环境磁学在环境变化研究中的应用

环境磁学在环境变化研究中的应用

环境磁体是介于磁体、地球物理和环境科学之间的一个新兴交叉学科。主要利用矿物和岩石磁体技术研究了气圈、水圈和岩石圈中磁性颗粒的风化、侵蚀、运输、积累和转化过程。环境变化的影响，气候过程的研究，人类活动对环境的影响，一直是一个重要的信息。环境磁学是20世纪70年代初期,英国环境生态学家F.Oldfield教授和物理学博士R.Thompson在研究北爱尔兰LoughNeagh湖时,发现了湖泊沉积物样芯的磁化率曲线与其孢粉组合类型想吻合的现象,进而认识到:有可能通过湖泊沉积物非天然剩磁的磁性测量,结合生物化学指标,提取高分辨率的环境变化信息。其后Oldfield和Thompson的长期合作研究以及其他先驱者的研究,为这门新的学科奠定了基础。环境磁学自问世以来,因研究方法具有简单、快速、无破坏、成本低廉,可解决许多物理和化学方法无法解决的问题等优点,不仅成为对土壤、现代湖泊及河流沉积物、风尘、植物、环境污染等不同对象研究的新的增长点,而且在第四纪黄土、湖泊和海洋沉积物等的研究上,取得了许多重要成果。因为现代环境是第四纪环境演变而来的,将来的环境是现代环境在自然和人类活动共同影响下的发展。因此,通过环境磁学对第四纪气候和环境进行研究、探讨当时古人类活动与自然环境的相互关系,了解自然过程和人类活动对地理环境的影响,预测地理环境变化的趋势,为目前存在的全球变化、土壤侵蚀、沙漠化、盐碱化、海岸侵蚀、旱涝灾害、生物资源保护等问题创造新的监控手段,为制定环境控制战略提供新的依据,无疑起着重要的作用。1磁化率与环境环境磁学的原理就是通过对环境物质,如土壤、岩石、湖泊和海洋的沉积物、火山灰、大气尘埃等自然物质,以及人类活动所产生的物质,如化石燃料燃烧后释放的微粒等的磁性测量,并通过模拟实验与相关研究的对比加以印证,了解环境物质中磁性矿物的含量、类型和运动,然后反推地理环境演变过程,提取地理环境变化信息。环境中磁性矿物的来源分为两类,即外源和内源。外源磁性矿物的输入主要通过大气和径流。大气降尘主要有火山灰、土尘、宇宙尘埃和人类活动释放的大气污染等,径流带入的主要有母质分化碎屑物、表土及工业和生活污水排放物等;磁性矿物的外源组分可以反映周围环境条件及人类活动影响,通过物质磁性特征的变化往往可以追溯环境变迁的历史。自然物质和人类活动所产生的次生物质往往表现出不同的磁性特征,这与本身包含的磁性矿物数量和类型有关。内源磁性矿物指“原生”铁通过化学或生物作用形成的次生磁性矿物。矿物磁学参数是反映沉积物的磁性质变化的定量标志,最常用的磁性参数有:磁化率、饱和等温剩磁、剩磁矫顽力、磁化率频率系数、“软”剩磁、“硬”剩磁、天然剩磁、饱和磁化强度及饱和剩磁与磁化率比值等等。对环境研究来说,最有用的矿物磁性特征是磁化率和饱和等温剩磁。磁化率是样品在一个弱磁场中所获得的感应磁化强度和磁场强度之比,磁化率与样品中所含磁性矿物的种类、粒度和含量直接相关,常用作磁性矿物含量的粗略估计。饱和等温剩磁为样品能够获得的最大剩磁,是样品在1T磁场中磁化后所保留的剩磁,它主要取决于铁磁性矿物的含量和类型,但也依赖于晶粒度。而饱和剩磁与磁化率的比值可用于识别磁性的类型,也可以用来粗略估计大于几十纳米的磁性晶粒度。2研究内容研究。据自然和社会沉积环境磁学应用于第四纪气候与环境变化方面的研究是很多的,迄今为止发表的文献和专著几乎绝大多数得到佐证,而且研究内容也主要集中在黄土、湖泊沉积物和海洋沉积物上,这是因为矿物磁参数变化曲线可以进行地层划分、样芯对比、突发事件(火山喷发事件、洪水事件、火灾事件)指示、沉积速率和沉积量估算以及物源判别,并极好地指示气候、分析数据(氧同位素、生物化石等)相互映证。2.1磁化率与古气候环境磁学主要是通过沉积物的磁记录重建几十万年以来气候变化史。因为中国黄土以分布广、沉积连续、保存的环境信息丰富而成为国际上环境变化研究的支柱之一,许多国内外学者对我国的黄土-古土壤序列做了大量的研究,为第四纪时期古气候变迁历史的重建提供了宝贵的材料。中国最早进行黄土磁化率测量的是安芷生,他注意到了古土壤与黄土磁化率的明显差异,研究并指出古土壤的较高磁化率值在一定程度上反映了温湿气候下湿度增大、促成植被密度大、成壤作用较强的状况;反之,低磁化率值则指示了湿度较小、植被发育、发育黄土的干冷气候状况;其后刘东生和FriendrichHeller在20世纪80年代用古地磁测年方法系统测量了中国黄土-古土壤的磁化率,指出磁化率可以作为古环境的替代性指标,这种磁化率变化与古气候变化相关的事实已得到国际同行的广泛认可。此后,各国学者纷纷将磁化率这种物理参数作为反映古环境变化的替代性指标广泛应用于第四纪古环境研究中。根据黄土中提取的磁环境信息所建立的2.5MaB.P以来环境演化的时间序列,可以和深海沉积与冰芯环境变化时间序列对比,洛川黄土剖面古地磁测量的结果表明,黄土与红粘土的界线位于高斯正向极性时与松山反向极性时的界限附近,黄土堆积的底界年龄推定为2.4~2.5MaB.P。丁仲礼也认为黄土-古土壤序列记录了主要季风模式,冰期北风输入沉积了大量的黄土,而在温暖的间冰期以东南夏季风为主,尘埃输入减少,形成了古土壤。由于古土壤的频率磁化率比黄土高2~3倍,磁化率增强的机制和如何把磁化率的变化转变成定量的古气候参数还在探索之中,目前许多学者已探讨各种方法来估算与气候有关的磁化率含量,并进一步进行定量分析古降水量和古温度。Heller等通过与10Be浓度的对比分析认为后生的磁铁矿与当地当时的降雨量有直接的关系,古降雨量可以计算出来。吕厚远等在研究现代土壤磁化率和气候条件(温水量的增加而增大。但当年平均温度超过15℃、年降水量超过1100mm时,随温度和降水量的继续增加,土壤磁化率反而减少。Banerjee等以黄土高原地区表土磁化率数据定量估算洛川地区末次间冰期时的年平均温度为11~13℃,年平均降水量600~700mm。全新世降水量与末次间冰期类似,年平均温度比末次间冰期低1℃,末次冰期的年平均温度4~5℃,年降水量约350mm。由此可见磁化率作为一种古气候代用指标,最终目的是要把磁化率的变化转化成定量或半定量的气候参数来反映环境变化的。2.2湖泊沉积物磁化率测量的研究湖相沉积物的研究推动了环境磁学的发展。作为环境系统中物质循环运移最终归宿的湖泊沉积物,往往保存了丰富且相对连续的环境历史信息,是研究第四纪气候和环境演变的理想自然载体。这些沉积物主要来自其周边地区,其磁性矿物成分和含量与周围的环境有密切关系,它们往往指示了流域的某些环境事件,周边环境的变化如河流袭夺、滑坡引起的基岩裸露、燃烧引起的地表剥蚀、气候变化引起的风化作用等,都可以引起湖泊沉积物磁化率值的升高。如森林、草场火灾会导致表土层磁性明显增强,这些物质由径流带入湖泊,在沉积序列中保留了火灾事件的“痕迹”,利用湖泊沉积物的磁信息可以揭示流域环境变化的过程和机制。大量研究证明,湖泊沉积物磁化率可作为一个环境代用指标,能够用来计算流域内进入湖泊沉积物的沉积速率以及磁化率变化曲线与无机物总量之间的对应关系。测量更多的环境磁学参数(如矫顽力等),可以用来评估湖泊沉积物中磁性矿物浓度、种类和颗粒大小,进而就获得了湖泊及周围流域内的侵蚀强度、成土过程、还原潜力和铁细菌活动变化信息等。从20世纪60年代开始,一些学者探索湖泊沉积物记录,测量了起始磁化率X随深度的变化,其后01dfiend等(1980)推广磁性测量,鉴别出巴布亚新几内亚高原4次火山喷发事件。Crockford等(1998)提出矿物磁性特征的变化可以判别河流和湖泊沉积物的来源,Lanci等(1999)利用矿物磁性记录讨论了晚第四纪气候的变化。所以湖泊沉积物记录的环境演变是环境磁学的重要研究领域之一。2.3海底沉积相的磁化率和非磁滞剩余磁尽管湖泊沉积物是环境磁学研究的理想场所,但海洋沉积也是研究的主要场所之一,深海钻探计划(DSDP)和海洋钻探计划(ODP)已经做了大量的工作,Robinson通过研究北大西洋晚更新世深海沉积物岩芯,首次令人信服地证明了海洋沉积的某些磁学性质和古气候之间确实相互关联。他发现冰期沉积物磁性矿物含量高、碳酸盐含量低、有大量冰川搬运的碎屑物,间冰期沉积则与之相反磁性矿物含量低和碳酸盐高。这种被称为Heinrich层的富含冰漂碎屑的周期性深海沉积(Heinrich)物,是晚更新世北大西洋沉积的典型特征,可以通过磁化率和非磁滞剩余磁化测量很容易识别出来。浅海陆架和陆坡海洋沉积物中的磁性矿物主要来自陆源,而深海盆地沉积物中的磁性矿物则往往来自火山喷发。海洋沉积物中细菌成因的磁铁矿一般是缺氧条件下形成,磁铁矿多为单畴,是剩磁的良好载体。与湖泊沉积物沉积后一样,海洋沉积物沉积后,磁性矿物可发生还原溶解,成岩过程中自生成因的亚铁磁性铁硫化物,如胶黄铁矿及磁黄铁矿也常见,此外,海洋沉积物中自生作用形成的磁赤铁矿和细菌成因的胶黄铁矿也有报道。目前已做的工作包括:①运用磁化率曲线进行沉积物对比和测年;②识别气候循环周期和变迁特征;③分析陆源物质注入量及其短暂变化特征;④研究沉积后的还原作用。对海洋沉积物的研究表明,磁化率的变化与地球轨道周期变动有关,磁化率研究工作的快捷性和分辨精度是传统沉积学或地化方法难以比拟的。在许多情况下,磁化率记录可同δ18O记录对比,从而为深海沉积序列提供时间尺度。3环境磁体的问题和发展趋势3.1磁化率的变化虽然环境磁学是一门富有生命力的学科,但毕竟是一门新兴的学科,有许多问题在探索当中如黄土-古土壤研究中,古土壤磁化率增强的机制是什么?磁细菌引起磁性矿物含量变化的作用以及最适宜环境是什么?以及沉积后还原性成岩作用改造先存的磁性矿物,削弱甚至破坏环境磁信号,引起磁参数解释的多义性、磁性矿物对环境变化的敏感性,还有不同粒径和类型磁性矿物的磁参数贡献等还有待于进一步研究。3.2加强环境磁学研究(1)黄土风化成壤过程中的生物对矿物风化和新生矿物产生的作用研究以及气候控制黄土-古土壤序列磁化率变化的详细物理和化学过程,超细粒成壤磁性矿物的来源等是今后环境磁学研究的重点之一。(2)利用磁信息加强湖泊和海洋沉积物沉积速率、气候周期和记录可靠性之间关系的定量研究,以探讨第四纪气候与环境变化及全球环境变迁,这也是环境磁学的学科要