環(huán)境磁學(xué)在環(huán)境變化研究中的應(yīng)用

環(huán)境磁學(xué)在環(huán)境變化研究中的應(yīng)用

環(huán)境磁體是介于磁體、地球物理和環(huán)境科學(xué)之間的一個(gè)新興交叉學(xué)科。主要利用礦物和巖石磁體技術(shù)研究了氣圈、水圈和巖石圈中磁性顆粒的風(fēng)化、侵蝕、運(yùn)輸、積累和轉(zhuǎn)化過(guò)程。環(huán)境變化的影響，氣候過(guò)程的研究，人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，一直是一個(gè)重要的信息。環(huán)境磁學(xué)是20世紀(jì)70年代初期,英國(guó)環(huán)境生態(tài)學(xué)家F.Oldfield教授和物理學(xué)博士R.Thompson在研究北愛(ài)爾蘭LoughNeagh湖時(shí),發(fā)現(xiàn)了湖泊沉積物樣芯的磁化率曲線與其孢粉組合類型想吻合的現(xiàn)象,進(jìn)而認(rèn)識(shí)到:有可能通過(guò)湖泊沉積物非天然剩磁的磁性測(cè)量,結(jié)合生物化學(xué)指標(biāo),提取高分辨率的環(huán)境變化信息。其后Oldfield和Thompson的長(zhǎng)期合作研究以及其他先驅(qū)者的研究,為這門新的學(xué)科奠定了基礎(chǔ)。環(huán)境磁學(xué)自問(wèn)世以來(lái),因研究方法具有簡(jiǎn)單、快速、無(wú)破壞、成本低廉,可解決許多物理和化學(xué)方法無(wú)法解決的問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn),不僅成為對(duì)土壤、現(xiàn)代湖泊及河流沉積物、風(fēng)塵、植物、環(huán)境污染等不同對(duì)象研究的新的增長(zhǎng)點(diǎn),而且在第四紀(jì)黃土、湖泊和海洋沉積物等的研究上,取得了許多重要成果。因?yàn)楝F(xiàn)代環(huán)境是第四紀(jì)環(huán)境演變而來(lái)的,將來(lái)的環(huán)境是現(xiàn)代環(huán)境在自然和人類活動(dòng)共同影響下的發(fā)展。因此,通過(guò)環(huán)境磁學(xué)對(duì)第四紀(jì)氣候和環(huán)境進(jìn)行研究、探討當(dāng)時(shí)古人類活動(dòng)與自然環(huán)境的相互關(guān)系,了解自然過(guò)程和人類活動(dòng)對(duì)地理環(huán)境的影響,預(yù)測(cè)地理環(huán)境變化的趨勢(shì),為目前存在的全球變化、土壤侵蝕、沙漠化、鹽堿化、海岸侵蝕、旱澇災(zāi)害、生物資源保護(hù)等問(wèn)題創(chuàng)造新的監(jiān)控手段,為制定環(huán)境控制戰(zhàn)略提供新的依據(jù),無(wú)疑起著重要的作用。1磁化率與環(huán)境環(huán)境磁學(xué)的原理就是通過(guò)對(duì)環(huán)境物質(zhì),如土壤、巖石、湖泊和海洋的沉積物、火山灰、大氣塵埃等自然物質(zhì),以及人類活動(dòng)所產(chǎn)生的物質(zhì),如化石燃料燃燒后釋放的微粒等的磁性測(cè)量,并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)與相關(guān)研究的對(duì)比加以印證,了解環(huán)境物質(zhì)中磁性礦物的含量、類型和運(yùn)動(dòng),然后反推地理環(huán)境演變過(guò)程,提取地理環(huán)境變化信息。環(huán)境中磁性礦物的來(lái)源分為兩類,即外源和內(nèi)源。外源磁性礦物的輸入主要通過(guò)大氣和徑流。大氣降塵主要有火山灰、土塵、宇宙塵埃和人類活動(dòng)釋放的大氣污染等,徑流帶入的主要有母質(zhì)分化碎屑物、表土及工業(yè)和生活污水排放物等;磁性礦物的外源組分可以反映周圍環(huán)境條件及人類活動(dòng)影響,通過(guò)物質(zhì)磁性特征的變化往往可以追溯環(huán)境變遷的歷史。自然物質(zhì)和人類活動(dòng)所產(chǎn)生的次生物質(zhì)往往表現(xiàn)出不同的磁性特征,這與本身包含的磁性礦物數(shù)量和類型有關(guān)。內(nèi)源磁性礦物指“原生”鐵通過(guò)化學(xué)或生物作用形成的次生磁性礦物。礦物磁學(xué)參數(shù)是反映沉積物的磁性質(zhì)變化的定量標(biāo)志,最常用的磁性參數(shù)有:磁化率、飽和等溫剩磁、剩磁矯頑力、磁化率頻率系數(shù)、“軟”剩磁、“硬”剩磁、天然剩磁、飽和磁化強(qiáng)度及飽和剩磁與磁化率比值等等。對(duì)環(huán)境研究來(lái)說(shuō),最有用的礦物磁性特征是磁化率和飽和等溫剩磁。磁化率是樣品在一個(gè)弱磁場(chǎng)中所獲得的感應(yīng)磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度之比,磁化率與樣品中所含磁性礦物的種類、粒度和含量直接相關(guān),常用作磁性礦物含量的粗略估計(jì)。飽和等溫剩磁為樣品能夠獲得的最大剩磁,是樣品在1T磁場(chǎng)中磁化后所保留的剩磁,它主要取決于鐵磁性礦物的含量和類型,但也依賴于晶粒度。而飽和剩磁與磁化率的比值可用于識(shí)別磁性的類型,也可以用來(lái)粗略估計(jì)大于幾十納米的磁性晶粒度。2研究?jī)?nèi)容研究。據(jù)自然和社會(huì)沉積環(huán)境磁學(xué)應(yīng)用于第四紀(jì)氣候與環(huán)境變化方面的研究是很多的,迄今為止發(fā)表的文獻(xiàn)和專著幾乎絕大多數(shù)得到佐證,而且研究?jī)?nèi)容也主要集中在黃土、湖泊沉積物和海洋沉積物上,這是因?yàn)榈V物磁參數(shù)變化曲線可以進(jìn)行地層劃分、樣芯對(duì)比、突發(fā)事件(火山噴發(fā)事件、洪水事件、火災(zāi)事件)指示、沉積速率和沉積量估算以及物源判別,并極好地指示氣候、分析數(shù)據(jù)(氧同位素、生物化石等)相互映證。2.1磁化率與古氣候環(huán)境磁學(xué)主要是通過(guò)沉積物的磁記錄重建幾十萬(wàn)年以來(lái)氣候變化史。因?yàn)橹袊?guó)黃土以分布廣、沉積連續(xù)、保存的環(huán)境信息豐富而成為國(guó)際上環(huán)境變化研究的支柱之一,許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)我國(guó)的黃土-古土壤序列做了大量的研究,為第四紀(jì)時(shí)期古氣候變遷歷史的重建提供了寶貴的材料。中國(guó)最早進(jìn)行黃土磁化率測(cè)量的是安芷生,他注意到了古土壤與黃土磁化率的明顯差異,研究并指出古土壤的較高磁化率值在一定程度上反映了溫濕氣候下濕度增大、促成植被密度大、成壤作用較強(qiáng)的狀況;反之,低磁化率值則指示了濕度較小、植被發(fā)育、發(fā)育黃土的干冷氣候狀況;其后劉東生和FriendrichHeller在20世紀(jì)80年代用古地磁測(cè)年方法系統(tǒng)測(cè)量了中國(guó)黃土-古土壤的磁化率,指出磁化率可以作為古環(huán)境的替代性指標(biāo),這種磁化率變化與古氣候變化相關(guān)的事實(shí)已得到國(guó)際同行的廣泛認(rèn)可。此后,各國(guó)學(xué)者紛紛將磁化率這種物理參數(shù)作為反映古環(huán)境變化的替代性指標(biāo)廣泛應(yīng)用于第四紀(jì)古環(huán)境研究中。根據(jù)黃土中提取的磁環(huán)境信息所建立的2.5MaB.P以來(lái)環(huán)境演化的時(shí)間序列,可以和深海沉積與冰芯環(huán)境變化時(shí)間序列對(duì)比,洛川黃土剖面古地磁測(cè)量的結(jié)果表明,黃土與紅粘土的界線位于高斯正向極性時(shí)與松山反向極性時(shí)的界限附近,黃土堆積的底界年齡推定為2.4~2.5MaB.P。丁仲禮也認(rèn)為黃土-古土壤序列記錄了主要季風(fēng)模式,冰期北風(fēng)輸入沉積了大量的黃土,而在溫暖的間冰期以東南夏季風(fēng)為主,塵埃輸入減少,形成了古土壤。由于古土壤的頻率磁化率比黃土高2~3倍,磁化率增強(qiáng)的機(jī)制和如何把磁化率的變化轉(zhuǎn)變成定量的古氣候參數(shù)還在探索之中,目前許多學(xué)者已探討各種方法來(lái)估算與氣候有關(guān)的磁化率含量,并進(jìn)一步進(jìn)行定量分析古降水量和古溫度。Heller等通過(guò)與10Be濃度的對(duì)比分析認(rèn)為后生的磁鐵礦與當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的降雨量有直接的關(guān)系,古降雨量可以計(jì)算出來(lái)。呂厚遠(yuǎn)等在研究現(xiàn)代土壤磁化率和氣候條件(溫水量的增加而增大。但當(dāng)年平均溫度超過(guò)15℃、年降水量超過(guò)1100mm時(shí),隨溫度和降水量的繼續(xù)增加,土壤磁化率反而減少。Banerjee等以黃土高原地區(qū)表土磁化率數(shù)據(jù)定量估算洛川地區(qū)末次間冰期時(shí)的年平均溫度為11~13℃,年平均降水量600~700mm。全新世降水量與末次間冰期類似,年平均溫度比末次間冰期低1℃,末次冰期的年平均溫度4~5℃,年降水量約350mm。由此可見(jiàn)磁化率作為一種古氣候代用指標(biāo),最終目的是要把磁化率的變化轉(zhuǎn)化成定量或半定量的氣候參數(shù)來(lái)反映環(huán)境變化的。2.2湖泊沉積物磁化率測(cè)量的研究湖相沉積物的研究推動(dòng)了環(huán)境磁學(xué)的發(fā)展。作為環(huán)境系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)運(yùn)移最終歸宿的湖泊沉積物,往往保存了豐富且相對(duì)連續(xù)的環(huán)境歷史信息,是研究第四紀(jì)氣候和環(huán)境演變的理想自然載體。這些沉積物主要來(lái)自其周邊地區(qū),其磁性礦物成分和含量與周圍的環(huán)境有密切關(guān)系,它們往往指示了流域的某些環(huán)境事件,周邊環(huán)境的變化如河流襲奪、滑坡引起的基巖裸露、燃燒引起的地表剝蝕、氣候變化引起的風(fēng)化作用等,都可以引起湖泊沉積物磁化率值的升高。如森林、草場(chǎng)火災(zāi)會(huì)導(dǎo)致表土層磁性明顯增強(qiáng),這些物質(zhì)由徑流帶入湖泊,在沉積序列中保留了火災(zāi)事件的“痕跡”,利用湖泊沉積物的磁信息可以揭示流域環(huán)境變化的過(guò)程和機(jī)制。大量研究證明,湖泊沉積物磁化率可作為一個(gè)環(huán)境代用指標(biāo),能夠用來(lái)計(jì)算流域內(nèi)進(jìn)入湖泊沉積物的沉積速率以及磁化率變化曲線與無(wú)機(jī)物總量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。測(cè)量更多的環(huán)境磁學(xué)參數(shù)(如矯頑力等),可以用來(lái)評(píng)估湖泊沉積物中磁性礦物濃度、種類和顆粒大小,進(jìn)而就獲得了湖泊及周圍流域內(nèi)的侵蝕強(qiáng)度、成土過(guò)程、還原潛力和鐵細(xì)菌活動(dòng)變化信息等。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始,一些學(xué)者探索湖泊沉積物記錄,測(cè)量了起始磁化率X隨深度的變化,其后01dfiend等(1980)推廣磁性測(cè)量,鑒別出巴布亞新幾內(nèi)亞高原4次火山噴發(fā)事件。Crockford等(1998)提出礦物磁性特征的變化可以判別河流和湖泊沉積物的來(lái)源,Lanci等(1999)利用礦物磁性記錄討論了晚第四紀(jì)氣候的變化。所以湖泊沉積物記錄的環(huán)境演變是環(huán)境磁學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一。2.3海底沉積相的磁化率和非磁滯剩余磁盡管湖泊沉積物是環(huán)境磁學(xué)研究的理想場(chǎng)所,但海洋沉積也是研究的主要場(chǎng)所之一,深海鉆探計(jì)劃(DSDP)和海洋鉆探計(jì)劃(ODP)已經(jīng)做了大量的工作,Robinson通過(guò)研究北大西洋晚更新世深海沉積物巖芯,首次令人信服地證明了海洋沉積的某些磁學(xué)性質(zhì)和古氣候之間確實(shí)相互關(guān)聯(lián)。他發(fā)現(xiàn)冰期沉積物磁性礦物含量高、碳酸鹽含量低、有大量冰川搬運(yùn)的碎屑物,間冰期沉積則與之相反磁性礦物含量低和碳酸鹽高。這種被稱為Heinrich層的富含冰漂碎屑的周期性深海沉積(Heinrich)物,是晚更新世北大西洋沉積的典型特征,可以通過(guò)磁化率和非磁滯剩余磁化測(cè)量很容易識(shí)別出來(lái)。淺海陸架和陸坡海洋沉積物中的磁性礦物主要來(lái)自陸源,而深海盆地沉積物中的磁性礦物則往往來(lái)自火山噴發(fā)。海洋沉積物中細(xì)菌成因的磁鐵礦一般是缺氧條件下形成,磁鐵礦多為單疇,是剩磁的良好載體。與湖泊沉積物沉積后一樣,海洋沉積物沉積后,磁性礦物可發(fā)生還原溶解,成巖過(guò)程中自生成因的亞鐵磁性鐵硫化物,如膠黃鐵礦及磁黃鐵礦也常見(jiàn),此外,海洋沉積物中自生作用形成的磁赤鐵礦和細(xì)菌成因的膠黃鐵礦也有報(bào)道。目前已做的工作包括:①運(yùn)用磁化率曲線進(jìn)行沉積物對(duì)比和測(cè)年;②識(shí)別氣候循環(huán)周期和變遷特征;③分析陸源物質(zhì)注入量及其短暫變化特征;④研究沉積后的還原作用。對(duì)海洋沉積物的研究表明,磁化率的變化與地球軌道周期變動(dòng)有關(guān),磁化率研究工作的快捷性和分辨精度是傳統(tǒng)沉積學(xué)或地化方法難以比擬的。在許多情況下,磁化率記錄可同δ18O記錄對(duì)比,從而為深海沉積序列提供時(shí)間尺度。3環(huán)境磁體的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)3.1磁化率的變化雖然環(huán)境磁學(xué)是一門富有生命力的學(xué)科,但畢竟是一門新興的學(xué)科,有許多問(wèn)題在探索當(dāng)中如黃土-古土壤研究中,古土壤磁化率增強(qiáng)的機(jī)制是什么?磁細(xì)菌引起磁性礦物含量變化的作用以及最適宜環(huán)境是什么?以及沉積后還原性成巖作用改造先存的磁性礦物,削弱甚至破壞環(huán)境磁信號(hào),引起磁參數(shù)解釋的多義性、磁性礦物對(duì)環(huán)境變化的敏感性,還有不同粒徑和類型磁性礦物的磁參數(shù)貢獻(xiàn)等還有待于進(jìn)一步研究。3.2加強(qiáng)環(huán)境磁學(xué)研究(1)黃土風(fēng)化成壤過(guò)程中的生物對(duì)礦物風(fēng)化和新生礦物產(chǎn)生的作用研究以及氣候控制黃土-古土壤序列磁化率變化的詳細(xì)物理和化學(xué)過(guò)程,超細(xì)粒成壤磁性礦物的來(lái)源等是今后環(huán)境磁學(xué)研究的重點(diǎn)之一。(2)利用磁信息加強(qiáng)湖泊和海洋沉積物沉積速率、氣候周期和記錄可靠性之間關(guān)系的定量研究,以探討第四紀(jì)氣候與環(huán)境變化及全球環(huán)境變遷,這也是環(huán)境磁學(xué)的學(xué)科要