城市环境中磁学响应的研究进展

收稿日期:2003203231;修订日期:2003210211作者简介:王学松(1969-),男,江苏连云港人,博士研究生1城市环境中磁学响应的研究进展王学松1,2,秦　勇1 (1.中国矿业大学资源与环境科学学院,江苏徐州　221008;2.淮海工学院化学工程系,江苏连云港　222005)摘　要:利用磁学方法研究城市环境中重金属元素的污染受到普遍关注和重视。

比较系统地探讨了城市环境中磁性矿物的来源和特征,阐述了城市环境磁学的研究内容,探讨了城市磁学研究的发展趋势,强调了运用简便、经济的磁学方法研究城市环境中重金属等污染物是今后环境磁学的一个重要的发展方向。

关　键　词:环境磁学;重金属;城市环境中图分类号:X 591 文献标识码:A 文章编号:100226002(2003)0620062203Research advance of env ironm en t al magnetis m i n urban WAN G Xue 2song 1,2,Q I N Yong 1(1.Schoo l of R esource and Environm ental Science ,Ch ina U niversity of M iningT echno logy ,Xuzhou J iangsu 221008,Ch ina ;2.D epartm ent of Chem ical Engineering ,H uaihai Institute of T echno logy ,L ianyungang J iangsu 222005,Ch ina )Abstract :In recent years ,there has been a renew ed interest in the use of m agnetic techniques to identify and study the behavi o r of anth ropogenically derived contam inants of heavy m etals in urban 1T he purpo se of th is paper is to summ arize the source and characteristic of m agnetic m inerals and expound the p resent research advance of environm ental m agnetis m in urban all over the w o rld 1In the end ,the autho r has com e to the conclusi on that m agnetic monito ring is very i m po rtant on the study of the behavi o r of anth ropogenically derived heavy m etals in urban 1Key words :environm ental m agnetis m ;heavy m etals ;urban 在环境系统中,土壤、岩石、沉积物、大气尘埃等自然物质以及人类活动所产生的次生物质往往表现出不同的磁性特征,它们与物质内含矿物的磁性类型、铁磁晶粒含量、大小构成及配比组合不同有关,在一定程度上反映了其来源母质、生成环境、搬运过程和沉积作用等综合信息。

环境磁学旨在分析物质的磁性矿物组合和特征,探索其在不同环境条件下的转化规律,利用环境系统中物质在磁性特征上的差异和联系及其所指示的环境内涵,研究不同时空尺度的环境过程、环境作用和环境问题,进而揭示环境演变的历史和机制。

由于磁性测量具有简便、快速、经济、无破坏和多用性等特点,在环境研究中得到了广泛重视,应用的领域迅速扩大。

迄今为止,环境磁学的研究已遍及全球各主要气候类型带和地质岩性区域,涉及到不同类型的湖泊、沼泽、河流和海洋系统。

城市人口集中,工业发达,交通拥挤,导致城市大气污染日趋严重,严重危害人类的健康和安全,因此,加强城市环境污染的监测和防治就显得相当迫切和重要。

近些年来,随着磁学方法优化和磁学测量仪器更新,利用环境磁学方法表征城市环境的污染程度已成为国内外研究的热点。

1　城市环境中磁性矿物的来源及其特征社会的进步和发展,促进了城市工业和交通运输业的发展,与此同时也导致了大量的污染物的产生,严重地威胁城市居民的健康和安全。

研究表明,化石燃料燃烧过程产生的飞灰中,有害的粉尘与磁性微粒是共生的。

T heis 和W irth (1977)曾经指出,煤燃烧产生的飞灰样品中大多数金属都与特定地面铁、锰以及铝的氧化物有关,其中铜、铬、砷、锌等金属几乎总是伴随铁的氧化物出现,镉、镍主要伴生在锰的氧化物中,而铅则在铁和锰的氧化物中都存在。

H an sen 等人(1985)证明,在煤燃烧产生的飞灰中的“磁性”组分含有铬、锰、钴、镍、铜、锌、铍。

L in ton (1980)以及O lson 和第19卷　第6期 中　国　环　境　监　测 V o l 119N o 162003年12月 Environm entalM onito ring in Ch ina D ec 12003Skogerboe(1975)等通过采集汽车的废气,证明了汽车排气微粒中“磁性铁”与金属铅共生。

H an sen 等人(1981)认为:“磁铁矿也可以是一种有害于健康的东西,因为它能吸留由生物活动转换的金属离子(例如类质同晶置换的锰和镍)从而成为一种缓慢释放有毒元素的载体”。

L auf et al1(1982)指出,煤燃烧时所产生的微小的磁性球粒可能是直接由煤中所含的黄铁矿微小球团转化而来,并认为这些微球团的形成与微量金属元素的富集相伴随。

H u lett et al1(1981)在鉴定飞灰样品时观察到,其中的磁性组分大都是一种被铝置换后的铁氧体(Fe213A l017O4),从而认为在尖晶石结构中,痕量元素是以置换形式出现的;另外,还观察到第一排元素(钒、铬、锰、钴、镍和锌)的富集系数在10～50倍之间。

其次,在交通运输过程中,轮胎与路面的摩擦、引擎的磨损等也可以产生磁性微粒[1]。

目前,人们热衷于运用磁学方法研究城市环境中重金属的污染状况,特别是用此法来识别和研究人类活动产生的污染性的颗粒物。

磁性矿物通常占城市大气颗粒物的5%～15%,其中铁的氧化物和氢氧化物约占10%～70%[2,3]。

富含铁等杂质的化石燃料燃烧时,根据其燃烧条件不同,其生成的磁性矿物主要是磁铁矿、磁赤铁矿或两者的混合物,通过扫描电镜可以观察到这些磁性组分呈球形,粒径小于10Λm[4];而交通运输过程中由于引擎磨损或车胎与地面摩擦产生的磁性组分则是非球形,粒径小于10Λm[5]。

2　城市环境磁学的研究现状及其发展趋势对环境研究来说,最有用的矿物磁性特征是磁化率和等温剩磁[1]。

所以,目前大气颗粒物磁学特征的研究主要集中在这两个方面,由于磁化率测量比较方便,所以目前运用磁化率表征磁性矿物的特征研究较多,而磁性矿物剩磁特征的研究较少。

从研究的介质来看,主要集中在城市表层土壤、城市植物的叶片以及直接收集大气颗粒物的磁性特征。

211　城市表层土壤的磁性特征城市土壤是城市大气污染物的主要蓄积库和指示器(indicto r),在一定程度上反映了城市环境的污染状况[6],因此,城市土壤的磁学研究应运而生。

旺罗[7]等报道了污染土壤的磁化率特征,发现污染表土的频率磁化率与磁化率呈负相关。

卢瑛[8]等对城市土壤和非城区的自然土壤的磁化率和频率磁化率进行研究认为,城市土壤的磁化率与N i、Cu、Zn、Pb活化率具有显著的相关性;频率磁化率与M n、Co、Cu、Pb活化率呈显著的负相关。

交通运输过程中能够产生类似磁铁矿的磁性矿物,而且这些磁性矿物的大小、粒径与自然成土过程中产生的磁性矿物不同[1],所以对于路边表层土壤磁性特征(磁化率)的研究较多。

许多学者的研究结果表明,交通频率与表层土壤磁化率及土壤有机和无机污染物(如PA H s、重金属等)呈正相关;路边土壤的磁化率随着距离的增大迅速减小。

对于道路自身的研究表明,道路中间尘土的磁性最强,且与重金属Cu、Pb、Zn、Fe等元素呈正相关[9]。

212　城市环境中植物叶片的磁性特征植物在进行光合作用或汲取营养物质的同时,也从其叶片气孔和根部等摄入环境污染物。

植物叶片具有能够吸收大气环境中粒径小于10Λm 颗粒物(粒径小于10Λm的细粒子会引起人的呼吸道和循环系统的病变,严重影响人类的身心健康)以及样品易于采集等特点,近来利用植物叶片的磁性变化监测城市大气颗粒物污染程度成为研究的一个方向。

研究结果表明,路边植物叶片的磁性大小与该植物距离道路的远近相关;上坡道路旁植物叶片磁性高于下坡道路路旁的植物,说明影响大气颗粒物中磁性矿物来源的主要因素是汽车燃烧排放的磁性粒子,而轮胎摩擦和扬尘产生的磁性矿物组分只是次要因素[10];M atzka[11]研究了慕尼黑市中心的大气颗粒物的质量与饱和等温剩磁呈正相关(相关系数达01879,标准差0115);D1To rdanova在研究了保加利亚工业区土壤和植物叶片的磁化率后,认为可以用植物叶片磁化率指示重金属污染程度;Sshadlich et al1[12]研究了德国L ei pzig2H alle地区植物松针中磁化率,发现松针磁化率与附近燃煤电厂的飞灰沉降有关。

213　城市大气中颗粒物的磁性特征众所周知,大气中的悬浮颗粒物严重危害人类的健康。

流行病学研究表明,悬浮颗粒物的粒径、数目、表面积等是影响人类健康的主要因素[13]。

因此,近年来开展了大气中悬浮颗粒物的本质、行为特征及其粒径的分布等磁学研究。

对悬浮颗粒物中磁性矿物研究主要集中在以36王学松等:城市环境中磁学响应的研究进展 下几个方面:悬浮颗粒物中磁性矿物的物理以及化学特征;悬浮颗粒物中磁性矿物与重金属元素之间的关系(特别是与铅的含量关系)以及与有机污染物(PA H s)含量的关系[14];M o rris et al1[15]研究了悬浮颗粒物中粒径小于10Λm的颗粒物的磁化率与污染数据及气象数据之间的关系,结果表明,磁化率与NO2、SO2呈正相关,与风速以及O3的含量呈负相关;A drian R M uxw o rthy et al[4]研究了德国慕尼黑悬浮颗粒物的磁滞参数,运用主成分分析方法分析了磁滞参数与污染物和气象学数据之间的关系,结论是磁滞参数与气象学数据显著相关,与污染物是否相关取决于取样样品的地理位置。

3　结论环境磁学以其迅捷、经济、方便等方面的特点,越来越受到环境工作者的关注和重视。