型。环境磁学中主要研究的几种天然矿物的磁性,是铁磁性的特殊变种,包括亚铁磁性和不完整反铁磁性。亚铁磁性矿物(如磁铁矿、磁赤铁矿、磁黄铁矿)和不完整反铁磁性矿物(如赤铁矿、针铁矿)是环境磁学最为关注的矿物类型。矿物磁学性质可作为环境变化和气候过程的代用指标,这是由于磁性矿物颗粒的搬运、沉积和转化与沉积环境的变化和气候的演化密切相关。因此,在环境磁学研究中,通过地质记录中的磁性矿物组合,研究沉积环境的物理(变迁)过程,研究沉积环境中导致磁性矿物变化的物理和化学作用,研究沉积环境中磁性矿物的变化和转化,可为重建古环境、恢复古气候提供可靠的依据。

2.2 环境物质的磁性特征及其测量

自然物质和人类活动所产生的次生物质,往往表现出不同的磁性特征。这些磁性特征与它们包含的磁性矿物数量和类型、铁磁性结晶晶粒大小及其配比有关。环境磁学研究的基础就是通过系统磁性测量,揭示物质中磁性矿物的类型、含量和晶粒组合特征,从中提取环境及其演变的信息。天然物质的磁性特征主要由磁参数来反映。天然样品磁性矿物特征和晶粒度的主要磁参数有:体积磁化率(κ)、质量磁化率(χ)、磁化率频率系数(χfd%)、天然剩磁(NRM)、饱和等温剩磁(SIRM)、剩磁矫顽力(Bcr)、“软”剩磁(IRMs)、“硬”剩磁(IRMh)、非滞后剩磁(ARM)、非滞后剩磁磁化率(χARM)及其组合,如SIRM/κ,SIRM/ARM,IRM/SIRM等[5]。对环境研究来说,最有用的矿物磁性特征已证明是磁化率和饱和等温剩磁。

磁化率(κ或χ)为外磁场作用下物质磁化的能力,是指在弱磁场中(0.1mT)样品的磁化强度与磁场强度之比。磁化率与样品中所含磁性矿物的种类、粒度和含量直接有关,常用作磁性矿物含量的粗略估量。对磁化率的测量主要是了解标本被磁化的能力,它主要反映了样品中亚铁磁性矿物的富集程度。对环境磁学研究来讲,样品的重量可在0.1~100g之间,一般采用灵敏度较高的仪器对取自土壤、岩石、沉积物的样品进行磁化率测量。

饱和等温剩磁(SIRM)为样品能够获得的最大剩磁,是样品在1T磁场中磁化后所保留的剩磁,它主要取决于铁磁性矿物的含量和类型,但也依赖于晶粒度。饱和剩磁值的范围可以从不含铁、锰矿物的物质实际为零一直到细粒浸染状氧化铁矿石或重矿物夹层矿石100A·m2/kg。而饱和剩磁与磁化率的比值(SIRM/χ)可用于识别磁性的类型,也可用来粗略估算大于几十纳米的磁性晶体的晶粒度。进行该项磁性参数的测量,首先要将标本放入一个强度较高(达1T)且均匀的恒定磁场中,对样品进行数十秒钟磁化后再测量其SIRM。

2.3 地理环境物质中磁性矿物的来源

环境物质中的磁性矿物来源可归结为外源和内源两类。外源磁性矿物的输入主要通过大气和径流。大气降尘主要有火山灰、土尘、宇宙尘埃和人类活动释放的大气污染物等;径流带入的主要有母质风化碎屑物、表土以及工业和生活污水排放物等。磁性矿物的外源组分可以反映周围环境条件及人类活动影响,通过物质磁性特征的变化往往可以追溯环境变迁的历史。内源磁性矿物指“原生”铁通过化学或生物作用形成的次生磁性矿物。已有研究表明,成岩作用形成的磁性矿物,对于湖泊中厌氧沉积物样芯磁测值的贡献有重大意义。

2.4 磁性矿物在环境中的变化

磁性矿物在环境中的变化可分为物理变化和生物化学变化。物理过程虽然不能改变磁性矿物的性质,但是通过影响磁性矿物在环境物质中的赋存方式,却对环境物质的磁性产生重要的影响。搬运和沉积分异过程也会引起物质磁性特征的差异,原生的磁性矿物往往富集在粗粒级之中,而次生磁性矿物则主要集中在细粒级中,不同动力条件下所沉积的物质,其粒级组成是不一样的,反映在磁性特征上也是不同的,粒级分离基础上的磁性测试很好地说明了这一点。生物化学作用对环境物质的磁性特征具有重要影响,这是由于微生物活动及环境化学因子,如有机质、pH值、氧化-还原电位等变化,使得磁性矿物和非磁性矿物发生溶解、水解、吸附等作用,从而影响环境物质的磁性。

3 环境磁学在长江流域第四纪地质中的应用

近年来本科研小组利用环境磁学参数对长江三峡贯通环境磁学、长江中游河湖演化规律等方面进行了研究,取得了一些研究成果,先将部分研究成果[6~24]总结如下。

3.1 长江三峡贯通研究

长江是我国第一大河,也是中华民族的母亲河。由于长江的发育形成演化受构造、地貌、气候和水文等自然因素控制,与青藏高原的隆升、海陆变迁的演变有着紧密的成因联系。因此,长江作为一条完整的河流何时形成被认为是当前一些重要科学问题研究的基础,而三峡的贯通则被认为是研究长江形成的关键问题之一。水系变化的一个重要结果表现为物源区的变化,反映在保存下来的沉积物中就会使得不同来源的沉积物具有不同特征。因此,我们认为通过对长江三峡出口处与长江形成演化关系最为密切的沉积物各种参数特征的研究,有望获得有关长江三峡贯通时间的信息。按此思路,我们对长江切开三峡的直接卸载区——江汉平原沉积物的磁学参数特征进行了测试分析,取得了较好的研究结果[6]

3.1.1 研究样品的获取和磁学参数的测试

江汉盆地是长江流域的一个重要的“沉积汇”,是长江切开三峡后第一个接受沉积的盆地,其较连续的巨厚沉积很好地记录了三峡贯通前后主要水系变化的信息。其沉积物是研究长江三峡贯通的重要的材料。为了获得研究样品,课题组在潜江凹陷南缘(湖北省监利县境内周佬(咀)镇)钻取了两个打穿第四系的岩心,其中周佬孔岩心长300.49m,平均取芯率达85%以上,并且岩心保存较完整[25]。同时,周佬(钻)孔位于江汉盆地的晚新生代构造沉降中心,孔位正对长江三峡的出口,三峡一旦切开,来自上游的物质必然沉积于此,因而是基于江汉平原沉积开展长江三峡贯通的物源示踪研究的理想钻孔。

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图1 江汉盆地新沟孔和周佬孔岩心磁化率(体积磁化率)随深度变化曲线

(a)周佬孔;(b)新沟孔

分别以10cm(新沟孔等间距)和50~150cm(周佬孔不等间距)对两孔岩心进行了磁化率样品的采集和测试,新沟孔采集样品4 114个,周佬孔采集样品335个。磁化率样品测量在中国地质大学地球物理与空间信息学院的岩石物性实验室完成(图1)。在磁化率变化比较明显的层位段附近细沙层中采集了22个磁学样品,磁学样品由华东师范大学河口海岸国家重点实验室测试(图2)。测试参数主要有低频磁化率(0.47kHz,χ)和高频磁化率(4.7KHz,χ)、非磁滞剩磁(ARM)或非磁滞剩磁磁化率(χ,交流磁场峰值为100mT,直流磁场为0.04mT)、等温剩磁,即经强度为20mT、100mT、300mT及1T磁场磁化后的剩磁(IRM20mT、IRM100mT、IRM300mT、SIRM)和带饱和剩磁的样品经强度为-20mT、-100mT、-300mT反向磁场退磁后的剩磁。利用测得的数据,计算出各种磁学参数(图2)[6]

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图2 江汉平原周佬孔磁性参数随深度变化

3.1.2 沉积物磁学参数特征对长江三峡贯通的指示

图1为新沟孔和周佬孔磁化率值随深度变化曲线,从图1可见两岩心的磁化率值上部和下部明显不同,周佬孔在深度约100m,新沟孔在深度约112m附近,磁化率值均突然增大,其平均值由下部的200(10-6SI)左右变为上部的1 000(10-6SI)左右(图1),相差达5倍之多。这种急剧和如此之大的磁化率值的变化,用气候环境变化是难以解释的,应该与物源的变化有关。

由磁性参数随深度变化曲线图(图2)也可以看出,主要与亚铁磁性矿物(如磁铁矿)的含量有关的磁性参数(χ、χARM、SIRM等),在井深约110m附近同步发生了增大,其相应参数(χ、χARM、SIRM)的平均值分别为井深110m以下沉积物的7.1、3.3和8.6倍,说明在井深110m以后沉积物中亚铁磁性矿物(如磁铁矿等)含量明显增加,这种差异可能与物源区的变化有关。

3.1.3 磁性物质的晶粒特征对长江三峡贯通的指示

沉积物磁性参数及其比值表明,整个钻孔沉积物样品中的亚铁磁性矿物晶粒均以假单畴—多畴为主,基本上不含超顺磁晶粒。由对沉积物磁性晶粒特征反映敏感的磁性参数χARM和参数比值χARM/χ分析发现,周佬孔110m以上的磁性晶粒明显变粗。

查阅资料发现在江汉平原以上长江流域存在两个大的铁矿。一处是鄂西地区的“宁乡式”铁矿,矿石类型为鲕状赤铁矿,其主要分布在宜昌、长阳、五峰、巴东、建始等县[26]。另一处是攀枝花钒钛磁铁矿,分布于川西的攀枝花至西昌地区[27]。从江汉平原物源区的表壳岩系组成来看[28],三峡以下主要为沉积岩区,三峡以上有大量的岩浆岩和基性岩分布。在三峡尚未切开之前,沉积物主要来源于江汉平原周缘,来自三峡以东的鄂西“宁乡式”鲕状赤铁矿矿区的沉积物必然占据一定的比例。因此,周佬孔110m以下的沉积物会有较多不完全反铁磁性矿物的存在。而当三峡切开之后,随着大量上游泥沙的注入(约占江汉平原泥沙来源的75%),含有磁铁矿、钛磁铁矿的上游物质开始在江汉平原的沉积物中占主导,从而使得沉积物的磁性特征显示亚铁磁铁矿物占绝对优势。由于火成岩的磁性晶粒明显比沉积岩要粗,使得周佬孔110m以上的磁性晶粒明显变粗,因此,位于周佬孔110~100m深度沉积物磁性特征的变化是由三峡贯通引起的。

由上述分析可见,江汉平原接受长江三峡贯通后来自三峡以西区域沉积物的沉积层位在周佬孔孔深110~100m附近,根据江汉平原周佬孔和新沟孔两个钻孔的古地磁测年资料[6]的沉积速率推算,周佬孔孔深110~100m处的地质年龄大致在1.2~1.12MaB.P.,研究认为该时间可能即为长江贯通三峡的时间。

3.2 现代河流沉积物磁学特征及物源示踪研究

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(χlf=χ为磁化率;χfd%为磁化率频率系数;SIRM为饱和等温剩磁;F300为样品在300mT的磁场中所获得的剩磁占饱和等温剩磁的百分值;ARM为非磁滞剩磁)

图3 金沙江及川江段主要支流磁性参数平均值对比图

3.2.1 长江上游川江段现代河流沉积物磁学特征研究

川江是长江上游物源的主要汇集河段,建立川江段各支流及主河段现代沉积物磁学特征和识别标志,对研究长江三峡贯通以及长江的形成与演化非常重要。通过对采集的川江干流及各支流沉积物样品的磁学特征分析发现,川江干流不同江段和主要支流沉积物磁性矿物的类型、含量和晶粒特征均存在着一定的差异(图3、图4)[10,11],其特点为:①川江干流在不同江段磁学特征明显不同,罗龙段和合江县段的样品χlf值最低,其沉积物中亚铁磁性矿物含量最少。丰都段的χfd%值最低,样品中超顺磁颗粒含量最少。②各支流的磁学特征亦有明显差异:金沙江和乌江现代沉积物中铁磁性矿物均以亚铁磁性矿物为主,它们主导了样品的磁性特征。且磁性晶粒粗于其他支流。嘉陵江现代沉积物中亚铁磁性矿物含量是川江段支流中最低的。赤水河沉积物中含有较多的不完全反铁磁性矿物。③川江干流样品的磁性参数的变化区间比支流的大,数据间的相关性也比支流的差。这可能与川江干流较支流流域范围广、物源复杂有关。④通过与金沙江段磁学参数比较发现,川江干流磁学参数特征主要受金沙江制约,尽管有众多的支流汇入,但并未改变干流的磁学参数的总体特征。说明宜宾以上的表壳岩系对川江段沉积物的磁性特征具有支配意义。

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图4 长江上游川江段不同江段部分磁性参数平均值对比图

3.2.2 江汉平原周边河流沉积物磁学特征与表壳岩系关系研究

江汉平原是长江切开三峡后的第一个接受沉积的大型卸载盆地,有着巨厚的第四纪松散沉积物。研究这个第四纪沉积物的形成与演化,以及物源的判定,对于研究长江三峡的贯通时间是至关重要的[6,25]。采用环境磁学分析的方法,对汇入江汉平原的主要河流现代沉积物磁学特征进行了研究,初步建立了长江、汉江和周边主要河流沉积物识别的磁学标志[8,13],并对长江、汉江及周边河流沉积物磁学特征与其流域表壳岩系的关系进行了初步探讨。其结果对我们研究江汉平原沉积物的物源提供了可靠的依据,同时也为长江、汉江及江汉平原区的研究提供了基础数据。

研究样品取自长江及其支流汉江、清江、漳河、玛瑙河和沮水河流沉积物,采样地点均位于河流尚未进入江汉平原前砂质河漫滩。共采集和测试200多组样品。样品的磁学参数测试结果示于表1和图5。由表1和图5可见:①在江汉平原范围内,无论长江、汉江还是周边的漳河、沮河、玛瑙河和清江,它们现代沉积物的磁学参数特征均显示出明显的差异,而且和源区表壳岩性也显示出极好的相关性;②长江和汉江现代沉积物中铁磁性矿物均以亚铁磁性矿物为主,它们主导了样品的磁性特征。但长江沉积物比汉江沉积物亚铁磁性矿物含量要高;③长江和汉江沉积物的亚铁磁性矿物晶粒都以假单畴—多畴为主,并且长江沉积物磁性颗粒总体上要比汉江的粗;④在汇入江汉平原的主要支流中,汉江的亚铁磁性矿物含量远远高于其他支流,且磁性矿物的晶粒也比其他支流的粗;⑤除汉江以外的支流中,玛瑙河沉积物中磁性矿物的晶粒比较细且不完全反铁磁性矿物含量较高,漳河中的超顺磁物质含量较高,而清江中不完全反铁磁性矿物含量较高且磁性矿物的晶粒相对较粗。上述结果表明在江汉平原利用沉积物的磁学特征可达到沉积物物源示踪的目的。

表1 江汉平原主要河流沉积物样品磁性参数平均值

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注:表中,HIRM为“硬”剩磁,HIRM、SIRM、ARM单位均为10-6 A·m2/kg;χARM为非磁滞剩磁磁化率,χ、χARM单位均为10-8 m3/kg,其余参数含义见图3产生上述差异的原因主要是:由于长江上游流域与汉江流域以及清江、漳河、沮河流域等在生态系统、水动能条件、流域出露的表壳岩系和沉积物的物源组成都有明显的不同[29~32]:①长江上游沿江分布着众多的铁矿,如有名的攀枝花钒钛磁铁矿等[26,27]。并且在长江上游的贵州高原、攀西地区、盐源—丽江和松潘—甘孜地区还广泛分布有Ti-磁铁矿含量较高的峨眉玄武岩。在长江上游汇水区内分布有大量的含有较高铁质矿物的基性和超基型岩,这正是导致长江流域沉积物中磁性参数χ、χARM、SIRM等值高的原因。②尽管在汉江流域的陕西汉中—安康和湖北郧阳地区也有磁铁矿矿点出露,但相对于长江流域来说它出露面积较小。虽然流域内的地层从前震旦系到第四系均有出露,但相对于长江来说岩石类型还是比较简单。上游流经的是大面积的变质岩区,中下游全部是沉积岩区[33]。因此汉江流域沉积物的亚铁磁性物质的含量自然要较长江的低。③进入江汉平原的长江支流,除了汉江以外,主要还有清江、玛瑙河、沮水和漳河,其中沮水与漳河进入江汉平原后汇合为沮漳河,这些河流一般来说流程都较短,即汇水区面积较小,并且流经的区域主要是沉积岩地区。如漳河流域是松散沉积岩及沉积碎屑岩分布区。沮水河源于武当山神农架地区,广泛分布的也是沉积碎屑岩。玛瑙河流程短,全长仅有几十公里,而且流量小,流速慢,是平原区内部的河流。清江流域为鄂西山地,主要是碳酸盐岩、碎屑岩及泥岩分布区。这是导致它们沉积物中磁性物质含量较低,磁性物质晶粒较细的主要原因。

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图5 江汉平原主要河流磁性参数平均值对比图

3.2.3 基于沉积物磁学特征的物源示踪研究

依托已获得的长江川江主河段与主要支流现代沉积物样品的磁学测量值(表2),采用沉积物来源组成定量分析的磁诊断方法。对长江川江段沉积物的磁性特征进行了分析,并分别对长江川江段及主要支流汇入长江(川江)主河道后,对长江(川江)不同江段沉积物磁性物质组成的贡献率进行了求取(表3),对其沉积物中磁性物质的来源进行了示踪研究[11],结果表明:①在长江上游川江段,支流的汇入对长江沉积物中磁性物质贡献量很小,如岷江、沱江、赤水河、嘉陵江和乌江的贡献率分别为1.7%、6.8%、6.6%、10.5%和9.9%;②长江宜宾江段金沙江对长江沉积物中磁性矿物的贡献率(98.3%)远大于岷江(1.7%)的贡献率;③将长江川江段与金沙江段及主要支流沉积物磁学参数比较发现,川江干流磁学参数特征与金沙江沉积物磁学特征非常接近,表明川江段沉积物中磁性物质主要来自于金沙江及以上江段。

表2 长江及主要支流磁性参数测量值

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注:χlf、χhf单位均为10-8 m3/kg;ARM、SIRM、IRM-20、IRM-100、IRM-300单位均为10-6 A·m2/kg

表3 长江上游川江段支流的汇入对长江川江不同江段沉积物磁性物质的贡献量

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注:表中沉积物样品为支流汇入长江后的长江样品;物源样品为支流汇入长江之前的长江样品和支流样品

上述的研究表明,长江川江主河段与川江段各支流无论在沉积物的磁学特征还是在对下游沉积物磁性物质的贡献率上均存在的明显的差异。产生这种差异的原因主要是由于沿各自流域分布着不同性质的表壳岩系。在长江上游特别是川西和青藏高原地区分布有大量中新生代岩浆岩,有的岩体含有大量的铁磁性矿物如攀枝花岩体。同时长江上游沿江分布着众多的铁矿,并且在长江上游的贵州高原、攀西地区、盐源—丽江和松潘—甘孜地区还广泛分布有Ti-磁铁矿含量较高的峨眉玄武岩[26,27]。这正是导致长江流域川江段沉积物中磁性参数χlf、ARM、SIRM等值较支流明显要高的主要原因(表1)。利用沉积物物质组成的磁诊断方法所获得的不同水系的物源贡献量,实际上反映了相应流域表壳岩系物质组成的变化,因此利用不同水系沉积物物质组成的磁诊断方法可达到对流域表壳岩系物质组成示踪的目的。其中沉积物磁性参数χLF、ARM、SIRM、χfd%、F300以及磁性参数的比值χARM/χ、χARM/SIRM等可作为沉积物长江物源判别的指标。

3.3 环境磁学在气候环境变化研究中的应用

3.3.1 武汉天兴州沉积物磁学特征及对气候的响应

环境磁学应用于古气候与古环境变化方面的研究应该是最广泛和最多的,因为沉积物的磁性变化与沉积物的物源、沉积动力、气候环境的变化以及沉积后的次生变化等因素有关。我们利用多磁性参数(包括质量磁化率、频率磁化率、饱和等温剩磁、退磁系数以及热磁曲线)分析(图6),以长江中游武汉天兴洲近代河流沉积物为研究对象,探讨了近100年以来沉积物磁性参数变化特征及其对长江中上游水文变化及气候环境的指示[24]。结果表明,上部组合带(0.60~1.50m)和下部组合带(2.40~3.30m)沉积物的磁性载体以亚铁磁性矿物磁铁矿为主,同时存在少量较稳定的不完整反铁磁性物质,中部(1.50~2.40m)亚铁磁性矿物相对较少,且剖面上部沉积物的超顺磁(SP)颗粒对沉积物χ贡献较大。整个沉积剖面自下而上磁性矿物含量呈“C”字型变化,反映了软—硬—软的磁性特性。沉积物磁组构组合带研究显示,历史时期沉积环境水动力强度、颗粒排列有序化程度以及长江流速发生了明显的变化,沉积环境水动力强度经历了不稳定—稳定—不稳定的变化过程,反映了长江古水文状况的变化。近代沉积物磁性特征变化格局与1900年以来长江中上游暖湿—温凉—暖湿气候环境变化和强降水—弱降水—强降水以及长江汉口站流量变化过程相吻合。该成果对于深刻认识历史时期长江流域气候环境变迁,及对长江古水文和沉积环境的影响提供了重要的参考资料。

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图6 长江中游天兴洲沉积物A剖面磁性参数随深度变化特征

①耕土;②粉砂质黏土;③黏土质细砂;④粉砂质黏土;⑤粉细砂;⑥黏土质粉砂;⑦粉细砂;⑧黏土质粉砂

3.3.2 江汉平原钻孔沉积物磁化率特征及气候环境意义

为了研究江汉平原近3万年以来气候的演化规律,在精确测年的基础上,对采自江汉平原湖区某钻孔沉积物柱样的磁化率(435个)、有机碳稳定同位素值(282个)样品进行了测试分析[9]。根据它们的变化特点,结合孢粉、硅藻等资料(图7),并与国内外对比[34],将该区30kaB.P.以来的古气候分为3个大的气候演化阶段,其气候变化规律为:早期(30~14.1kaB.P.)以温和偏干凉气候为主,中期(14.1~3.54kaB.P.)以温暖湿润气候为主,晚期(3.54~0.65kaB.P.)变为以温和偏干、偏冷偏干和热干交替变化的气候为主。并且气候变化波幅大而频繁,在每一个大的气候演化阶段中又可分为若干次小的气候演变阶段。

我们还利用取自鄱阳湖区钻孔沉积物的磁化率、有机碳同位素样品的测试和分析,对全新世以来该湖区沉积环境演化和该区古气候变化进行了研究和恢复[20],也取得了较好的效果。

4 环境磁学研究展望

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图7 江汉湖区周佬镇(ZL01)孔磁化率和有机碳稳定同位素随深度变化曲线

环境磁学即是一门以磁性测量为核心手段,磁性矿物为载体,通过分析物质的磁性矿物组合和特征,以揭示不同时空尺度的环境作用、环境过程和环境问题的边缘学科[3]。目前,环境磁学研究涉及大气圈、水圈和岩石圈中的磁性颗粒,能为全球环境变化、气候过程和人类活动对环境的影响等研究提供有价值的资料,其研究范围迅速扩大,已成为当前国际全球环境变化研究的热点[1]。我们课题组近年来除了在长江的形成演化及长江三峡贯通、江汉平原沉积演化、气候环境演变等方面做了大量的基础性研究外,同时我们还在长江流域第四纪沉积物成因类型识别、古洪水识别、古风场特征及武汉市城市污染等方面做了相应的研究。尤其是近十几年来,环境磁学在城市环境污染方面的研究越来越广泛,已有的研究表明,城市环境中的磁性颗粒主要来自于工业活动、燃料燃烧、汽车尾气等污染物中的亚铁磁性矿物,因此,可通过分析城市土壤和大气中微粒的磁性特征来研究工业活动、燃料燃烧、道路交通等对城市环境污染的影响程度。随着城市化进程的不断加快,城市土壤对城市环境质量和人类健康的影响日益受到关注,阐明城市土壤污染现状、程度和污染源分布等问题就显得越来越重要。因此,用环境磁学来研究城市的污染状况是今后发展的一个重要方向。

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