环境磁学在地理环境研究中的应用

环境磁学自20世纪70年代兴起以来,在欧洲、澳洲、北美、南亚和北非许多国家和地区的环境研究中得到重视,应用领域迅速扩大。环境磁学的研究已遍及全球各主要气候带和地质岩性区域,涉及到不同类型的湖泊、沼泽、河流和海洋环境系统。磁测的对象不仅有海洋和湖泊沉积物样芯、河流的悬移或推移质,也包括了不同区域的土壤剖面、黄土剖面序列、大气尘埃、冰碛物、岩芯和冰芯等。应用领域推广到区域和全球变化研究,区域环境污染监测和污染历史研究,流域侵蚀和沉积研究,人类活动对地理环境影响研究,环境考古,石油勘探等。

研究湖泊沉积物以恢复流域古地理环境湖泊沉积物的来源是多种多样的,由于各种来源的物质具有不同的磁性特征,并在一定程度上保留了原有的磁性,因而湖泊沉积序列的磁性变化模式能综合地反映沉积物质的来源及其配比。

环境事件的指示研究表明,在连续的常态湖泊沉积序列中,可能夹带着一层或多层磁性极端异常的沉积层,它们往往指示了流域或临近区域的某些环境事件。如森林、草场火灾会导致表土层磁性的明显增强,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”。F1Oldfield等通过磁性测量鉴别出巴布亚新几内亚高原四次火山喷发事件。俞立中等在苏北兴化的湖泊沉积物研究中,从沉积物的磁性异常揭示了历史洪水事件,并通过相关研究得到证实。

对流域环境变迁的分析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。中国云南滇池沉积物的磁性研究表明,在具有稳定的森林植被覆盖的地区,气候变化仍然可以从湖泊沉积物的磁性特征上反映出来。吴瑞金认为,湖泊沉积物的磁化率、频率磁化率可以作为映古气候、古环境变化的灵敏间接指标。胡守云等指出,磁化率可以作为一个反映环境变化的代用指标,高(低)频磁化率相应指示湿润(干旱)的气候,较高(低)的湖面。张振克等研究认为:历史时期内陆封闭湖泊沉积物频率磁化率高值段指示气候偏湿阶段;低值段指示气候干旱阶段;俞立中等对太湖的沉积物环境磁学研究揭示了由气候变化引起的太湖水位升降旋回。J1Dearing等在Peris湖的环境磁学研究,不仅发现了由于过度放牧引起的表土流失,而且解释了流域土地利用变化的历史过程。俞立中等提出利用湖泊沉积物磁信息判别物质来源的定量分析方法,并成功地应用于流域环境研究。

对土壤形成和土壤分类的研究土壤磁学是本世纪70年代末建立的新的研究领域,其基本原理是土壤中的铁能改变价态、形成与环境有关的多种氧化相或与土壤中其它成分一起形成络合物。土壤中铁的化合物状态常常指示土壤水分状况、形成过程和土壤类型。各种土壤的磁测表明,在土壤环境类型和磁学性质之间存在着清楚的关系。土壤磁学的任务是对土壤剖面进行常规勘探和描述;研究土壤的形成过程,对土壤进行分类、分层,标识不同的成土过程。未来土壤磁学的应用包括几个方面:土壤基本磁性、氧化物和发生研究、土壤地理、土壤调查、土壤磁法改良、土壤结构研究、土壤侵蚀状况等。

研究黄土——古土壤序列探索古气候变化规律磁化率曲线已用来建立不同地区黄土剖面的相应层位联系,并对照深海沉积物和极地冰芯中提取的古气候演变信息,以揭示全球古气候变化规律。黄土的磁化率之所以能够很好地反映气候变化,是因为在大范围内,可以认为黄土的沉积环境变化不大,磁化率的高低主要决定于成土作用及其细小磁性物质产生的多少。通过对黄土剖面的磁化率频率系数及其它磁参数的测量,以及对各个粒级的黄土、古土壤磁性特征的对比研究,已认识到黄土和古土壤中铁磁晶粒的大小构成和组合存在着明显差异,反映出在不同气候条件下成土作用的强弱对黄土剖面磁性差异的重要影响。FriedrichHeller等对陕西洛川黄土的研究,指出天然剩磁(NRM)和磁化率的强度变化对黄土沉积期间的气候变化具有指示性。大量研究表明黄土堆积时期气候干冷,古土壤形成时期气候暖湿,黄土的磁化率低,古土壤的磁化率高。

环境污染研究环境磁学主要监测现代环境污染、重建污染历史、以及典型地区的污染等几个方面。根据JohnDearing的资料,磁性测量已经被用来识别来自化石燃料燃烧、汽车、表面建筑材料、钢铁制造和其他金属冶炼所释放的颗粒物。根据湖泊和水库沉积物、泥炭沼泽,甚至有机质枯落层的磁性分析,许多研究已经重建了大气污染的历史。T1M1Williams采用磁化率曲线,对比沉积物中重金属化学分析和1820年以来欧洲煤炭燃烧的资料,得出低频磁化率(xlf)与Pb,Zn和Cu高度相关(相关系数大约为018),并与历史上欧洲煤炭消耗有相同趋势的结论。BeckwithP1R1等完成了城市来源的沉积物重金属和磁性关系研究。F1Oldfield等对芬兰泥炭剖面的研究,指出磁性颗粒的大气污染降落物从1860年(大约工业革命开始的时候)加速增加,到第二次世界大战以后达到峰值。该项工作为颗粒物大气污染环境磁学研究提供了一个有用的途径。长江口潮滩沉积物的磁性研究指出,沉积物的磁参数值与重金属元素含量相关,并与粒度组成有关。磁性测量可为大城市及其临近的河口海岸环境监测提供有效手段和重要依据。