石英砂工業(yè)區(qū)內(nèi)土壤剖面的磁學(xué)特征及其環(huán)境意義.docx

1、第29卷第3期2015年6月現(xiàn)代地質(zhì)GEOSCIENCE石英砂工業(yè)區(qū)內(nèi)土壤剖面的磁學(xué)特征及其環(huán)境意義李勇二李海燕2(1.安徽科技學(xué)院數(shù)理與信息工程學(xué)院，安徽鳳陽233100；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，北京100083)摘要：對安徽鳳陽石英砂工業(yè)區(qū)土壤剖面的磁學(xué)參數(shù)和Si。？含量進行測試，結(jié)果顯示：土壤剖面磁性礦物含量低，磁學(xué)性質(zhì)由磁赤鐵礦控制，土壤剖面由上而下可分成3個磁性層；從第一層到第三層磁性逐漸減弱；第三層磁學(xué)性質(zhì)主要由成土母質(zhì)決定，第一層存在明顯的磁性增強現(xiàn)象，引起這種現(xiàn)象的原因可能是次生磁赤鐵礦和燃燒作用。磁學(xué)參數(shù)和Si。？含量顯示土壤剖面的第一層已被

2、弱磁性石英尾砂污染，在石英尾砂的稀釋作用下，其磁性結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了改變，磁性礦物含量降低。土壤剖面的磁學(xué)參數(shù)組合特征及Si。？含量反映了弱磁性石英尾砂對第一層土壤的污染過程。關(guān)鍵詞：石英尾砂；Si。？含量；土壤；磁學(xué)性質(zhì)中圖分類號：P318；P631文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1000-8527(2015)03-0721-06MagneticPropertiesofSoilProfileinQuartz-sandIndustrialAreaandtheEnvironmentalSignificanceLlYong1,LIHai-yan2(1.CollegeofMathematics,Physicsa

3、ndInformationEngineering,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang,Anhui233100,China；2.StateKeyLaboratoryofGeologicalProcessesandMineralResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)Abstract:MineralmagneticparametersandSiO2contentsweremeasuredonatypicalsoilprofileatquartzsandindustri

4、alareainFengyangCounty,Anhui.Resultsshowedthatthemagneticmineralcontentofthesoilprofilewaslow,andthemagneticpropertywascontrolledbythemaghemite.Thesoilprofilefromtoptobottomcanbedividedintothreemagneticlayers,andthemagnetismgraduallybecameweakenfromthefirstlayertothethirdlayer.Themagneticpropertyoft

5、hethirdlayerwasmainlycontrolledbythesoilparentmaterial.Thefirstlayerhadobviouslymagneticenhancementphenomenon,whichmaybecausedbysecondarymaghemiteandcombustion.ThemagneticparametersandSiO2contentsshowedthatthefirstlayerofthesoilprofilehadbeenpollutedbyweakly-magneticquartztailsands.Inthedilutionofqu

6、artztailsands,themagneticstructureofthefirstlayerhadchanged,andthemagneticmineralcontentreduced.ThecombinedcharacteristicsofmagneticparametersandSiO2contentscanreflectthepollutionprocessofthefirstlayersoilbyquartztailsands.Keywords:quartztailsand；SiO2content；soil；magneticproperty收稿日期：2014-06-05；改回日期

7、：2014-11-15；責(zé)任編輯：潘令枝。作者簡介：李勇，男，副教授，1975年出生，固體地球物理學(xué)專業(yè)，主要從事磁學(xué)和環(huán)境磁學(xué)研究。Email:liyongl97510。引言安徽省鳳陽縣是我國石英砂生產(chǎn)基地，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量石英尾砂，由于其顆粒細、雜質(zhì)含量高，大部分尾砂都沒有回收利用，長期以來這些尾砂都被廢棄，或堆放在公路邊，或堆放在農(nóng)田里；在風(fēng)、雨水等自然力的作用下，這些石英尾砂進入土壤中，嚴重污染了土壤環(huán)境。由于石英尾砂的主要成分是抗磁性物質(zhì)石英，當(dāng)大量石英尾砂進入土壤后，在其稀釋作用下降低了土壤中磁性礦物含量，使土壤磁性減弱。已有的研究表明，磁學(xué)參數(shù)對土壤污染具有良好的指示作用&q

8、uot;一3,而土壤磁學(xué)參數(shù)的測址具有經(jīng)濟、簡便、快速和對樣品無破壞性等優(yōu)點，現(xiàn)在這種磁測方法在地學(xué)領(lǐng)域和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域越來越受到關(guān)注；4-6'o有學(xué)者同時提出，污染區(qū)域磁化率比背景值大時，應(yīng)用環(huán)境磁學(xué)方法研究工業(yè)區(qū)土壤污染的效果才好。由于這一條件限制，應(yīng)用環(huán)境磁學(xué)方法來研究石英砂工業(yè)區(qū)土壤被弱磁性石英尾砂污染的研究報道很少。本文嘗試應(yīng)用環(huán)境磁學(xué)方法分析安徽省鳳陽縣石英砂工業(yè)區(qū)內(nèi)土壤剖面的磁學(xué)性質(zhì)及其受弱磁性石英尾砂污染后的磁性變化特征和環(huán)境意義。1樣品采集與測量路界流鎮(zhèn)杵公市河城采kmNA埠>«臺風(fēng)風(fēng)陽縣石英砂工業(yè)區(qū)主要分布在大廟鎮(zhèn)、周坪（鄉(xiāng)）、那崗（鄉(xiāng)），這3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的

9、石英砂產(chǎn)量占風(fēng)陽縣總產(chǎn)量的80%以上。采樣點位于耶崗到大廟之間的工業(yè)區(qū)內(nèi)（如圖1）。由于在工業(yè)區(qū)內(nèi)很難找到?jīng)]有翻耕的土地，本文在種有楊樹的3塊不同農(nóng)出里挖了3條土壤剖面，3條剖面的地層充填序列基本一致。剖面上部（0-10cm）呈淺灰色,含有大量植物的根；中部（1040cm）呈淺黃色,含有較多植物的根；下部（40cm以下）呈黃色,沒有植物的根。利用MS2磁化率儀現(xiàn)場對3條土壤剖面進行了磁化率測ht,測量結(jié)果顯示3條剖面的磁化率相差不大（圖2）,且磁化率隨深度變化關(guān)系相似，本文選取其中一條剖面（SYC02）進行了詳細研究。利用采樣鏟自上而下以2cm為問距連續(xù)采集了36個樣品，裝入封口塑料袋內(nèi)，然后

10、帶回實驗室。在實驗室將樣品搗碎，過80目篩，再裝入2cmx2cmx2cm的無磁性塑料樣品I17"25II7°39圖1采樣點位置圖Fig.1Mapshowingthesamplinglocation"10'SI051015。卜,IAJA!_<80J圖23條剖面磁化率隨深度變化曲線Fig.2Curvesshowingmagnetic*susceptibilityofsampleschangingwithdepthinthreeprofiles盒，進行磁學(xué)參數(shù)測量。測量步驟如下：（1）利用MFK1FA卡帕橋磁化率儀測楂低頻磁化率（札）和高頻磁化率3Q，通過

11、計算求出樣品的頻率磁化率M=（私.-Xh）l）；（2）在D-2000交變退磁儀上獲得非磁滯剩磁（交變場磁感應(yīng)強度峰值為100mT,穩(wěn)定直流磁場磁感應(yīng)強度為0.05mT）;（3）利用IM10-30脈沖磁化率儀在300n）T的脈沖磁場中獲得等溫剩磁（IRMmm）,在1T的脈沖磁場中獲得飽和等溫剩磁（SIRM）,通過計算得到磁化系數(shù)（Sm=IRMmm/SIRM）,并選代表性樣品測量其等溫剩磁獲得曲線；（4）在氯氣環(huán)境下，利用KLY-4S磁化率儀和CS-3溫度控制系統(tǒng)測批典型樣品的磁化率隨溫度變化曲線（k-T曲線）。所有樣品的剩磁測量均在JR-6A旋轉(zhuǎn)磁力儀上完成。經(jīng)質(zhì)量校正后得到質(zhì)量磁化率彼）、飽和

12、等溫剩磁（SIRM）、非磁滯剩磁磁化率（xwQ及磁學(xué)參數(shù)比值膈m、Hrm/S1RM等。完成巖石磁學(xué)xlO'm/kg）（么、冏RMy（lOm/A）xARM/x參數(shù)測量后，再用重質(zhì)法測量樣品的SiO：質(zhì)質(zhì)百分含量。2結(jié)果與討論2.1土壤剖面的磁學(xué)特征土壤剖面的磁學(xué)參數(shù)曲線能反映土壤中磁性礦物隨深度的變化關(guān)系。飽和等溫剩磁(S1RM)和磁化率3)能反映樣品中磁性礦物含量，但也受磁性礦物種類和磁性顆粒大小的影響8,與矛不同，樣品的SIKM值不受順磁性和抗磁性礦物的影響。石英砂工業(yè)區(qū)土壤剖而的x和SIRM值都比較低(圖3(a)、(b),整條剖面的和SIRM最高值分別為19.74x10"

13、m3/kg和18.96xIO'4Anf/kg,兩者都低于鳳陽旱地表土的平均值(27.0xIO-。mVkg和21.7x10-4Am2/kg)U,說明整條土壤剖面中磁性礦物含量都較低。但土壤剖面010cm土壤的X和S1RM值明顯高于1040cm和4072cm土壤的值，說明010cm土壤中磁性礦物含量高于10-40cm和4072cm土壤，表現(xiàn)出表土磁性明顯增強的現(xiàn)象。1040cm土壤樣品的矛和SIRM值隨深度的增加，其值略有下降。4072cm土壤樣品的x和SIRM值基本保持不變，說明在40cm以卜的土壤中磁性礦物含量相對穩(wěn)定。非磁滯剩磁磁化率(私邸)、頻率磁化率(&d)和磁學(xué)參數(shù)比值

14、*g、Hr、/SIRM能反映樣品中磁性礦物粒度的大小,但不同的磁學(xué)參數(shù)又存在差別，例如：Uw對細晶粒的穩(wěn)定單疇顆粒最為敏感"，但受到攜磁礦物含里的影響，因而Xar、/VdOm7kg)SIRM4IOAn?4©SIRM、*睥#的比值可以消除磁性礦物含雖因素的影響，可反映磁性顆粒粒度的相對變化；主要反映樣品中超順磁性顆粒的含h"石英砂工業(yè)區(qū)土壤剖面的Xuw值隨深度的變化關(guān)系與*和SIRM基本相同(圖3(c),也是0-10cm±壤的值最高，1040cm土壤的值次之，40-72cm±壤的值最低,整條剖面的打時最高值(104.27x10-8mVkg)也低于

15、風(fēng)陽早地表土的平均值(225.0x10*mVkg)o土壤剖面010cm和1040cm大部分樣品的矛arm/SIRM>6x104m/A.>4、版>5%(圖3(d)、(e)、(f),但整條剖面的AWSIRM、*血次、版最高值(7.78xIO"m/A,5.89,8.09%)也低于風(fēng)陽旱地表土的平均值(9.95xlO"m/A,7.92,8.11%),說明010cm和1040cm土壤中單疇顆粒和超順磁性顆粒含量較低。而40-72cm土壤的Xm/SIRM<6x10“m/A,<4,Xf<i<4%,說明40cm以下樣品中的磁性礦物主要是較粗的準(zhǔn)單疇

16、和多疇顆粒。磁化系數(shù)(Sm)和剩磁矯頑力(如=IRM/SIRM)能反映樣品中不完整反鐵磁性礦物與亞鐵磁性礦物的相對比例。土壤剖面的S®隨深度的變化關(guān)系顯示，010cm樣品的值最高，大于80%,其余樣品的值一般都小于80%(圖3(g)o典型樣品的等溫剩磁獲得曲線和反向場退磁曲線顯示，土壤剖面中2cm和64cm兩個樣品的匕值分別為42.1mT和57.4mT(圖4)。這說明010cm樣品中以亞鐵磁性礦物為主，而其它樣品中還含有不完全反鐵磁性礦物。70,¥5oL3090115O70xfd/%SiO,/%2.2熱磁曲線樣品的熱磁曲線（k-T曲線）可以用于識別樣品中磁性礦物類型，及其在

17、加熱過程中的轉(zhuǎn)變規(guī)律o從土壤剖面中挑選典型樣品（2cm和64cm）測（1U-T曲線（圖5）,結(jié)果顯示兩個樣品的K-T曲線形狀基本一致，當(dāng)兩個樣品被加熱至280V附近時，磁化率突然增加，形成一個明顯的峰值，這種現(xiàn)象在黃土和石英巖發(fā)育土壤的k-7曲線中普遍存在，一般認為這是樣品中鐵的氫氧化物在加熱過程中脫水生成磁赤鐵礦而形成的63"。當(dāng)溫度從28。弋繼續(xù)升高至450丁左右時，磁化率隨溫度的升高而降低，這町能是磁赤鐵礦受熱轉(zhuǎn)化成赤鐵礦而引起的5。當(dāng)樣品被加熱至590r附近時，兩個樣品的磁化率下降到零值附近，表現(xiàn)出磁鐵礦的居里溫度。兩個樣品冷卻曲線都大幅高于加熱曲線，并目.當(dāng)溫度下降到59（

18、）Y附近時，樣品的磁化率隨溫度的降低而快速升高,并在350r附近升至最高，這說明兩個樣品在加熱過程中都有磁鐵礦生成，新生成的磁鐵礦可能來自樣品中粘土礦物的高溫（590-700弋）轉(zhuǎn)化物根據(jù)以上分析并結(jié)合風(fēng)陽石英砂工業(yè)區(qū)的,（候和環(huán)境條件，推測土壤剖而樣品中可能含有多種磁性礦物，如磁赤鐵礦、鐵的氫氧化物、磁鐵礦、黏土礦物等，其中磁赤鐵礦是樣1.0t一_品磁化率的主要貢獻者。2.3Si。？含量隨深度的變化特征鳳陽石英尾砂的主要成分是SiO"為了分析石英尾砂對土壤剖面的影響，本文采用而hl法對土壤剖面所有樣品中Sio2質(zhì)量百分含姓進行了測量，結(jié)果顯示0-10cm±壤中Si（）2含

19、雖最高,1040cm土壤次之,4072cm土壤中SiO2含量最低（圖3（h）。010cm和1040cm土壤中SiO2含量隨深度的增加而降低，其中表土中Si。？含量最高，達59.3%,遠高于風(fēng)陽旱地表土Si。？含辱的平均值33.8%。4072cm土壤中SiO2含量隨深度的增加基本保持不變，平均值為35.0%,這個值反映了整條剖面成土母質(zhì)中SiO?含錄。4（）cm土壤中Si。？含仙升高說明石英尾砂已對土壤剖而造成污染，如果以SiO含吊：作為劃分污染程度的標(biāo)準(zhǔn)，表土受石英尾砂污染是最嚴取的。2.4環(huán)境意義對石英砂工業(yè)區(qū)土壤剖血的磁學(xué)參數(shù)進行綜合分析，可以將整條剖面分成三個磁性層（圖3）,第一層01。

20、cm,其磁性。強,SiO2含埴最高;第二層1040cm,磁性和Si（）2含量都處于第一層和第三層之間；第三層40-72cm,磁性最弱,SiO2含量:最低。從剖面典型樣品的k_T曲線（圖5）、磁化系數(shù)Sm圖3（g）和剩磁矯頑力如（圖4OOO4OOO/mTS一s、s竺8642oooO)20.0-0.O00,4020/7/mT圖4典型樣品的等溫剩磁獲得曲線（a）和反向場沮磁曲線（b）圖5典型樣品的k-T|線Fig.5kTcurvesG)rrepresentalivesamples1.0圖6土壤樣品的SIRM-*散點圖Fig.6SIRM一矛plotofsoilsamples4)等磁學(xué)參數(shù)來分析，土壤樣

21、品中含有多種磁性礦物，而整條剖面樣品的SIRM與散點圖顯示兩者高度正相關(guān)(肥=0.9179)(圖6),說明土壤剖面樣品的磁學(xué)性質(zhì)主要由磁赤鐵礦控制。圖3顯示第三層(40-72cm)土壤的磁學(xué)參數(shù)值變化幅度小，旦磁學(xué)參數(shù)值遠低于鳳陽早地表土的平均值，說明第三層(4072cm)土壤中磁性礦物含量低，磁性礦物顆粒粗，其磁學(xué)特征主要由成土母質(zhì)控制。第二層(10-40cm)土壤的磁學(xué)參數(shù)相對第三層(4072cm)土壤，其值均有升高，在這一層土壤中含有較多植物的根，說明植物對第二層土壤磁性增強可能起到了一定的作用。另外，土壤剖面所在的這塊土地以前還有農(nóng)民在上面耕作，對土壤進行過翻動，說明人為的作用可能也是

22、第二層(10-40cm)土壤磁性增強的原因。第一層(010cm)土壤中表示磁性礦物含拈的磁學(xué)參數(shù)3和SIRM)明顯高于第二層(1040cm)和第三層(4072cm)土壤,表現(xiàn)出比第二層(1040cm)±壤更為明顯的磁性增強現(xiàn)象，這種表土磁性增強現(xiàn)象眾多學(xué)者在研究黃土、古土壤及現(xiàn)代土壤都曾發(fā)現(xiàn)過，也提出r多種理論對這種表土磁性增強現(xiàn)象進行了解釋，7-，81o山于該剖面第三層(4072cm)土壤磁性較弱，說明成土母質(zhì)磁性較弱,而第一層(010cm)土壤樣品的磁性明顯增強，除JT有分析第二層(10-40cm)土壤磁性增強所提到的兩個因素外，還有可能是由次生的磁赤鐵礦引起。已有的研究表明，在

23、濕熱的氣候條件下，土壤中氧化鐵化合物最終向磁赤鐵礦和赤鐵礦轉(zhuǎn)化，磁赤鐵礦是氧化透水通氣環(huán)境的很好指示礦物，5o另外，每年田野里秸稈的燃燒可能也是第一層土壤樣品的磁性增強的原因之一，當(dāng)有機質(zhì)被燃燒時，一些含鐵的非磁性礦物轉(zhuǎn)化為磁性礦物，從而使第一層(010cm)土壤的磁性增強。x/(0Mm7kg)SIRMIO4Am'/kg)xlOm7kg)(xSIRMK10F/A)xARM/x(a)(b)(c)(d)(e)圖3(h)顯示土壤剖面第一層(0-10cm)SiO2含量平均值已達53.77%,雖低于石英尾砂的平均值92.7%",但遠高于鳳陽旱地表土SiO?含量的平均值33.8%1,表明

24、石英尾砂已經(jīng)污染了土壤剖面。而將土壤剖面第一層(0-10cm)的磁學(xué)參數(shù)*、SIKM、Xarm、Xarm/SIRM和*arm9與石英砂尾砂及鳳陽縣早地表土進行比較，發(fā)現(xiàn)第一層(0-10cm)土壤的HSIRM、加、"/SIRM和*ARM女平均值分別為15.81X10-8m3/kgA13.47xIO'4Am2/kg.86.81x10'8m3/kgx6.55xIO-4m/A和5.47,高于石英尾砂的平均值(9.69x10-8m'/kg、7.75x10AmVkg22.6x108m3/kg2.97xlO-4m/A和2.50),低于鳳陽縣旱地表土的平均值(27.0xW8m

25、3/kg.21.7xIO'4Am2/kg.225xIO'8m3/kg.9.91x10'4m/A和7.92)。這說明在石英尾砂的稀釋作用下，使得第一層(0-10cm)土壤磁學(xué)參數(shù)降低，Si()2含量升高。為了消除石英尾砂對土壤磁學(xué)參數(shù)的影響，對土壤剖面進行質(zhì)量校正，校正后的磁學(xué)參數(shù)隨采樣深度的變化關(guān)系顯示，第一層(0-10cm)土壤的心SIRM、膈m、膈m/SIRM和版網(wǎng)次平均值分別為34.73xIO"m3/kg.29.76xIO'4ArnVkg.190.51xI。-'m3/kgA14.16x10“m/A和11.88),遠高于石英尾砂，而與鳳陽旱

26、地表土差別不大(圖7)。校正后土壤剖面磁學(xué)參數(shù)還顯示,第一層(010cm)土壤的磁性增強現(xiàn)象變得更加明顯。對比圖3和圖7中表示磁性礦物含量的磁學(xué)參數(shù)3、S1RM)和磁性礦物粒徑大小的磁學(xué)參數(shù)(Xarm、Xar/SIRM和加次)，發(fā)現(xiàn)第一層(010cm)土壤受弱磁性石英尾砂污染后，在石英尾砂的稀釋作用下，土壤的磁性結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了變化，磁性礦物含量降低，而粒度參數(shù)的變化是由質(zhì)量扣除引起的，土壤剖面的磁學(xué)參數(shù)組合特征及SiO2含量反映了弱磁性石英尾砂對第一層(010cm)土壤的污染過程。3結(jié)論(1) 鳳陽石英砂工業(yè)區(qū)土壤剖面可分成三個磁性層，其中第一層磁性最強，第二層磁性處于第一層和第三層之間，第三

27、層磁性最弱，第三層磁學(xué)性質(zhì)主要由成土母質(zhì)決定，第一層存在明顯的磁性增強現(xiàn)象，引起這種現(xiàn)象的原因可能是次生的磁赤鐵礦和燃燒作用；(2) 磁測結(jié)果和SiO2含量顯示土壤剖面的第一層已被弱磁性石英尾砂污染，在石英尾砂的稀釋作用下，其磁性結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了變化，磁性礦物含量降低，土壤剖面的磁學(xué)參數(shù)組合特征及Sio2含量反映了弱磁性石英尾砂對第一層土壤的污染過程。參考文獻：意義J現(xiàn)代地質(zhì)，2008,22(5)：889-894.2 盧升高，白世強.杭州城區(qū)土壤的磁性與磁性礦物學(xué)及其環(huán)境意義J.地球物理學(xué)報，2008,51(3)：762-769.3 沈明潔，胡守云，BlahaU,等.北京石景山工業(yè)區(qū)附近一個污染

28、土壤剖面的磁學(xué)研究J.地球物理學(xué)報，2006,49(6)：1665-1673.4EvansME,HellerF.EnvironmentalMagnetismM.London:AcademicPress,2003:1-363.5 楊萍果，毛任釗，翟正麗.土壤磁性的應(yīng)用研究進展J.土壤,2008,40(2)：153-158.6 李勇.安徽鳳陽石英巖發(fā)育土壤的磁學(xué)性質(zhì)及環(huán)境磁學(xué)意義JJ.土壤，2013,45(1)：172-176.7VersteegJK,MorrisWA,RukavinaNA.Theutilityofmagneticpropertiesasaproxyformappingcontam

29、inationinHamiltonHarborsedimentsJ.GreatLakesResearch,1995,21:71-83.8ThompsonR,OldfieldF.EnvironmentalMagnetismM_.London：AllenandUnwin,1986:1-293.I"9YamazakiT,lokaN.Cautionarynoteonmagneticgrain-sizeestimationusingtheratioofARMtomagneticsusceptibilityFJJ.GeophysicalResearchLetters,1997,24:751-754.10jOldfieldF.Towardthediscriminationoffine-grainedferrimagnetsbymagneticmeasurementsinlakeandnear-shoremarinesedimentsJ.JournalofGeophysicsResearch,1994,99(5)：9045-9050.11 Dunl