中国北方城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兰州市区及对照点大气自然降尘的磁学特征. 结果表明, 兰州市大气降尘中磁性矿物含量较高, 主要含有磁铁矿, 并伴有少量磁赤铁矿和赤铁矿, 磁性矿物为准单畴颗粒; 兰州市自然粉尘背景值较高, 但市区污染物以人为源为主, 尤其在冬季采暖期间; 在春、夏季节, 兰州市的污染仍以人为源为主, 与通常认为兰州市污染冬季以燃煤为主, 春、夏季以粉尘为主的模式有较大差异. 近年来, 兰州市空气污染防治已取得了一定成效, 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, 可以为城市污染源研究及城市污染防治研究提供许多极有价值的信息.     

不同环境污染载体的磁学研究及其应用特点

环境磁学因其快速、经济以及对样品破坏性小的优点,逐渐在现代环境污染研究中发挥着重要作用.研究对象也扩展到土壤、降尘、植物和沉积物等污染载体.为了探讨现代污染中环境磁学的应用,回顾了环境磁学应用于环境污染研究的发展情况,总结了国内外基于不同污染载体的环境磁学研究成果,并对土壤、降尘、植物和沉积物在环境磁学研究中的特点及局限进行了初步探讨.除了反映污染分布外,各污染物载体的磁学应用各有侧重:土壤分布广泛,并可以用于反映中长期污染历史;降尘可用于监测短期污染变化;植物的磁学研究提供了高分辨率的污染分布图,且更为经济;沉积物稳定沉积以及受外界干扰较小,有助于污染历史的研究.不过,磁背景值的区分,人类活动对污染载体磁信息干扰等问题也需要得到关注.并认为,在未来的环境磁学发展方向中,应该努力挖掘现有参数的新意义,探索新的环境磁学参数,深入探讨磁性响应机理,同时运用不同污染物载体作为研究对象进行综合分析.     

西安市道路灰尘磁学特征及其对环境的响应

西安市道路表面灰尘样品的环境磁学研究显示磁化率(χ)、非磁滞磁化率（χ_ARM）以及饱和等温剩磁（SIRM）均比较高,表明样品中磁性矿物含量较高.其中磁化率（χ）主要受人类活动强度影响,而非磁滞磁化率（χ_ARM）及饱和等温剩磁（SIRM）则由人为活动强度和磁性矿物种类共同决定.κ-T曲线以及等温剩磁（IRM）获得曲线显示样品中磁铁矿和磁赤铁矿等亚铁磁性矿物占主导,并可能含有少量的单质铁,其相对含量与人类活动种类有关：与单纯的交通排放及冶金活动相比,密集的人群流动可带来更多的单质铁矿物.磁畴图谱显示磁性矿物粒径变化不大,以准单畴及多畴颗粒等粗颗粒为主,明显大于成土作用形成的磁性颗粒.综合磁性矿物含量种类以及粒径可辨别污染及污染来源,提供污染监测的磁学手段,并初步进行污染来源划分.     

合肥地区沙尘暴降尘过程的大气细粒子谱观测研究

2010年3月20日至3月28日,利用大气细粒子谱分析仪对合肥地区大气细粒子谱进行连续在线观测.观测过程涵盖整个沙尘暴降尘期、间歇性降雨期及晴好天气粒子浓度增长期.颗粒物数浓度分析表明,沙尘暴降尘期内核模态(Nucleation mode, 5~20 nm)、爱根核模态(Aitken mode, 20~100 nm)和积聚模态(Accumulation mode, 100~1000 nm)粒子浓度分别为898 cm-3、3424 cm-3、1587 cm-3,并未明显高于间歇性降雨期(粒子浓度分别为255 cm-3、1509 cm-3、1213 cm-3)和晴好天气粒子浓度增长期(粒子浓度分别为706 cm-3、4891 cm-3、2468 cm-3);沙尘暴降尘期粗粒子模态(Coarse mode, 1~10 μm) 粒子值达到 48 cm-3,浓度远高于其他观测期.粒谱分析表明:合肥地区大气细粒子谱呈典型双峰结构,第一峰值出现在10~20 nm之间,第二峰值出现在100 nm左右,而且不同天气条件下细粒子谱峰值位置略有不同;沙尘暴降尘期,粒径10 nm以下和400 nm以上粒子浓度值高于间歇性降雨期和晴好天气粒子浓度增长期,而并非只有粗粒子模态粒子浓度高于其他时段.     

临汾市树叶磁性的时空变化特征及其对大气重金属污染的指示

粉煤灰经工厂废气排放进入大气,对人类健康和生态系统都造成了无法弥补的破坏.本文选取具有高空间分辨率优势的树叶作为收集粉煤灰的载体,对临汾市大气中可吸入颗粒物进行磁学参数和重金属含量监测.结果表明,磁化率最大值出现在工厂污染源附近,磁化率空间分布呈现随污染源距离增加而降低的趋势.工业区收集到的磁性颗粒以低矫顽力、粗粒度的磁铁矿为主.夏季磁性矿物来源单一,主要为人为影响.冬季大气中悬浮的磁性颗粒有部分来自于西北风/北风的自然尘降.同一采样点磁化率随时间变化特征表明,树叶的磁学性质可以灵敏和有效地反映较短时期内大气污染的现状.统计分析表明磁化率和重金属元素(铁,铬,镍,铜,铅,钴)之间存在显著相关性.污染负荷指数用于评估研究区域内重金属各元素综合污染的程度.结果显示,在废弃的旧工业区附近无大气污染指示,但在运营中的工厂集中的地区,大气均受到严重污染.污染负荷指数与表征磁性矿物含量的磁化率呈相关性(r2=0.66),因此树叶的磁性参数可以作为大气重金属污染的替代指标.     

湖泊沉积物磁学特征指示的埃及Faiyum盆地全新世以来的环境演变

利用埃及北部Faiyum盆地获得的高取芯率沉积物岩芯,进行沉积物多种磁性参数的测量,结合有机碳、介形虫、粒度等分析,在AMS14C加速器测年的基础上,建立全新世以来湖泊沉积物磁性特征变化的时间序列.结果表明,粒度效应以及沉积后的各种次生作用对沉积物的磁性特征没有明显的影响,磁性变化主要反映了沉积物不同来源组成的相对变化.全新世前沉积物磁性较弱,主要含不完全反铁磁性矿物,与周边沙漠的物质相似,结合其粒度特征,沉积物来源应以近源物质为主.全新世早中期(约10 5.4 ka BP)沉积物磁性变化相对稳定,有机质含量也较高,指示了来自尼罗河较为稳定的物质供应;而大约5.4 ka BP尤其最近约4.2 ka BP以来,磁性的明显变化反映了流域降水减少情况下,来自青尼河物质贡献的相对增加;最近约2.0 ka BP以来沉积物的磁性变化,则更多地与盆地人类活动的强化有关.总体而言,Faiyum盆地全新世以来的环境演变主要受控于全新世以来尼罗河与盆地的水力学联系.即:全新世前盆地未与尼罗河连通时,沉积物主要来源于周边沙漠的风成物质;而受全新世早-中期来流域季风降水增加的影响,泛滥的尼罗河为盆地提供了相对稳定的物质供应,湖泊也处于高湖面;全新世晚期以来,随着流域干旱化的加剧,尼罗河与盆地的连通性开始减弱,来自高磁性的青尼罗河物质贡献开始相对增加.最近约2.0 ka BP以来,虽然仍有人工运河连接尼罗河与盆地,但沉积物磁性的显著变化更多地反映了盆地人类活动的不断强化.     

西北太平洋采薇海山表层沉积的岩石磁学特征及其对深海环境过程的指示

采薇海山位于西北太平洋麦哲伦海山区,是由中国发现、命名并负责资源勘探的重点调查区之一.本文利用大洋27航次在采薇海山北坡MABC-05站获得的箱式沉积物样品,开展了详细的岩石磁学研究.结果显示表层沉积物中的磁性矿物以颗粒较细的、矫顽力较低的磁铁矿为主;利用对数正态分布函数可以区分三个具有不同矫顽力值的磁性颗粒组分,并发现磁性颗粒的矫顽力值变化可以有效指示沉积物埋藏后的早期成岩特征.在参考现代物理海洋过程的基础上,我们推测南极底层水团的演化和太阳辐射的变化可能共同影响了采薇海山区海洋底层环境过程.这一结果为探讨南极气候状况对北太平洋的可能影响,评估海洋上层与底层的相互作用等重要科学问题提供了新途径.

     

澳大利亚悉尼Long Reef Beach中新世古土壤岩石磁学特征及环境意义

本文对发育在澳大利亚悉尼附近的Long Reef Beach中新世古土壤剖面进行了系统的岩石磁学研究,测量了磁化率、饱和磁化强度、饱和等温剩磁、非磁滞剩磁等常温磁学参数和磁滞回线,并对所有样品进行了热磁分析.实验结果表明:全新世软土层主要磁性矿物为MD颗粒磁铁矿,磁性矿物含量与黄土高原黄土层相当.中新世老成土层随地层深度增加主要磁性矿物由磁铁矿转变为磁赤铁矿,随着磁铁矿向磁赤铁矿的转化,开始出现赤铁矿;磁性矿物粒径分布较广,以PSD颗粒为主,其次为SD颗粒,同时含有少量MD颗粒;磁性矿物含量高于黄土高原强发育古土壤层.中新世红土矿层主要磁性矿物为赤铁矿,同时含有少量磁赤铁矿和针铁矿,属于铁的富集层,赤铁矿以SD颗粒为主,含少量PSD和MD颗粒.Long Reef Beach中新世古土壤形成时期,对应着一种全球性高温多雨气候,地表化学风化作用十分强烈.丰富的降水,导致中新世老成土层发生淋溶作用,磁铁矿在向下淋溶迁移过程中逐渐氧化为磁赤铁矿和赤铁矿,铁氧化物最终在红土矿层淀积,磁赤铁矿经高温压实作用再结晶转化为赤铁矿.磁性矿物转化过程可概括为磁铁矿—磁赤铁矿化的磁铁矿—磁赤铁矿—赤铁矿,其中部分磁赤铁矿具有热稳定性,在空气(氩气)环境中加热到700℃未发生转化.     

晚更新世以来南海中央海盆沉积物的磁学特征：对物源和东亚季风演化的指示

南海沉积物记录了丰富的高原隆升剥蚀、古海洋、东亚季风和区域构造演化信息,是研究东亚季风和古环境演化的理想材料.但是,由于南海沉积环境复杂,物质来源多样,使得沉积物定年和环境气候探讨的难度加大.为此,本文选取南海中央海盆的SCS-01钻孔作为研究对象,建立其准确的年代框架,综合利用磁学和地球化学分析方法,探讨沉积物物源及其对东亚季风演化的指示.首先,通过对沉积物样品的岩石磁学特征分析,表明沉积物的主要载磁矿物为低矫顽力的假单畴磁铁矿,载磁矿物颗粒大小均一、含量变化小,基本符合建立地磁场相对古强度(Relative Paleointensity, RPI)曲线的“均一性”标准.在此基础上利用磁化率和非磁滞剩磁对天然剩磁进行归一化处理得到RPI,将钻孔的RPI曲线与全球或区域的标准RPI曲线(Sint-200, NAPIS-75和SCS-PIS)进行比较,得到了6个年龄控制点,并结合AMS-¹⁴C测年结果,建立了南海中央海盆75 ka以来的时间框架.SCS-01钻孔的RPI记录和其他全球性观测结果的一致性表明,南海的沉积物记录了全球尺度的地磁场古强度行为模式.综合稀土元...     

典型沙漠绿洲城市表土磁性特征及环境指示意义

选取典型沙漠绿洲城市（乌海、石嘴山、银川）表土为研究对象,对其环境磁学性质、土壤质地与重金属含量分布进行系统研究.结果表明,乌海市和石嘴山市表土为典型砂土,银川市为砂壤土.三个城市表土样品均以较粗的MD-PSD颗粒的亚铁磁性矿物（磁铁矿）为主导,磁化率均值分别为152×10-8、104×10-8和117×10-8 m3·kg-1.乌海市表土磁性矿物含量和磁性颗粒大小都显著高于石嘴山和银川市.重金属（Cr、Cu、Pb、Zn、Fe）的污染负荷指数（PLI）均显示,三个城市表土均存在轻度污染特征.同时磁化率和污染负荷指数在非工业区表现出点状高值分布,在工业区表现为面状高值分布特征.乌海市表土磁参数与重金属的相关系数显著高于石嘴山和银川,表明磁参数对于污染来源单一地区的污染程度评估更具优势.尽管三个城市表土磁学性质存在较大差异,但其磁化率均随污染负荷指数的增加呈现相同程度的递增.磁化率可以作为宁夏平原地区表土重金属污染程度评估的统一有效的代用指标.     

钢铁厂周围不同污染介质的磁学性质及环境意义

为了通过钢铁厂周围不同污染介质的磁学性质研究,实现对环境污染的有效监测,本文系统地采集了河北兴隆和湖南娄底两个钢铁厂周围的树皮和草表面的飞灰、土壤及不同树种的年轮样品.其中前三者用来反映现今污染源,而树木年轮用来追踪长时间尺度的污染历史.通过综合岩石磁学实验分析（包括热磁曲线、磁滞性质和低温实验等）、电子扫描电镜(SEM)和能谱(EDX)以及X射线衍射(XRD)分析,发现钢铁厂周围现今污染源中的主要粗颗粒磁性矿物为磁铁矿、赤铁矿和纯铁.其中8~50 μm的球形磁铁矿颗粒和呈棱角状的铁颗粒是钢铁厂污染物的特征磁性矿物.对不同树种来说,其中香樟树和枫树树木年轮中的磁性矿物以顺磁性物质为主, 不适合用于环境磁学的污染监测.而柳树中的磁性矿物（主要为磁铁矿）与现今污染源的磁性矿物相符.以上研究表明多参数岩石磁学测量并辅以微观分析等手段,可以精确地提取磁性矿物的种类及粒度特征, 判别重工业区污染源,为应用磁学方法来监测环境污染提供依据.     

Heavy Air Pollution in Beijing and Possible Impact on Olympic Athletes

In 2001 the Olympic Games were awarded to the city of Beijing, China's second‐largest industrial center after Shanghai. Although the extreme air pollution in Greater Beijing has already been examined for some time in the scientific literature, it only gained public interest recently. The article summarizes the scientific facts.     

On the relationship between small atmospheric ions concentration and (1) smoke, (2) sulfur dioxide and (3) wind speed

In the present study the influence of smoke and sulfur dioxide concentrations and of wind velocity on the concentration of small positive and negative ions above Athens area (=37°58.3N, =23°43E,h=107 m) is examined.Between the above mentioned elements simple linear correlation and multiple linear correlation is attempted. This correlation is based on mean daily values of the elements, for the two-year period 1971–1972, for each month separately.From the above examination it has been ascertained that small ions concentration increases as smoke and/or sulfur dioxide concentration decreases. Also, small ions concentration increases as wind velocity increases.In addition, it was ascertained that sulfur dioxide contributes the least to the determination of the variance of small ions concentration, whilst the greatest contribution is made by smoke for the positive small ions or by wind velocity for the negative ones.     

大气污染对北京冬季城市和郊区辐射收支影响的观测分析

近年来城市化和大气污染对辐射收支的影响日益显著.本研究利用2013-2014年中国科学院大气物理研究所325m铁塔、南郊观象台、密云气象塔、上甸子区域大气本底站四个观测站点的辐射及自动站气象要素数据,采用南郊观象台的能见度资料将观测数据分为清洁天和污染天,并进行类比分析,以1月份为例,研究了北京地区大气污染和城郊差异对辐射收支的影响.结果表明：（1）从月平均值来看,各站污染天入射短波辐射均小于清洁天,衰减最大可达55.8 W·m-2,直接辐射亦然,衰减最大可达161.1 W·m-2,散射辐射相反,增加最大值为72.2 W·m-2;长波辐射污染天大于清洁天,向下向上长波辐射增加最大值分别为85.0 W·m2和70.0 W·m-2,且长波辐射的衰减与污染物浓度和大气温度相关;净辐射白天污染天小于清洁天,夜间相反.（2）从各站的对比可知,大气污染对入射短波辐射的衰减,南部郊区（13.2%）大于北部城区（7.4%）,与北京地区“南北两重天”的污染物分布特征一致;且污染物对长短波辐射的影响呈现了从城区到郊区衰减率依次减小的现象.本研究为大气污染与气象条件的相互作用研究提供了观测基础.     

福州盆地全新世沉积物的磁学性质及其对环境变化的响应

福州盆地位于海陆过渡地带,在海陆变迁过程中,沉积物记录了高分辨率的环境信息,是揭示沉积特征对环境变化响应过程及模式的理想区域.本文选择位于福州盆地的FZ5钻孔进行岩石磁学、环境磁学和古地磁学方面的研究,以期阐明该区域沉积物磁学性质对陆源碎屑输入、海平面变化和成岩作用的响应.岩石磁学结果表明钻孔沉积物以低矫顽力的亚铁磁性矿物为主体,但是在不同的环境变化阶段,磁性矿物的类型有较大变化.在9~3 cal. ka BP的海侵过程中,沉积物中以磁铁矿为主体,存在菱铁矿和铁硫化物等还原性矿物.硫化作用使细粒磁铁矿溶解形成胶黄铁矿和黄铁矿,其峰面随碎屑磁性矿物的浓度变化而迁移.但硫化作用没有完全消除磁铁矿携带的特征剩磁和陆源碎屑输入量以及海平面升降对该阶段沉积物磁性的控制.在~3 cal. ka BP以来随着海平面下降、沉积环境向陆相氧化环境转化,虽然早期还原作用仍然存在,但后期氧化作用使磁性矿物向高矫顽力的赤铁矿等矿物转变,氧化作用基本扰乱了磁铁矿携带的剩磁.沉积及其后期成岩作用过程中,发生在约~8.2、~7.7、~7.5、~2.7、~1.5、~0.5 cal. ka BP六次强烈的古氧化界面反映了福州盆地当时异常干旱或湿热的气候事件.     

北京沙尘频次的年际变化及其全球环流背景分析

本文采用相关和合成的分析方法,研究北京沙尘频次的年际变化及其冬、春季的全球环流背景.结果表明北京沙尘频次有年际变化的特点,并与全球范围内的环流异常相联系,特别是南、北半球的中高纬的环流异常.南半球环流异常与沙尘的联系在冬、春两季有很好的持续性和显著性,北半球中高纬环流异常与沙尘的联系冬季较春季显著.春季对流层高层的东亚西风急流增强能使低空的蒙古气旋加强和锋生,从而引起地面大风,为沙尘天气频次的增加提供动力条件.     

太湖平原WJ孔矿物磁学特征以及晚第四纪海侵事件

基于古地磁和AMS14C定年结果,对长江三角洲太湖平原的WJ孔进行岩性特征、矿物磁学、粒度分析及有孔虫化石研究,拟重建WJ孔记录的晚第四纪以来沉积环境演变过程与海侵事件,并探讨环境磁学参数对河口三角洲地区沉积环境演化的指示意义.研究结果表明,WJ孔可以划分为中更新世阶段I、中更新世阶段II、晚更新世、全新世四个阶段,沉积地貌环境分别为:河湖、滨海—阶地、河口坝—河口湾—潮滩与阶地、湖沼平原.WJ孔揭示了三次海侵事件,分别为中更新世晚期海侵,晚更新世MIS5海侵和晚更新世MIS3海侵.其中记录的MIS5e海侵最为强盛,MIS3后期也存在一次海侵加强事件.另外,滨海潮滩—河口坝环境的沉积物磁性特征明显,χlf、SIRM、HIRM等为显著高值.