石英砂工业区内土壤剖面的磁学特征及其环境意义.docx

1、第29卷第3期2015年6月现代地质GEOSCIENCE石英砂工业区内土壤剖面的磁学特征及其环境意义李勇二李海燕2(1.安徽科技学院数理与信息工程学院，安徽凤阳233100；2.中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京100083)摘要：对安徽凤阳石英砂工业区土壤剖面的磁学参数和Si。？含量进行测试，结果显示：土壤剖面磁性矿物含量低，磁学性质由磁赤铁矿控制，土壤剖面由上而下可分成3个磁性层；从第一层到第三层磁性逐渐减弱；第三层磁学性质主要由成土母质决定，第一层存在明显的磁性增强现象，引起这种现象的原因可能是次生磁赤铁矿和燃烧作用。磁学参数和Si。？含量显示土壤剖面的第一层已被

2、弱磁性石英尾砂污染，在石英尾砂的稀释作用下，其磁性结构特征发生了改变，磁性矿物含量降低。土壤剖面的磁学参数组合特征及Si。？含量反映了弱磁性石英尾砂对第一层土壤的污染过程。关键词：石英尾砂；Si。？含量；土壤；磁学性质中图分类号：P318；P631文献标志码：A文章编号：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；责任编辑：潘令枝。作者简介：李勇，男，副教授，1975年出生，固体地球物理学专业，主要从事磁学和环境磁学研究。Email:liyongl97510。引言安徽省凤阳县是我国石英砂生产基地，在生产过程中产生大量石英尾砂，由于其颗粒细、杂质含量高，大部分尾砂都没有回收利用，长期以来这些尾砂都被废弃，或堆放在公路边，或堆放在农田里；在风、雨水等自然力的作用下，这些石英尾砂进入土壤中，严重污染了土壤环境。由于石英尾砂的主要成分是抗磁性物质石英，当大量石英尾砂进入土壤后，在其稀释作用下降低了土壤中磁性矿物含量，使土壤磁性减弱。已有的研究表明，磁学参数对土壤污染具有良好的指示作用&q

8、uot;一3,而土壤磁学参数的测址具有经济、简便、快速和对样品无破坏性等优点，现在这种磁测方法在地学领域和环境科学领域越来越受到关注；4-6'o有学者同时提出，污染区域磁化率比背景值大时，应用环境磁学方法研究工业区土壤污染的效果才好。由于这一条件限制，应用环境磁学方法来研究石英砂工业区土壤被弱磁性石英尾砂污染的研究报道很少。本文尝试应用环境磁学方法分析安徽省凤阳县石英砂工业区内土壤剖面的磁学性质及其受弱磁性石英尾砂污染后的磁性变化特征和环境意义。1样品采集与测量路界流镇杵公市河城采kmNA埠>«台风风阳县石英砂工业区主要分布在大庙镇、周坪（乡）、那岗（乡），这3个乡镇的

9、石英砂产量占风阳县总产量的80%以上。采样点位于耶岗到大庙之间的工业区内（如图1）。由于在工业区内很难找到没有翻耕的土地，本文在种有杨树的3块不同农出里挖了3条土壤剖面，3条剖面的地层充填序列基本一致。剖面上部（0-10cm）呈浅灰色,含有大量植物的根；中部（1040cm）呈浅黄色,含有较多植物的根；下部（40cm以下）呈黄色,没有植物的根。利用MS2磁化率仪现场对3条土壤剖面进行了磁化率测ht,测量结果显示3条剖面的磁化率相差不大（图2）,且磁化率随深度变化关系相似，本文选取其中一条剖面（SYC02）进行了详细研究。利用采样铲自上而下以2cm为问距连续采集了36个样品，装入封口塑料袋内，然后

10、带回实验室。在实验室将样品捣碎，过80目筛，再装入2cmx2cmx2cm的无磁性塑料样品I17"25II7°39图1采样点位置图Fig.1Mapshowingthesamplinglocation"10'SI051015。卜,IAJA!_<80J图23条剖面磁化率随深度变化曲线Fig.2Curvesshowingmagnetic*susceptibilityofsampleschangingwithdepthinthreeprofiles盒，进行磁学参数测量。测量步骤如下：（1）利用MFK1FA卡帕桥磁化率仪测楂低频磁化率（札）和高频磁化率3Q，通过

11、计算求出样品的频率磁化率M=（私.-Xh）l）；（2）在D-2000交变退磁仪上获得非磁滞剩磁（交变场磁感应强度峰值为100mT,稳定直流磁场磁感应强度为0.05mT）;（3）利用IM10-30脉冲磁化率仪在300n）T的脉冲磁场中获得等温剩磁（IRMmm）,在1T的脉冲磁场中获得饱和等温剩磁（SIRM）,通过计算得到磁化系数（Sm=IRMmm/SIRM）,并选代表性样品测量其等温剩磁获得曲线；（4）在氯气环境下，利用KLY-4S磁化率仪和CS-3温度控制系统测批典型样品的磁化率随温度变化曲线（k-T曲线）。所有样品的剩磁测量均在JR-6A旋转磁力仪上完成。经质量校正后得到质量磁化率彼）、饱和

12、等温剩磁（SIRM）、非磁滞剩磁磁化率（xwQ及磁学参数比值膈m、Hrm/S1RM等。完成岩石磁学xlO'm/kg）（么、冏RMy（lOm/A）xARM/x参数测量后，再用重质法测量样品的SiO：质质百分含量。2结果与讨论2.1土壤剖面的磁学特征土壤剖面的磁学参数曲线能反映土壤中磁性矿物随深度的变化关系。饱和等温剩磁(S1RM)和磁化率3)能反映样品中磁性矿物含量，但也受磁性矿物种类和磁性颗粒大小的影响8,与矛不同，样品的SIKM值不受顺磁性和抗磁性矿物的影响。石英砂工业区土壤剖而的x和SIRM值都比较低(图3(a)、(b),整条剖面的和SIRM最高值分别为19.74x10"

13、m3/kg和18.96xIO'4Anf/kg,两者都低于凤阳旱地表土的平均值(27.0xIO-。mVkg和21.7x10-4Am2/kg)U,说明整条土壤剖面中磁性矿物含量都较低。但土壤剖面010cm土壤的X和S1RM值明显高于1040cm和4072cm土壤的值，说明010cm土壤中磁性矿物含量高于10-40cm和4072cm土壤，表现出表土磁性明显增强的现象。1040cm土壤样品的矛和SIRM值随深度的增加，其值略有下降。4072cm土壤样品的x和SIRM值基本保持不变，说明在40cm以卜的土壤中磁性矿物含量相对稳定。非磁滞剩磁磁化率(私邸)、频率磁化率(&d)和磁学参数比值

14、*g、Hr、/SIRM能反映样品中磁性矿物粒度的大小,但不同的磁学参数又存在差别，例如：Uw对细晶粒的稳定单畴颗粒最为敏感"，但受到携磁矿物含里的影响，因而Xar、/VdOm7kg)SIRM4IOAn?4©SIRM、*睥#的比值可以消除磁性矿物含虽因素的影响，可反映磁性颗粒粒度的相对变化；主要反映样品中超顺磁性颗粒的含h"石英砂工业区土壤剖面的Xuw值随深度的变化关系与*和SIRM基本相同(图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,整条剖面的打时最高值(104.27x10-8mVkg)也低于

15、风阳早地表土的平均值(225.0x10*mVkg)o土壤剖面010cm和1040cm大部分样品的矛arm/SIRM>6x104m/A.>4、版>5%(图3(d)、(e)、(f),但整条剖面的AWSIRM、*血次、版最高值(7.78xIO"m/A,5.89,8.09%)也低于风阳旱地表土的平均值(9.95xlO"m/A,7.92,8.11%),说明010cm和1040cm土壤中单畴颗粒和超顺磁性颗粒含量较低。而40-72cm土壤的Xm/SIRM<6x10“m/A,<4,Xf<i<4%,说明40cm以下样品中的磁性矿物主要是较粗的准单畴

16、和多畴颗粒。磁化系数(Sm)和剩磁矫顽力(如=IRM/SIRM)能反映样品中不完整反铁磁性矿物与亚铁磁性矿物的相对比例。土壤剖面的S®随深度的变化关系显示，010cm样品的值最高，大于80%,其余样品的值一般都小于80%(图3(g)o典型样品的等温剩磁获得曲线和反向场退磁曲线显示，土壤剖面中2cm和64cm两个样品的匕值分别为42.1mT和57.4mT(图4)。这说明010cm样品中以亚铁磁性矿物为主，而其它样品中还含有不完全反铁磁性矿物。70,¥5oL3090115O70xfd/%SiO,/%2.2热磁曲线样品的热磁曲线（k-T曲线）可以用于识别样品中磁性矿物类型，及其在

17、加热过程中的转变规律o从土壤剖面中挑选典型样品（2cm和64cm）测（1U-T曲线（图5）,结果显示两个样品的K-T曲线形状基本一致，当两个样品被加热至280V附近时，磁化率突然增加，形成一个明显的峰值，这种现象在黄土和石英岩发育土壤的k-7曲线中普遍存在，一般认为这是样品中铁的氢氧化物在加热过程中脱水生成磁赤铁矿而形成的63"。当温度从28。弋继续升高至450丁左右时，磁化率随温度的升高而降低，这町能是磁赤铁矿受热转化成赤铁矿而引起的5。当样品被加热至590r附近时，两个样品的磁化率下降到零值附近，表现出磁铁矿的居里温度。两个样品冷却曲线都大幅高于加热曲线，并目.当温度下降到59（

18、）Y附近时，样品的磁化率随温度的降低而快速升高,并在350r附近升至最高，这说明两个样品在加热过程中都有磁铁矿生成，新生成的磁铁矿可能来自样品中粘土矿物的高温（590-700弋）转化物根据以上分析并结合风阳石英砂工业区的,（候和环境条件，推测土壤剖而样品中可能含有多种磁性矿物，如磁赤铁矿、铁的氢氧化物、磁铁矿、黏土矿物等，其中磁赤铁矿是样1.0t一_品磁化率的主要贡献者。2.3Si。？含量随深度的变化特征凤阳石英尾砂的主要成分是SiO"为了分析石英尾砂对土壤剖面的影响，本文采用而hl法对土壤剖面所有样品中Sio2质量百分含姓进行了测量，结果显示0-10cm±壤中Si（）2含

19、虽最高,1040cm土壤次之,4072cm土壤中SiO2含量最低（图3（h）。010cm和1040cm土壤中SiO2含量随深度的增加而降低，其中表土中Si。？含量最高，达59.3%,远高于风阳旱地表土Si。？含辱的平均值33.8%。4072cm土壤中SiO2含量随深度的增加基本保持不变，平均值为35.0%,这个值反映了整条剖面成土母质中SiO?含录。4（）cm土壤中Si。？含仙升高说明石英尾砂已对土壤剖而造成污染，如果以SiO含吊：作为划分污染程度的标准，表土受石英尾砂污染是最严取的。2.4环境意义对石英砂工业区土壤剖血的磁学参数进行综合分析，可以将整条剖面分成三个磁性层（图3）,第一层01。

20、cm,其磁性。强,SiO2含埴最高;第二层1040cm,磁性和Si（）2含量都处于第一层和第三层之间；第三层40-72cm,磁性最弱,SiO2含量:最低。从剖面典型样品的k_T曲线（图5）、磁化系数Sm图3（g）和剩磁矫顽力如（图4OOO4OOO/mTS一s、s竺8642oooO)20.0-0.O00,4020/7/mT图4典型样品的等温剩磁获得曲线（a）和反向场沮磁曲线（b）图5典型样品的k-T|线Fig.5kTcurvesG)rrepresentalivesamples1.0图6土壤样品的SIRM-*散点图Fig.6SIRM一矛plotofsoilsamples4)等磁学参数来分析，土壤样

21、品中含有多种磁性矿物，而整条剖面样品的SIRM与散点图显示两者高度正相关(肥=0.9179)(图6),说明土壤剖面样品的磁学性质主要由磁赤铁矿控制。图3显示第三层(40-72cm)土壤的磁学参数值变化幅度小，旦磁学参数值远低于凤阳早地表土的平均值，说明第三层(4072cm)土壤中磁性矿物含量低，磁性矿物颗粒粗，其磁学特征主要由成土母质控制。第二层(10-40cm)土壤的磁学参数相对第三层(4072cm)土壤，其值均有升高，在这一层土壤中含有较多植物的根，说明植物对第二层土壤磁性增强可能起到了一定的作用。另外，土壤剖面所在的这块土地以前还有农民在上面耕作，对土壤进行过翻动，说明人为的作用可能也是

22、第二层(10-40cm)土壤磁性增强的原因。第一层(010cm)土壤中表示磁性矿物含拈的磁学参数3和SIRM)明显高于第二层(1040cm)和第三层(4072cm)土壤,表现出比第二层(1040cm)±壤更为明显的磁性增强现象，这种表土磁性增强现象众多学者在研究黄土、古土壤及现代土壤都曾发现过，也提出r多种理论对这种表土磁性增强现象进行了解释，7-，81o山于该剖面第三层(4072cm)土壤磁性较弱，说明成土母质磁性较弱,而第一层(010cm)土壤样品的磁性明显增强，除JT有分析第二层(10-40cm)土壤磁性增强所提到的两个因素外，还有可能是由次生的磁赤铁矿引起。已有的研究表明，在

23、湿热的气候条件下，土壤中氧化铁化合物最终向磁赤铁矿和赤铁矿转化，磁赤铁矿是氧化透水通气环境的很好指示矿物，5o另外，每年田野里秸秆的燃烧可能也是第一层土壤样品的磁性增强的原因之一，当有机质被燃烧时，一些含铁的非磁性矿物转化为磁性矿物，从而使第一层(010cm)土壤的磁性增强。x/(0Mm7kg)SIRMIO4Am'/kg)xlOm7kg)(xSIRMK10F/A)xARM/x(a)(b)(c)(d)(e)图3(h)显示土壤剖面第一层(0-10cm)SiO2含量平均值已达53.77%,虽低于石英尾砂的平均值92.7%",但远高于凤阳旱地表土SiO?含量的平均值33.8%1,表明

24、石英尾砂已经污染了土壤剖面。而将土壤剖面第一层(0-10cm)的磁学参数*、SIKM、Xarm、Xarm/SIRM和*arm9与石英砂尾砂及凤阳县早地表土进行比较，发现第一层(0-10cm)土壤的HSIRM、加、"/SIRM和*ARM女平均值分别为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),低于凤阳县旱地表土的平均值(27.0xW8m

25、3/kg.21.7xIO'4Am2/kg.225xIO'8m3/kg.9.91x10'4m/A和7.92)。这说明在石英尾砂的稀释作用下，使得第一层(0-10cm)土壤磁学参数降低，Si()2含量升高。为了消除石英尾砂对土壤磁学参数的影响，对土壤剖面进行质量校正，校正后的磁学参数随采样深度的变化关系显示，第一层(0-10cm)土壤的心SIRM、膈m、膈m/SIRM和版网次平均值分别为34.73xIO"m3/kg.29.76xIO'4ArnVkg.190.51xI。-'m3/kgA14.16x10“m/A和11.88),远高于石英尾砂，而与凤阳旱

26、地表土差别不大(图7)。校正后土壤剖面磁学参数还显示,第一层(010cm)土壤的磁性增强现象变得更加明显。对比图3和图7中表示磁性矿物含量的磁学参数3、S1RM)和磁性矿物粒径大小的磁学参数(Xarm、Xar/SIRM和加次)，发现第一层(010cm)土壤受弱磁性石英尾砂污染后，在石英尾砂的稀释作用下，土壤的磁性结构特征发生了变化，磁性矿物含量降低，而粒度参数的变化是由质量扣除引起的，土壤剖面的磁学参数组合特征及SiO2含量反映了弱磁性石英尾砂对第一层(010cm)土壤的污染过程。3结论(1) 凤阳石英砂工业区土壤剖面可分成三个磁性层，其中第一层磁性最强，第二层磁性处于第一层和第三层之间，第三

27、层磁性最弱，第三层磁学性质主要由成土母质决定，第一层存在明显的磁性增强现象，引起这种现象的原因可能是次生的磁赤铁矿和燃烧作用；(2) 磁测结果和SiO2含量显示土壤剖面的第一层已被弱磁性石英尾砂污染，在石英尾砂的稀释作用下，其磁性结构特征发生了变化，磁性矿物含量降低，土壤剖面的磁学参数组合特征及Sio2含量反映了弱磁性石英尾砂对第一层土壤的污染过程。参考文献：意义J现代地质，2008,22(5)：889-894.2 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J.地球物理学报，2008,51(3)：762-769.3 沈明洁，胡守云，BlahaU,等.北京石景山工业区附近一个污染

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