杭州城区土壤的磁性与磁性矿物学及其环境意义.pdf

书书书 第５ １卷 第３期 ２ ０ ０ ８年５月 地 球 物 理 学 报 ＣＨ Ｉ Ｎ Ｅ Ｓ Ｅ Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｇ Ｅ Ｏ Ｐ ＨＹ Ｓ Ｉ Ｃ Ｓ Ｖ ｏ ｌ ． ５ １，Ｎ ｏ ． ３ Ｍ ａ ｙ，２ ０ ０ ８ 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， ２ ０ ０ ８，５ １（３） ７ ６ ２～７ ６ ９ Ｌ ｕＳＧ，Ｂ ａ ｉＳ Ｑ．Ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃｍ ｉ ｎ ｅ ｒ ａ ｌ ｏ ｇ ｙｏ ｆｔ ｈ ｅ Ｈ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕｕ ｒ ｂ ａ ｎｓ ｏ ｉ ｌ ｓａ ｎ ｄｉ ｔ ｓｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｉ ｍ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ．犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犑．犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊．（ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ） ，２ ０ ０ ８，５ １（３） ７ ６ ２～７ ６ ９ 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 ３ １ ０ ０ ２ ９ 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 １ ２ ８ １ ０ －８ｍ３ ｋ ｇ －１， 频率磁化率平均值３． ６％（ 样品数＝１ ８ ２） ， 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（Ｓ Ｐ） 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（Ｓ Ｉ 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Ｓ ＥＭ／Ｅ Ｄ Ｘ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（Ｐ Ｓ Ｄ  ＭＤ） 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 ０ ０ ０ １  ５ ７ ３ ３（ ２ ０ ０ ８）０ ３  ０ ７ ６ ２  ０ ８ 中图分类号 Ｐ ３ １ ８收稿日期２ ０ ０ ７  ０ ４  ２ ９， ２ ０ ０ ８  ０ １  ２ ８收修定稿 基金项目 国家自然科学基金（４ ０ ７ ７ １ ０ ９ ６） 和浙江省自然科学基金杰出青年团队项目（Ｒ ３ ０ ５ ０ ７ ８） 资助． 作者简介 卢升高， 男，１ ９ ６ ２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  ｍ ａ ｉ ｌｌ ｕ ｓ ｇ ＠ ｚ ｊ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 犕 犪 犵 狀 犲 狋 犻 犮 犮 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犿 犪 犵 狀 犲 狋 犻 犮犿 犻 狀 犲 狉 犪 犾 狅 犵 狔狅 犳 狋 犺 犲犎 犪 狀 犵 狕 犺 狅 狌狌 狉 犫 犪 狀狊 狅 犻 犾 狊 犪 狀 犱 犻 狋 狊 犲 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋 犪 犾 犻 犿 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀 狊 Ｌ ＵＳ ｈ ｅ ｎ ｇ  Ｇ ａ ｏ，Ｂ Ａ ＩＳ ｈ ｉ  Ｑ ｉ ａ ｎ ｇ 犆 狅 犾 犾 犲 犵 犲 狅 犳犈 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋 犪 犾犪 狀 犱犚 犲 狊 狅 狌 狉 犮 犲犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲 狊，犣 犺 犲 犼 犻 犪 狀 犵犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犎 犪 狀 犵 狕 犺 狅 狌３ １ ０ ０ ２ ９，犆 犺 犻 狀 犪 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 Ａｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ｅ ｄｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃｓ ｔ ｕ ｄ ｙｏ ｆｕ ｒ ｂ ａ ｎｓ ｏ ｉ ｌ ｓｉ ｎ Ｈ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕＣ ｉ ｔ ｙ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ，ｗ ａ ｓｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄｏ ｕ ｔ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｅ ｄ ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｓ ｍ ａ ｎ ｄ ｒ ｏ ｃ ｋｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｓ ｍ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｓ ． Ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓｓ ｈ ｏ ｗ ｅ ｄｔ ｈ ａ ｔｔ ｈ ｏ ｓ ｅｕ ｒ ｂ ａ ｎｓ ｏ ｉ 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布 范 围；Ｃ ｈ ａ ｎ等［ ２］和 Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｖ ｓ ｋ ｙ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［３，４，１ ０，１ ２，１ ４］和中国［１ ５～１ ９］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１ ８ ２个． 同时， 在杭州市东北部采集相同母质的农地表土样 品６ ０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Ｂ ａ ｒ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｎＭＳ ２磁化率仪测定， 等温剩磁采用英 国Ｍ ｏ ｌ ｓ ｐ ｉ ｎ脉冲磁化仪和Ｍ ｉ ｎ ｉ ｓ ｐ ｉ ｎ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 （χｆ ｄ，χｆ ｄ＝［χｌ ｆ－χｈ ｆ］ ／χｌ ｆ１ ０ ０） 、 软剩磁（Ｓ ｏ ｆ ｔ犐 犚犕 ＝犐 犚犕２ ０ ｍＴ） 、硬 剩 磁 （Ｈ ａ ｒ ｄ犐 犚犕＝犛 犐 犚犕  犐 犚犕３ ０ ０ ｍＴ） 、 饱和等温剩磁（犛 犐 犚犕＝犐 犚犕１ ０ ０ ０ ｍ Ｔ） 等磁 性参数以及犉 ３ ０ ０ ｍ Ｔ（犉３ ０ ０ ｍ Ｔ＝犐 犚 犕３ ０ ０ ｍ Ｔ／犛 犐 犚 犕１ ０ ０） 、 犛－１ ０ ０ ｍＴ（犛－１ ０ ０ ｍＴ＝［犛 犐 犚犕  犐 犚犕－１ ０ ０ ｍ Ｔ］ ／ ［犛 犐 犚犕］ １ ０ ０） 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［ ２ ０～２ ２］． 选取６个典型城市土壤进行详细的岩石磁学研 究， 其中Ｈ ２、Ｈ ６、Ｈ １ ０、Ｈ ７ ８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１ ９ ７１ ０ －８、 ７ ４ １１ ０ －８、 ３ ９ ０１ ０ －８和 ５ ２ ２１ ０ －８ｍ３ ｋ ｇ －１． Ｈ ２ １和 Ｈ １ １ ３为交通沿线土 壤， 采自风起路和登云路， 磁化率分别是１ ３ ２１ ０ －８ 和３ ６ ７１ ０ －８ ｍ ３ ｋ ｇ －１．磁化率－温度（ χ－犜） 曲 线用ＡＧ Ｉ Ｃ Ｏ公司生产的Ｋ Ｌ Ｙ  ３卡帕桥测量，Ｃ Ｓ  ３ 作为温度控制系统．磁滞回线用Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ Ｍ ａ ｇ２ ９ ０ ０型 交变梯度磁力仪测量， 并计算磁滞参数饱和剩磁 （犕 狉 狊） 、 饱和磁化强度（犕 狊） 、 矫顽力（犎 犮） 和剩磁矫 顽力（犎 犮 狉）．岩石磁学测量由中国科学院地质与地 ３６７ 地 球 物 理 学 报（Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅＪ ． Ｇ ｅ ｏ ｐ ｈ ｙ ｓ ．） ５ １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（Ｓ ＥＭ） 观察和电子 探针（ 能谱仪Ｅ Ｄ Ｘ） 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 １ ０ －８～ ９ １ ４ １ ０－８ ｍ ３ ｋ ｇ －１， 平均为１ ２ ８１ ０ －８ ｍ ３ ｋ ｇ －１．郊区农地的磁化率变 幅在７１ ０ －８～４ ０１ ０－８ｍ３ ｋ ｇ －１， 平均为１ ７ １ ０ －８ ｍ ３ ｋ ｇ －１， 与该区域同一母质发育的自然土壤 磁测结果一致［ ２ ０］．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， 犛 犐 犚犕不受顺 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， 而软剩磁犐 犚犕２ ０ ｍＴ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［ ４，７～１ ０］． 表１ 城市土壤的环境磁学参数测定结果 犜 犪 犫 犾 犲１ 犈 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋 犪 犾犿 犪 犵 狀 犲 狋 犻 狊 犿狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳狌 狉 犫 犪 狀狊 狅 犻 犾 狊 磁性参数 城市土壤（犖＝１ ８ ２） 范围（ 平均值）标准误差 郊区农地（犖＝６ ０） 范围（ 平均值）标准误差 χ／ （１ ０－８ｍ ３ ｋ ｇ －１） ９～９ １ ４（１ ２ ８）９ ４． ９７～４ ０（１ ７）５． ３ χｆ ｄ／ （％） ０． ７～１ １． ３（３． ６）１． ７－①－ Ｓ ｏ ｆ ｔ犐 犚犕／ （１ ０－３Ａｍ ２ ｋ ｇ －１） ０． ０ ３～６ ４． ３ ６（３． ９ ５）３． ７ ５０． ０ １～０． ９ ６（０． ２ ０）０． １ ０ Ｈ ａ ｒ ｄ犐 犚犕／ （１ ０－３Ａｍ ２ ｋ ｇ －１） ０． １ １～８． ３ １１． ５ ００～０． ３ １（０． １ ８）０． ０ ６ 犛 犐 犚犕／ （１ ０－３Ａｍ ２ ｋ ｇ －１） ０． １ ４～２ ５ ４． ５ ５（２ ５． ６ ２）２ １． ０ ８０． ３ ８～６． ０ ５（１． ９ ５）０． ７ ５ 犉３ ０ ０ ｍＴ／ （％）５ ３． ５～１ ０ ０（９ １． １）４． ８７ ０． ３～１ ０ ０（９ ０． ２）５． ２ 犛－１ ０ ０ ｍＴ／ （％）４ ２． ０～１ ０ ０（６ ５． ５）７． ０２ ０． ３～６ ８． ９（４ ８． ０）９． ６ 注①土壤磁化率比较低， 导致χｆ ｄ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（χｆ ｄ） 的相关性 Ｉ Ａ 工业区，Ｒ Ｓ 交通沿线，Ｒ Ｃ 居民与商业区，Ｐ Ｇ 公园与绿地． Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃｓ ｕ ｓ ｃ ｅ ｐ ｔ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ（χ）ａ ｎ ｄ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ  ｄ ｅ ｐ ｅ ｎ ｄ ｅ ｎ ｔ ｓ ｕ ｓ ｃ ｅ ｐ ｔ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ（χｆ ｄ）ｉ ｎｕ ｒ ｂ ａ ｎｓ ｏ ｉ ｌ ｓ Ｉ Ａ  ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｉ ａ ｌ ａ ｒ ｅ ａ，Ｒ Ｓ  ｒ ｏ ａ ｄ ｓ ｉ ｄ ｅ，Ｒ Ｃ  ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ａ ｒ ｅ ａ ｓ ａ ｎ ｄｃ ｏ ｍｍ ｅ ｒ ｃ ｉ ａ ｌ ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ，Ｐ Ｇ  ｐ ａ ｒ ｋ ｓａ ｎ ｄｇ ｒ ｅ ｅ ｎｒ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｒ ｅ ａ ｓ ． 表示土壤中磁性颗粒大小的频率磁化率（χｆ ｄ） 则相反， 城市土壤的频率 磁 化 率 变幅 在０． ７％～ １ １． 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 （Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｐ ａ ｒ ａ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｇ ｒ ａ ｉ ｎ，Ｓ Ｐ） 很少．根据 Ｄ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ（１ ９ ９ ９） ［２ １］提出的应 用χｆ ｄ半定量估算Ｓ Ｐ颗粒浓度的模型，χｆ ｄ＜２％基 本没有Ｓ Ｐ颗粒，χｆ ｄ在２％～１ ０％的样品Ｓ Ｐ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Ｓ Ｐ颗粒对磁 性的贡献很少．土壤磁学研究表明［ ２ ０］， 由沉积母质 发育的自然土壤， 土壤磁化率值随χｆ ｄ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． ４６７ 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） 与犐 犚犕２ ０ ｍＴ和犛 犐 犚犕的相关性（犖＝１ ７ ８） 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犐 犚犕２ ０ ｍＴ；（ｂ）磁化率犛 犐 犚犕． Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｂ ｉ  ｐ ｌ ｏ ｔ ｓｏ ｆｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃｐ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｉ ｎｕ ｒ ｂ ａ ｎｓ ｏ ｉ ｌ ｓ（犖＝１ ７ ８） Ｓ ａ ｍ ｐ ｌ ｅ ｓｗ ｉ ｔ ｈｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｓｍ ｏ ｒ ｅ ｔ ｈ ａ ｎｆ ｉ ｖ ｅｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄｄ ｅ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓａ ｒ ｅｎ ｏ ｔ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｅ ｄ ｉ ｎｔ ｈ ｅｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ． （ａ）Ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃｓ ｕ ｓ ｃ ｅ ｐ ｔ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙｖ ｓ犐 犚犕２ ０ ｍＴ；（ｂ）Ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃｓ ｕ ｓ ｃ ｅ ｐ ｔ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙｖ ｓ犛 犐 犚犕 犉３ ０ ０ ｍＴ和犛－１ ０ ０ ｍ Ｔ比值是反映样品中亚铁磁性矿 物（Ｆ ｅ ３Ｏ４或γＦ ｅ２Ｏ３）和不完整反铁磁性物质（α Ｆ ｅ２Ｏ３或γ Ｆ ｅ Ｏ ＯＨ） 相对比例的参数．城市土壤的 犉３ ０ ０ ｍ Ｔ平均值达到９ １％以上， 表明经３ ０ ０ｍＴ磁场磁 化后， 土 壤 所 携 剩 磁 接 近 饱 和，犛－１ ０ ０ ｍＴ平 均 值＞ ６ ５％， 指示亚铁磁性矿物（ 如Ｆ ｅ３Ｏ４） 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 Ｆ ｅ２Ｏ３） 的贡献．磁化率与Ｓ ｏ ｆ ｔ犐 犚犕和犛 犐 犚犕的高 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 犐 犚犕获得曲线及反向场退磁特征 等温剩磁（ 犐 犚犕） 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．典型城市土壤的犐 犚犕获得曲线（ 图３） 表明， 城市土壤的犐 犚 犕在０～ １ ０ ０ｍ Ｔ快速上升， 在１ ０ ０ｍ Ｔ 磁场下达到饱和值的７ ４％～８ ２％， 在３ ０ ０ｍＴ磁场 下基本接近饱和， 犐 犚犕达到饱和值的９ ５％～９ ８％， 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３ ０ ０ｍＴ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．典型城市土壤的犅 犮 狉则在３ ０ ～ ５ ２ｍ Ｔ之间， 指示亚铁磁性矿物Ｆ ｅ ３Ｏ４是土壤剩余磁性的主要 载体．城市土壤犐 犚犕２ ０ ｍ Ｔ与犛 犐 犚犕的极显著直线正相 关关系（ 犛 犐 犚犕＝４ ． ３ ０ ９ ４Ｓ ｏ ｆ ｔ犐 犚犕＋８ ３ ７ ６ ． ４，犚 ２＝ ０ ． ９ ４ ４，狆＜ ０ ． ０ １） 进一步说明了亚铁磁性矿物Ｆ ｅ３Ｏ４ 是土壤剩磁的主要贡献者．根据犅 ′ 犮 狉／犅 犮 狉比值（犅 ′犮 狉系 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，犅 犮 狉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， 典型城市土壤的犅 ′ 犮 狉／犅 犮 狉比在１． ２ ５～１． ９ ３． 据Ｄ ａ ｎ ｋ ｅ ｒ ｓ报道［ ２ ３］， 各种粒度纯 Ｆ ｅ３Ｏ４的犅 ′ 犮 狉／犅 犮 狉 值在１． ６０． ２， 因此， 可以认为， 城市土壤中Ｆ ｅ ３Ｏ４ 占主导地位， 而样品中的赤铁矿增大犅 犮 狉值， 从而导 致犅 ′ 犮 狉／犅 犮 狉值降低．由于工业过程形成的Ｆ ｅ ３Ｏ４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（ 犐 犚犕） 获得曲线和矫顽力谱（犅 犮 狉为剩磁矫顽力） Ｆ ｉ ｇ ． ３ 犐 犚犕ａ ｃ ｑ ｕ ｉ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓａ ｎ ｄｃ ｏ ｅ ｒ ｃ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａｏ ｆ犐 犚犕ｏ ｆ ｔ ｙ ｐ ｉ ｃ ａ ｌｕ ｒ ｂ ａ ｎｓ ｏ ｉ ｌ ｓ ａ ｍ ｐ ｌ ｅ ｓ （犅 犮 狉 ｒ ｅ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｅ ｒ ｃ ｉ ｖ ｅ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ）． ５６７ 地 球 物 理 学 报（Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅＪ ． Ｇ ｅ ｏ ｐ ｈ ｙ ｓ ．） ５ １卷 Ｆ ｅ３Ｏ４的犅 犮 狉值偏高． ３． ２． ２ χ  犜曲线 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［ ７，８，１ ３，１ ６］．典型城市土壤样品 的磁化率温度（ χ  犜） 曲线见图４．χ  犜曲线在２ ７ ０℃ ～２ ９ ０℃之间形成一个小隆起， 在４ ０ ０℃后磁化率明 显增大， χ  犜曲线在５ ０ ０℃附近形成峰值， 随后迅速 降低， 在５ ８ ０℃接近零， 呈现出磁铁矿的居里温度 （ 犜 犮） ， 说明样品的主要磁性矿物是磁铁矿． ４ ０ ０℃～ ５ ０ ０℃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［ ２ ４］． ２ ７ ０℃～２ ９ ０℃之间的小隆起可能是磁赤铁 矿转变为赤铁矿引起的［ ２ ５］．样品的冷却曲线基本 一 致， 样品在冷却至５ ８ ０℃时磁化率急剧上升， 至 图４ 典型城市土壤的磁化率温度（χ  犜） 曲线 实线和虚线分别代表加热和冷却过程 Ｆ ｉ ｇ ． ４ Ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃｓ ｕ ｓ ｃ ｅ ｐ ｔ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙｖ ｓ ． ｔ ｅ ｍ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓ（χ  犜）ｆ ｏ ｒ ｔ ｙ ｐ ｉ ｃ ａ ｌｕ ｒ ｂ ａ ｎｓ ｏ ｉ ｌ ｓ ａ ｍ ｐ ｌ ｅ ｓ Ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｌ ｉ ｎ ｅｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｓｈ ｅ ａ ｔ ｉ ｎ ｇｒ ｕ ｎａ ｎ ｄｔ ｈ ｉ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎ ｇｒ ｕ ｎ ． 图５ 典型城市土壤的磁滞回线 犕 狊 饱和磁化强度，犕 狉 狊 饱和剩磁， 犅 犮 矫顽力，犅 犮 狉剩磁矫顽力． Ｆ ｉ ｇ ． ５ Ｈ ｙ ｓ ｔ ｅ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｌ ｏ ｏ ｐ ｓｏ ｆ ｔ ｙ ｐ ｉ ｃ ａ ｌ ｕ ｒ ｂ ａ ｎｓ ｏ ｉ ｌ ｓ ａ ｍ ｐ ｌ ｅ ｓ 犕 狊 ｓ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，犕 狉 狊 ｓ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，犅 犮 ｃ ｏ ｅ ｒ ｃ ｉ ｖ ｅ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ， 犅 犮 狉 ｃ ｏ ｅ ｒ ｃ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙｏ ｆ ｒ ｅ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｃ ｅ ． ５ ０ ０℃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２ ０ ０ｍ Ｔ 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（犕 狉 狊） 、 饱和磁化强度（犕 狊） 、 剩磁矫顽力（ 犅 犮 狉） 和矫顽力（犅 犮） 参数， 磁滞参数比 反映了磁性矿物的粒度特征［ ２ ６，２ ７］， 典型城市土壤的 犕 狉 狊／犕 狊在０． ０ ７ ８～０． １ ４ ０范围，犅 犮 狉／犅 犮在２． ５ ３ ８～ ３． ８ ５ ５范围， 在以犅 犮 狉／犅 犮为横坐标，犕 狉 狊／犕 狊为纵 坐标作成的Ｄ ａ ｙ ［２ ６］图上（ 图６） ， 城市土壤样品位于 图６ 典型城市土壤的犅 犮 狉／犅 犮  犕 狉 狊／犕 狊图 Ｓ Ｄ 稳定单畴，Ｐ Ｓ Ｄ 假单畴，ＭＤ 多畴． Ｆ ｉ ｇ ． ６ Ｐ ｌ ｏ ｔ ｏ ｆ犅 犮 狉／犅 犮  犕 狉 狊／犕 狊ｆ ｏ ｒ ｔ ｙ ｐ ｉ ｃ ａ ｌ ｕ ｒ ｂ ａ ｎｓ ｏ ｉ ｌ ｓ ａ ｍ ｐ ｌ ｅ ｓ Ｓ Ｄ  ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅｄ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ，Ｐ Ｓ Ｄ  ｐ ｓ ｅ ｕ ｄ ｏ  ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅｄ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ，Ｍ Ｄ  ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｄ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ ． ６６７ 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（ Ｐ Ｓ Ｄ） 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Ｐ Ｓ Ｄ  ＭＤ颗 粒．值得指出的是Ｄ ａ ｙ图所示的颗粒度解释比较复 杂［ ２ ７］， 对于０． ０ ２≤犕 狉 狊 ／犕 狊≤０． ５，１≤犅 犮 狉／犅 犮≤５ 的样品， 可能为Ｐ Ｓ Ｄ／Ｓ Ｄ／ＭＤ的混合物．工业区土 壤的犕 狉 狊／犕 狊为０ ． ０ ８～０ ． １ １， 犅 犮 狉／犅 犮为３ ． １ ６～３ ． ８ ６ ． 交通沿线土壤的犕 狉 狊／犕 狊在０ ． １ １～０ ． １ ４，犅 犮 狉／犅 犮在 ２ ． ５ ４ ～ ３ ． ４ ７ ． ３． ２． ４ Ｓ ＥＭ／Ｅ Ｄ Ｘ 城市土壤磁性颗粒的扫描电子显微镜（Ｓ ＥＭ） 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１ ０ ～ ３ ０μｍ， 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Ｓ ＥＭ图．球粒状颗粒的电子探 针（Ｅ Ｄ Ｘ） 分析揭示磁性颗粒主要由Ｆ ｅ、 Ｓ ｉ、Ｓ等元素 组成，并含有微量Ｃ ｄ、Ｃ ｕ、Ｚ ｎ、Ｐ ｂ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１ ０～１ ０ ０μｍ， 表面粘附１～６μｍ的小圆球．综合 等温剩磁（ 犐 犚犕） 获得曲线、 χ  犜曲线、 磁滞回线、 Ｓ ＥＭ／Ｅ Ｄ Ｘ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Ｐ Ｓ Ｄ和ＭＤ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１ ０ １ ０ － ８～ ４ ０ １ ０－８ｍ３ ｋ ｇ －１之 间［ ２ ０］．测定的杭州郊区农地土壤磁化率平均值为 １ ７１ ０ －８ ｍ ３ ｋ ｇ －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１ ８． ８、 １ ０． 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（Ｓ ＥＭ） （ 左） 和电子探针（Ｅ Ｄ Ｘ） （ 右） 图谱 Ｆ ｉ ｇ ． ７ Ｓ ｃ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ（Ｓ ＥＭ）ｉ ｍ ａ ｇ ｅ ｓ（ｌ ｅ ｆ ｔ）ａ ｎ ｄｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ  ｄ ｉ ｓ ｐ ｅ ｒ ｓ ｉ ｖ ｅＸ  ｒ ａ ｙ（Ｅ Ｄ Ｘ）ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ（ ｒ ｉ ｇ ｈ ｔ） ｏ ｆｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅｕ ｒ ｂ ａ ｎｓ ｏ ｉ ｌ ａ ｎ ｄｆ ｌ ｙａ ｓ ｈ ７６７ 地 球 物 理 学 报（Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅＪ ． Ｇ ｅ ｏ ｐ ｈ ｙ ｓ ．） ５ １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［ １ ０，１ ４，１ ５，２ ５，２ ８］， 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［ ２ ９］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Ｃ ｕ、Ｚ ｎ、Ｐ ｂ、Ｚ ｎ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［ ３ ０］， 城市土壤的磁化率、 犃 犚犕、犐 犚犕２ ０ ｍＴ和 犛 犐 犚犕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＞１ ０ ０１ ０ －８ ｍ ３ ｋ ｇ －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 （ Ｓ Ｐ） 颗粒 为 主的磁 性矿物．我 们 的 土 壤 磁 测 证 明［ ２ ０］， 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Ｓ Ｐ颗粒的数量， 表现为磁化率随χｆ ｄ的增大而增强， 磁化率与χｆ ｄ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［ ４，１ ０，１ ４，２ ５］， 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