长江沉积物的环境磁参数季节性变化影响因素分析

2023-08-17 理论教育版权反馈

【摘要】：与本书第4章不同化学相态Fe的讨论结果类似，环境磁学参数的季节性分布特征也受下游干流沉积物来源控制，推测与流域一年内水文和气象的变化信息密切相关。虽然HIRM 在长江上游和中下游也有较大差别，但南通沉积物HIRM 并没有表现出明显的季节性变化趋势，暗示了HIRM 与SIRM和S-100可能有不同水动力搬运过程。

与本书第4章不同化学相态Fe的讨论结果类似，环境磁学参数的季节性分布特征也受下游干流沉积物来源控制，推测与流域一年内水文和气象的变化信息密切相关。长江流域的降雨特征及所引起的不同流域输沙量的变化，已经在第4章中详细论述，这里不再详细说明。在本书所讨论的5个参数中，SIRM 和S-100的季节性变化特征与长江流域降水特征有更好的一致性。从4月—10月，随着雨带由长江流域中下游地区向上游地区推移，上游物质在下游南通沉积物中的贡献逐渐增加(图4-10)。由于长江上游地区沉积物SIRM 普遍较高而S-100普遍较低，随着上游贡献量的增加，南通样品SIRM 逐渐增加而S-100逐渐降低，显示出由中下游沉积物主导的源区向上游沉积物主导的源区特征过渡(图5-2)。9月之后，随着雨带的逐渐回撤，上游物质供应越来越少，南通样品磁学参数逐渐显示出下游沉积物特征，SIRM 开始逐渐降低而S-100逐渐升高。尤其随着三峡蓄水的开始(9月底)，这种分化越来越明显，导致南通样品SIRM 和S-100回到中下游沉积物磁学属性的范围。

但并非所有磁学参数的波动都与流域降水的变化同步改变。在一年时间内，χ和χfd%并没有显示出与SIRM 和S-100类似的季节性变化特征。虽然χ和SIRM 都主要反映物质磁性的强弱和多少，但与SIRM相比，χ非常容易受到磁性颗粒形状、大小的影响，同时也容易受到反亚铁磁性矿物的干扰。然而SIRM 却不受顺磁性矿物的影响，超顺磁性颗粒的SIRM 几乎为零(Maher，1988)。南通样品的χfd%平均值为3.6%，变化范围为0.6%～7.9%，明显高于流域内样品的χfd%的平均值(2.1%)和变化范围(0.8%～4.5%)。因此，南通采样点处的χfd%可能并不完全来自长江上游河流沉积物贡献，而是有其他更富集χfd%的组分加入。卢升高等(2000)研究长江中下游第四纪土壤发现，分布于长江中下游南、北两侧的土壤颗粒，χfd%变化范围高达11.1%～14.5%，认为土壤中异常高的χfd%主要是由成土作用过程中新的次生的超顺磁颗粒和稳定单畴颗粒所造成的。除此之外，江汉平原和长江三角洲地区大量种植水稻，土壤发育主要以水稻土为主(长江流域岩石类型图，1998)。在植物根系附近有机质存在的情况下，磁细菌在还原含Fe矿物的过程中可以合成新的磁铁矿、磁黄铁矿等。这些由细菌合成的磁铁矿大多属于SP-SSD 范畴，极有可能导致χfd%的富集(Kirschvink，1982;Petersen等，1986;Fassbinder等，1990)。另一方面，χfd%的季节性变化显示出与SIRM 和S-100不同的变化规律。汛期χfd%的平均值为4.3%，枯季只有2.8%，反映了汛期和枯季的χfd%来源确实发生了改变，但这种变化在雨季(洪季)并没有表现出随降雨增加而递增的趋势，而是短时间就达到了一个较高的水平。推测这种变化是因为中下游局部地区降雨冲刷当地土壤，将大量χfd%在短时间内输送到长江中。因此，χfd%表现出了与SIRM 和S-100不同步的变化规律。作为所有磁性颗粒总的表现和反映，χ 既包含单畴及多畴颗粒的信息(SIRM)，又包含超顺磁性颗粒的贡献(χfd%)，因而是SIRM 和χfd%波动变化的一个综合反映。虽然HIRM 在长江上游和中下游也有较大差别，但南通沉积物HIRM 并没有表现出明显的季节性变化趋势，暗示了HIRM 与SIRM和S-100可能有不同水动力搬运过程。

南通样品各磁学参数与粒度分析结果(图5-5)显示除χ与Mz有较弱的相关性外，其他另外三个磁学参数与Mz都没有明显相关性，与流域空间样品反映的规律类似(图5-3)。与之前的认识类似，我们认为本书中磁学参数普遍与粒度相关性较差，主要还是与长江流域复杂的沉积物源汇过程及三峡大坝对长江水动力条件的改变削弱了粒度对各磁学参数的影响。

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图5-5　南通地区长江干流季节性样品各磁学参数与Mz的关系

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图5-6　南通段长江干流季节性样品各磁学参数与CIA的关系

南通季节性悬浮物样品各磁学参数与CIA 的关系见图5-6。结果显示，相比χfd%和S-100，SIRM 和χ与CIA 的相关性略高一些。茅昌平(2009)对南京季节性悬浮物CIA 的研究发现，CIA 存在着明显的季节性变化，即洪季CIA 较低而枯季CIA 较高，并解释这种变化主要反映了南京悬浮物源区物理、化学风化和水文分选共同作用的结果。不同磁学参数对CIA 响应的不一致，说明了不同磁学参数的载体来源不同。SIRM 主要反映了稳定单畴亚铁磁性矿物的变化，在南通悬浮物中，以原生的磁铁矿为主，主要来自长江上游，尤其是金沙江、雅砻江、岷江一带(王中波等，2006;何梦颖，2011);而上游的化学风化总体较弱，CIA偏低，因此，CIA 与SIRM 呈现负相关关系。χfd%主要反映了超顺磁颗粒的变化，由上文分析可知在南通沉积物中主要是以次生的细粒磁铁矿为主，主要来自中下游细菌作用下的成土作用。

总体上，南通悬浮物样品不同磁学参数的变化，反映了不同的沉积物来源。SIRM 的贡献主要来自上游沉积物，南通样品SIRM 的季节性变化主要反映了洪季和枯季上游沉积物在入海物质中的比例;χfd%的变化，虽然也受沉积物来源改变的影响，但更多地反映了中下游地区本身的地质条件和环境的特征，尤其是成土作用可以形成大量次生超顺磁颗粒。χ是各种磁性颗粒磁性贡献的一个综合反映，既包含稳定单畴颗粒的贡献，也包含超顺磁颗粒的影响，因而南通悬浮物的χ的季节性特征并不明显。

值得注意的是，随着各种人类活动的增强，例如，采矿、冶金及化石燃料的使用，极大地改变了环境中磁性物质的来源。例如燃煤产生的球形磁铁矿和大量含铁工业废水，通过大气或河流等途径进入自然环境中。现代土壤、沉积物的表层磁性增强(Thompson和Oldfield，1986;Yang等，2007c;郑妍等，2007)，往往与工业排放的磁性矿物有关。环境磁学方法正逐步发展成为重金属污染指示的一种有效方法(张卫国等，1995;闫海涛等，2004;符超峰等，2008)。然而，如何区分人类活动成因的磁性颗粒与自然成因的磁性颗粒，成为摆在环境磁学应用面前的新的问题(Li等，2009)。Dearing(1999)的研究表明，化石燃料燃烧形成的磁性颗粒主要以多畴和假单畴等磁性颗粒存在。因此，除了对磁学信号强弱的研究，对磁性颗粒大小和磁畴的研究，或许可以为区分人类活动成因的磁性颗粒提供新的思路。另一方面，地球化学、矿物学等多种分析手段的综合应用，也是提高分析准确性的重要手段。

长江中下游地区是我国人口最为稠密和集中的地区之一，沿江各种工业活动频繁，武汉、铜陵、南京等地钢铁冶炼厂，冬季取暖产生的大量粉煤灰，水稻的广泛种植等，都对长江沉积物磁学参数产生重要影响。例如，Zhang和Yu，(2003)对崇明潮滩现代沉积物的研究发现，沉积物磁学特征与现代污染存在着明显的关系。而Li等(2011)在研究南京八卦洲沉积物时发现，2004年以来的沉积物磁化率明显偏高，主要反映了附近粉煤灰排放的增强。受材料所限，本书对长江沉积物的讨论还无法识别分析人类活动对长江沉积物环境磁学特征所造成的影响，但人类活动的影响在长江中下游现代沉积物的研究过程中不容忽视。

长江沉积物的环境磁参数季节性变化影响因素分析

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