武汉市东湖地区城市化过程环境磁学响应研究

论文摘要

众所周知,城市环境状况和质量是制约国家和地区经济和社会发展的重要因素之一。随着我国城市化进程的加快和人民生活水平的提高,许多城市生态环境的破坏和恶化日益严峻。为此,我国政府提出创建“资源节约型和环境友好型”两型社会号召,并严格制定了“十一五”政府节能减排的指标要求。高质量和高效率的环境修复和治理是建立在科学的环境质量评价基础之上,因此,如何快速和定量地评价和研究城市化过程对环境的影响,探索高效的环境质量评价体系和检测方法技术,一直是环境科学和工程研究人员的目标,环境地球物理学科正基于此而产生。环境磁学是环境地球物理学的主要组成部分之一。它应用岩石和矿物磁性测量技术,研究大气圈、水圈和岩石圈中由于环境作用与人类活动等导致的磁性颗粒的迁移、沉积或转化等情况,可对研究全球环境变化、气候作用和人类活动对环境的影响提供重要的信息。因其高精度、高分辨率、测量快速和非破坏性,且适合大范围环境扫描,可以简单地获取与污染环境相关的信息等优点,已经被逐渐地应用于城市环境调查和污染评价,成为环境磁学研究的热点问题之一。然而,由于城市环境中污染物质来源复杂,污染磁响应方式的不确定性及污染物质与磁性物质关系机理的复杂性,目前对于城市污染环境的磁学研究还处于探索阶段,仍以个案研究为主,尤其缺乏对环境载体磁学响应特征的系统地对比研究及城市化过程（即动态发展）的环境效应的环境磁学研究。武汉作为我国长江中游的特大城市,在我国实施中部崛起的经济发展战略中具有举足轻重的地位。然而,随着近年来武汉社会经济的快速发展和生产力的迅速提高,人口急剧膨胀,城市化进程加快,随之而来的环境问题也日益突出和尖锐。本研究选择武汉市东湖地区不同环境背景下的道路尘埃、近地表土壤和湖泊沉积物柱样三种环境载体为研究对象,其中:道路尘埃分别采集自位于长江大桥引桥附近被交通流量极高的主干公路所包围的龟山公园和位于青山工业区下风方向东湖风景区的磨山公园;近地表土壤分别采集自青山工业区附近及其下风方向农田,连接青山区和洪山区的主干公路—青王公路及环绕东湖的东湖路沿线:湖泊沉积物采集自东湖的两个主湖区—郭郑湖和塘林湖。通过系统地多参量的磁性测量,代表性样品的重金属和总有机质分析,湖沉积物沉积速率测定及代表样品薄片的扫描电镜和能谱分析（SEM/EDX）,全面系统地分析和研究了三种环境载体的磁性特征及其对城市污染环境的响应,磁性变异特征与污染物质之间的相互关系及其对污染源的指示作用;根据湖泊沉积物磁性的垂向变化特征,结合东湖地区人类活动和工业历史资料,重建了武汉市东湖地区近50年来城市化过程引发的环境污染演化历史。研究表明:东湖及周边地区地表土壤和东湖表层沉积物磁性在城市化过程中由于人类活动和工业生产的影响而被显著增强。例如,地表土壤磁化率明显高于底层土壤,两者差值介于23.12～226.86×10-8m3kg-1,平均差值为102.63×10-8m3kg-1;东湖各沉积物柱样表层样品磁化率的平均值是深层沉积物的1.39～13.39倍。道路尘埃、地表土壤和表层沉积物的磁性特征受到伪单畴/多畴（PSD/MD）似磁铁矿颗粒的主导,而底层土壤和深层沉积物中亚铁磁性颗粒含量较低,主要受不完全反铁磁性的赤铁矿控制。不同环境背景下的道路尘埃、地表土壤中磁性颗粒含量存在明显差异:据饱和磁化强度估计,磨山公园道路尘埃磁铁矿的平均含量为1.27%,而龟山公园道路尘埃磁铁矿含量为0.23～1.34%,平均值为0.81%;位于武汉钢铁公司工业区附近的地表土壤磁化率平均值高达539.92×10-8m3kg-1,分别是位于其下风方向农田、青王公路沿线和东湖路沿线地表土壤磁化率平均值的2.64、5.10和6.53倍:塘林湖沉积物的磁性普遍高于郭郑湖,如塘林湖表层沉积物磁化率的平均值为217.21×10-8m3kg-1,是郭郑湖表层沉积物磁化率平均值的1.37倍。各种环境载体中磁性颗粒的粒度同样存在明显差异,如对于相距约16 km的龟山公园与磨山公园,前者道路尘埃中亚铁磁性颗粒粒度普遍小于后者:青山工业区附近地表土壤中的亚铁磁性颗粒明显大于公路沿线地表土壤中的磁性颗粒,前者主要以1μm左右为主,而后者的磁性颗粒通常小于0.5μm。道路尘埃、地表土壤和湖泊沉积物中污染物（以重金属和沉积物总有机质为代表）含量与样品磁性强弱空间分布具有明显的相似性。通常污染物的含量与反映磁性矿物含量的磁性参数呈现显著的正相关,但在局部环境中,两者的关系较为复杂。如道路尘埃磁化率、饱和磁化强度和饱和等温剩磁在磨山公园与大多数重金属（如Co、Cu、Cr、Fe、Pb、Zn、Mn和Ni等）含量的皮尔逊（Pearson）相关系数普遍高于0.800（显著水平α=0.01）,而在龟山公园相关性较差。近地表土壤和湖泊沉积物磁化率、非磁滞剩磁和饱和等温剩磁与Cu、Pb和Zn含量显著正相关,如地表土壤磁化率与Cu、Pb和Zn的Pearson相关系数分别为0.736、0.675和0.678（α=0.01）;东湖沉积物饱和等温剩磁与Cu、Fe、Pb和Zn含量及反映总有机质含量的烧失量（LOI）的Pearson相关系数分别为0.665、0.421、0.794、0.581和0.845（α=0.01）。环境载体磁性参数与污染物含量的显著相关性,为污染物的含量和空间分布提供了磁性代用指标,为利用磁性测量进行环境污染调查和评价奠定了基础。通过对近地表土壤和湖泊沉积物代表样品薄片的SEM/EDX分析发现,在地表土壤和表层沉积物中存在大量粗颗粒的富含Fe的氧化物球形颗粒,直径分别介于3～12.5μm和5.5～90μm,颗粒中Fe的含量分别介于11.49～84.42wt%和17.11～73.72wt%,有些颗粒含有少量的Al和Si等元素,以铁氧化物相、含铝硅的铁氧化物相和含铁的铝硅酸盐相为主,系典型的煤燃烧和钢铁冶炼等高温产物;底层土壤和深层沉积物中含Fe颗粒相对较少,形状不规则,以碎屑状为主,成分以似赤铁矿（或磁赤铁矿）主。此外,地表土壤中含有少量的磁赤铁矿,反映了磁铁矿的低温氧化作用;沉积物中含有少量的Fe的硫化物,且含量随着深度的增加而增加,反映了水体中的还原环境随着深度的增加而增强。道路尘埃、近地表土壤与湖泊沉积物磁性变异特征对污染环境变化具有非常灵敏的响应。如对于龟山公园和磨山公园,道路尘埃的主要磁性载体均为磁铁矿,但是磨山公园道路尘埃磁性普遍高于龟山公园,磁化率、饱和磁化强度和饱和等温剩磁强度平均值分别是龟山公园的1.31、1.57和1.36倍,而且磨山公园尘埃磁性颗粒粒度大于龟山公园,反映了它们环境背景的差异:龟山公园被交通流量极高的主干公路所包围,主要为交通污染,而磨山公园位于东湖风景区,尘埃磁性颗粒主要来自上风方向工业区工业生产排放的燃煤飞灰和工业粉尘;青山工业区附近和公路沿线地表土壤中高含量的亚铁磁性颗粒及磁性参数与重金属（如Cu、Pb和Zn）的显著相关性,分别反映了工业生产（如钢铁冶炼、燃煤发电和水泥生产等）和交通活动（如汽车尾气和车体磨损等）对近地表土壤造成的重金属污染;东湖表层沉积物磁性的明显增强及在其中所发现大量球形（似）磁铁矿颗粒,磁性参数与重金属和总有机质含量的显著相关性,揭示了位于东湖上风方向的青山工业区工业生产活动对东湖的长期污染。道路尘埃、地表土壤和城市湖泊沉积物三种环境载体对城市污染环境磁响应在空间和时间尺度上具有显著的差异。道路尘埃污染源相对单一,主要受到交通活动的影响,但易受到人类活动的干扰,其磁性特征所反映的环境污染变化信息时间尺度较短、空间尺度较小。地表土壤主要受到其附近工业生产活动和交通排放的输入,受到与污染源距离和风向方位的影响,其磁性特征具有地域差异,但携带的环境污染信息时间尺度较道路尘埃要长,空间尺度也相对较大。湖泊大面积水域除了接收大气降尘以外,受到地表径流从其汇水区带来的各种物质的输入,反映环境变化的空间尺度较大,在未受大范围的人为活动干扰（如清淤）的情况下,它会持续稳定地接收外界输入,沉积物磁性记录了汇水区范围内较长时间尺度的环境演化历史。但由于湖沉积物来源复杂,磁性矿物受到水体氧化—还原环境的改造和影响,使得其磁性信息变得复杂。通常,通过对沉积物的综合分析可以排除这些沉积后作用的干扰,获取可靠的反映湖区环境变迁的相关磁性信息,是区域长期环境演化历史的理想记录载体。根据沉积物磁性垂向变化特征,以沉积速率作为时间标尺,结合东湖周边地区相关工业历史资料,初步建立了东湖周边地区城市化过程导致的污染环境演化历史的“磁”记录。结果表明,20世纪50年代以前,东湖周边环境及东湖水体环境质量较好,此时沉积物的磁性相对较弱,沉积物主要以湖泊汇水区地表土壤和岩石风化碎屑物等自然源输入为主。然而,自1957年武汉钢铁公司和青山热电厂建成投产,东湖被人为地与长江完全隔绝之后,沉积物磁性的开始增强,且随着20世纪80年代武汉市城市化进程的加快及东湖周边工业生产的迅速发展（如武汉钢铁公司和青山热电厂生产规模的扩大）,沉积物磁性显著增强,并在20世纪90年代达到最高,然后一直保持高水平。这一结果表明,连续的城市湖泊沉积序列的磁性变异特征可以记录其汇水区城市化过程中环境污染演变历史。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 问题的提出

1.2 环境磁学及研究进展评述

1.2.1 环境磁学概述

1.2.2 环境磁学研究进展评述

1.3 论文的研究目的、意义、主要内容与实物工作量

第二章环境磁学基本理论

2.1 物质的磁性

2.1.1 物质磁性特点及分类

2.1.2 影响物质磁性的主要因素

2.2 环境中的磁性矿物

2.2.1 铁的氧化物

2.2.2 铁的硫化物

2.2.3 铁的氢氧化物

2.2.4 其他磁性矿物

2.2.5 环境系统中磁性矿物的来源

2.2.6 磁性矿物在环境中的变化

2.3 环境磁学参数

2.3.1 反映磁性矿物成分的参数

2.3.2 反映磁性矿物含量的参数

2.3.3 反映磁性矿物粒度的参数

2.4 环境物质磁性测量方法

2.4.1 室温条件下的磁性测量

2.4.2 高温条件下的磁性测量

2.4.3 低温条件下的磁性测量

2.4.4 野外现场磁性测量

2.5 环境物质的化学表征和物理表征分析

第三章研究地区环境背景和研究方法

3.1 东湖地区的环境背景

3.1.1 自然地理条件

3.1.2 东湖及周边主要污染源简介

3.1.3 磨山公园和龟山公园环境背景

3.2 样品采集和研究方法

3.2.1 样品采集

3.2.2 样品分析测量方法

第四章道路尘埃的磁性特征及其环境意义

4.1 道路尘埃的磁性特征

4.1.1 磁化率的分布特征

4.1.2 道路尘埃的磁滞回线及参数特征

4.1.3 尘埃磁性载体及颗粒度

4.2 道路尘埃重金属含量及其与磁性特征的关系

4.2.1 道路尘埃的重金属含量分析

4.2.2 重金属与磁性特征的关系

4.3 道路尘埃磁性物质与重金属来源分析

4.4 磁性参数对污染环境分辨率的检验

4.5 本章小结

第五章地表土壤重金属污染的磁学响应

5.1 土壤的磁性特征

5.1.1 土壤的磁化率特征

5.1.2 土壤的剩磁特征

5.1.3 热磁分析

5.1.4 土壤磁性载体及其粒度特征

5.2 土壤重金属含量与磁性特征的关系

5.2.1 土壤重金属含量

5.2.2 土壤重金属含量与磁性特征的关系

5.3 土壤薄片的扫描电镜与能谱分析

5.4 磁性物质和重金属来源分析

5.5 本章小结

第六章湖泊沉积物的磁性特征及环境意义

6.1 沉积物的磁性特征

6.1.1 磁化率

6.1.2 剩磁特征

6.1.3 磁性参数的空间分布特征

6.1.4 热磁曲线特征

6.1.5 磁性载体成分及其粒度特征

6.2 污染物质的分布特征

6.2.1 重金属含量及其分布特征

6.2.2 总有机质含量及其分布特征

6.2.3 污染物质与磁性特征的关系

6.3 沉积物薄片的扫描电镜与能谱分析

6.3.1 表层沉积物中含Fe颗粒形貌特征与成分分析

6.3.2 深层沉积物中含Fe颗粒形貌特征与成分分析

6.4 磁性物质与污染物的来源分析

6.4.1 磁性参数与污染物含量的聚类分析

6.4.2 沉积物中磁性物质的来源

6.4.3 重金属和有机质来源分析

6.5 本章小结

第七章东湖地区城市化过程的磁记录

7.1 城市化过程的环境磁响应对比

7.1.1 城市环境载体的磁性特征对比

7.1.2 城市环境物质中重金属含量及其与磁性参数关系分析

7.1.3 环境载体对城市化过程响应对比

7.2 东湖沉积物时间剖面的建立

210Pb法和¹³⁷Cs法'>7 2 1 ²¹⁰Pb法和¹³⁷Cs法

7.2.2 东湖沉积物沉积速率的确定

7.2.3 沉积物沉积速率的空间差异

7.3 东湖地区人类与工业活动历史

7.3.1 东湖环境演变历史

7.3.2 东湖周边主要工业及其发展历史

7.4 城市化过程的环境磁学记录

7.5 本章小结

第八章结论与建议

8.1 结论

8.2 进一步工作建议

致谢

参考文献

武汉市东湖地区城市化过程环境磁学响应研究

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