塔里木盆地风积物表土磁学特征及其与物源物质、气候条件的关系

黄土高原地区地表土壤磁化率与气候的温湿程度(温度和降水)呈明显的正相关关系, 目前成壤过程中形成的细颗粒软磁性矿物被认为是导致土壤磁化率增加的主要原因, 磁化率作为一个夏季风代用指标在该区得到广泛应用. 但相对于黄土高原地区比较成熟的岩石磁学研究来说, 目前对主要由西风带所控制的塔里木盆地及其周边地区的表土岩石磁学性质的研究还相对较少, 对控制该区表土岩石磁学性质的主要原因也还不是十分清楚. 为进一步理解不同气候、不同环境条件下土壤磁化率与气候的关系, 对塔里木盆地及其南缘49 个风尘堆积表土样品进行了详细的岩石磁学和粒度分析. 结果表明, 研究区表土样品的岩石磁学性质主要由来自源区的粗颗粒软磁性矿物所控制, 成壤作用形成的细颗粒磁性矿物对其影响非常有限. 其中, 沙漠样品的磁化率和饱和等温剩磁都表现为最低值, 主要由富含软磁性矿物的颗粒含量较少所造成. 亚砂土和黄土样品的磁化率和饱和等温剩磁均高于沙漠样品, 且随着海拔的升高有明显减小的趋势, 来自源区的粗颗粒软磁性矿物的含量是导致这种变化的主要原因.     

北京地区表土磁性特征及其环境意义

发展便捷快速的污染检测技术是当今环境研究的需要. 能够有效地区分环境背景值与人为造成的污染是新的检测技术所必需的. 近年来, 磁学技术因其测量快速、简便的特点, 正在逐步应用于城市环境污染监测中. 城市或郊区的表土中磁性矿物来源复杂, 能否通过磁学测量识别自然和人类活动的来源是土壤磁监测技术成为环境污染监测有效手段的关键所在. 通过对北京城郊各区县地表0~10 cm的表土层环境磁学性质的测量, 初步获得了北京地区大尺度的表土磁性分布特征, 对各区县表土的磁学性质与土壤母质、人类活动、地形地貌的相互关系进行了探讨. 实验结果表明, 在北京西北部和西南部的山地地区, 表土的磁学性质主要受自然环境(地形地貌和母岩)的控制, 磁性较强, 大部分表土的磁化率(χ_lf)大于4×10–6 m3/kg, 为较粗颗粒的单畴(SD)或多畴(MD)亚铁磁性矿物; 在北京中部和东部的山间谷地以及平原地区, 表土的磁性较弱; 而在一些工厂和交通要道附近, 受到人类活动的影响, χ_ARM/SIRM和χ_ARM/χ_lf值明显增高, 为较细颗粒的单畴-假单畴(SD-PSD)亚铁磁性矿物. 在应用环境磁学参数对表土污染进行检测时, 尤其是区分强磁性的土壤母质发育的表土和严重污染的表土时, χ_ARM/SIRM和χ_ARM/χ_lf比χ_lf, χ_ARM和SIRM更为敏感.     

北京市区尘土与表土的磁学性质及其环境意义

对北京市区主要交通干道收集的尘土和表土样品进行详细的环境磁学测量, 包括磁化率、非磁滞剩磁、等温剩磁以及典型样品的磁化率随温度变化特征和磁滞参数等. 结果表明, 尘土和表土样品颗粒磁学特征存在明显差异, 主要表现在: 尘土样品中磁性矿物的含量和高矫顽力组分均高于同一采点的表土样品; 磁性颗粒粒度较表土样的偏粗. 尘土和表土样品中剩磁载体均为亚铁磁性矿物, 部分尘土样品中含有少量单质铁. 尘土样品反映了城市工业和交通产生的磁颗粒特征, 表土样品反映了自然和人为两个来源的磁颗粒特征. 磁参数空间分布特征受采点周围工业区、车流量及道路状况等多种环境因素的影响, 其中HIRM的分布可能指示了道路交通来源的磁颗粒特征. 2006年4月采集的北京市区沙尘暴样品的磁性特征与自然来源的黄土、古土壤和尘土样品存在差异, 可能是运移过程中混入了途经地区和/或北京市区近地表人为来源的颗粒物.     

苯并苊类化合物在气溶胶中的检出及其环境地球化学意义

在燃煤源气溶胶中检测出2个相对分子质量为202的芳烃化合物, 通过加氢色谱-质谱分析, 结合文献数据确定为苯并苊类. 对不同来源气溶胶组成研究表明, 苯并苊广泛存在于城市大气气溶胶中, 在桔杆、木碳及煤的燃烧产物中浓度很高, 而在汽车排放气体颗粒物、降尘、环境污水、土壤及河道沉积物中含量较低或无法检出. 分析了苯并苊类的可能来源其环境意义, 认为苯并苊类的浓度有可能成为污染源识别及贡献率评价的重要指标.     

兰州市城市街道尘埃磁学特征时空变化规律

城市环境问题日益受到关注. 兰州市是中国西北典型工业城市之一, 对不同时空条件下兰州市街道尘埃样品的磁学特征进行了研究. 结果表明, 尘埃样品中磁性矿物以假单畴磁铁矿为主; 磁性矿物含量随季节变化显著, 冬春季高, 而秋季低; 磁性矿物含量在工业区、密集街区以及交通要道等区域高. 这些观测表明尘埃样品中的磁性颗粒物来源于自然源和人类活动两方面的贡献. 研究结果指示磁学参数χ_lf和SOFT%能够有效的指示污染物中磁性矿物的含量变化. 磁学方法能够有效、快速和经济的监测城市街道尘埃污染状况.     

冬季风输送大气颗粒物与东海赤潮的潜在关系

将大气科学的数值诊断与生物地球化学方法相结合, 在深入研究2005~2006年春夏季东海赤潮事件与气溶胶时空关系并对两个测点大气颗粒物(TSP)连续监测的基础上, 建立了季风与东海赤潮的潜在关系模型. 结果表明, 在研究年内东海的每一次赤潮均与随气流下沉的、来自西北(冬季风的方向)的气溶胶密切相关, 杭州和天台两地TSP中元素丰度与当地土壤背景有较大差异, 表明大气颗粒主要由冬季风带入, 大气颗粒物中铁和磷的含量呈显著相关性, 它们主要存在于颗粒间的胶结物中, 赤潮藻对铁和磷限制性吸收与光照强度有关. 这些研究结果为揭示东海赤潮频发机理提供了新的信息, 也为通过监测来自西北的气溶胶和垂直气流来预警预报东海赤潮提供了科学依据.     

湖泊沉积物磁学性质的环境意义

对湖泊沉积物磁性矿物的来源及其鉴别方法进行了较为深入系统的分析，发现不同湖泊沉积物的磁学参数具有不同的气候响应过程，提出为了恢复古气候和古环境的变化过程，详细的岩石磁学和土壤磁学研究是认识湖泊沉积物磁学性质及其环境意义的基础。     

城市大气可吸入颗粒物对质粒DNA的氧化性损伤

使用质粒DNA评价法(Plasmid DNA assay)研究了在北京市市区、郊区卫星城市南口镇和清洁对照点十三陵水库地区采集的PM₁₀和PM_2.5样品及部分源颗粒物的生物活性. 结果表明, 沙尘暴期间采集的颗粒物对DNA的生物活性小于非沙尘暴期间采集的样品. 不同时间和地点采集的大气颗粒物样品对质粒DNA 的损伤差别很大, 它们的TM50(造成50%的DNA损伤所需的剂量)相差可高达一个数量级, 其原因, 可能是北京市大气颗粒物中矿物质量百分比的变化引起了生物活性较强的细颗粒物相对含量的改变. 同PM₁₀ 相比, 大部分PM_2.5样品的生物活性相对较大. 最后, 对比水溶和总体颗粒物质粒DNA评价的结果得出, 大气颗粒物中的水溶组分是其生物活性的主要来源.     

火山灰地层磁学特征与地层对比探讨: 以冰岛为例

以冰岛东南地区两个土壤剖面为例, 利用环境磁学参数变化特征,研究了火山灰的磁学特征, 探讨了利用磁学方法进行火山灰地层对比的可能性. 研究结果发现, 冰岛火山灰的主要磁性矿物是以磁铁矿为主的亚铁磁性矿物和以赤铁矿为主的不完全反铁磁性矿物, 并含有大量顺磁性矿; 磁性矿物的颗粒大小为似单畴和多畴. 利用数学统计方法, 并根据火山灰地层的相对位置和火山灰的颜色等物理特征, 能够实现利用环境磁学手段进行不同剖面火山灰地层的对比.     

湖光岩玛珥湖表层沉积物磁性粒度特征及其来源

为了确定湖光岩玛珥湖沉积物中磁性矿物的来源, 对表层沉积物及火山壁上岩石进行了激光粒度分析和磁性粒度研究. 结果显示: 表层沉积物粒度为黏土质粉砂; 磁性矿物为磁铁矿, 粒径约为0.03 μm; 火山壁上岩石磁性矿物为磁铁矿, 粒径约为0.05 μm. 沉积物中的磁性矿物种类和粒径与黄土中明显不同, 而更倾向于湖泊周边火山岩的磁性特征. 湖光岩玛珥湖沉积物中的细粒组分(<8 μm)可能有一部分来自风尘, 另一部分为湖泊周边风化产物经波浪作用变为细粒; 粗粒组分为湖四周火山岩风化产物. 磁性矿物主要来自湖四周的火山岩, 虽然不排除少量的风尘沉积, 但沉积物的磁学参数作为亚洲冬季季风强弱变化的替代指标很可能存在问题, 冬季季风与磁学参数的具体关系还有待进一步研究.     

单个大气超细颗粒物源特征的同步辐射光源X射线探针初步研究

研究了单个大气超细颗粒分析靶样的制备方法, 在美国阿贡国家实验室APS同步光源的13-ID-C试验站, 用束斑为2 μm的X射线探针分析了不同污染源超细颗粒物, 得到了单个超细颗粒物的特征X射线谱. 实验结果表明, 来自不同污染源的超细单颗粒具有不同的特征X射线能谱. 这为单颗粒分析方法识别大气超细颗粒物来源提供了依据. 超细含铅颗粒物的分析暗示, 大气颗粒物中的铅污染是多源的, 除燃烧加铅汽油外, 燃煤和钢铁工业也是大气铅污染的排放源. 来自燃煤排放的超细颗粒分析提示, 燃煤超细颗粒物对人体健康具有更大的潜在危害.     

北京北安河地表沉积物的岩石磁学特征及环境意义

地表沉积物的磁性能够记录自然环境变化以及人类活动对环境的影响. 北京北安河地表沉积物的类型为全新世洪积、湖积粉砂和黏土. 岩石磁学研究表明这些沉积物中的磁性矿物以磁铁矿、赤铁矿和磁黄铁矿为主. 该剖面磁参数变化特征和已报道的北京其他区域的典型污染剖面显著不同, 例如, 磁化率和饱和等温剩磁随剖面深度增大而逐渐减小, 表明研究剖面的沉积物中磁性矿物的浓度从地表向深处逐渐降低. ARM/SIRM等指示磁性矿物粒度的磁参数的值从上往下逐渐增大, 表明磁颗粒粒度向下逐渐变细. 磁黄铁矿从22 cm深度处往下突然出现, 指示了沉积剖面中存在氧化-还原界面. 因此, 北安河地区地表沉积物的磁性变化受控于还原成岩作用和成壤作用两种地质过程. 这为在北京地区利用磁性来调查污染状况提供了一个可供参考的“基准点”.     

南海南部YSJD-86GC孔沉积物磁性特征及其环境意义

选取位于南海南部的YSJD-86GC(简称86GC)孔沉积物柱状样进行环境磁学研究,结合已发表的年代框架,揭示MIS3阶段以来沉积物的磁学变化特征.岩石磁学结果表明钻孔沉积物以低矫顽力的磁铁矿类矿物为主要携磁矿物,同时存在部分赤铁矿.反映磁性颗粒大小的King图和Day图表明沉积物中磁性矿物以细粒伪单畴为主.磁学参数与地球化学指标剖面变化的对比分析表明86GC孔沉积物磁性特征反映的是陆源物质的信息;研究钻孔沉积物的磁学性质同时受陆源物质输入量、物源区的氧化-还原条件及搬运环境和距离等多种因素共同影响.全球气候变化引起的海平面升降是导致研究钻孔沉积物中磁性矿物含量和磁性颗粒大小变化的主要原因,沉积物磁学性质的变化可间接指示本地区的海平面升降.     

颗粒物动态源解析方法综述与应用展望

颗粒物源解析技术是分析排放源与环境受体间关系的重要方法,也是颗粒物污染控制决策及控制措施评估的重要支撑工具.随着城市和区域空气质量长期持续改善和短期重污染过程应急双向需求的提出,颗粒物源解析技术也在经典方法的基础上逐渐改进,向在线高时间分辨率和复合源解析的方向发展.而颗粒物动态源解析是针对大气污染过程中颗粒物来源进行多时间分辨率动态解析的一种新方法.本文简要总结了实现颗粒物源解析动态化的主要技术途径;针对基于颗粒物化学成分在线观测、基于大气物理模型、空气质量模型等方法的颗粒物动态源解析技术路线进行了综述;总结了各种方法的优势和局限.根据目前的研究和管理需求,结合颗粒物动态源解析技术存在的问题,提出未来方法、模型研究和应用方向.     

玄武岩风化是重要的碳汇机制吗?

在全球碳循环的研究中,硅酸盐化学风化被认为是大气CO_2的一个重要汇.自1996年Gislason开展对冰岛玄武岩(硅酸盐岩的一种)风化碳汇的研究以来,玄武岩风化引起的"大气"CO_2高消耗更成为研究热点.在对相关文献进行全面系统梳理的基础上,发现玄武岩流域的所谓"大气"CO_2高消耗(碳汇)可能与下述原因有关:(1)碳通量较高的玄武岩研究区多位于热带或洋岛-岛弧地区,该区雨量充沛,河流径流量大,进而造成碳通量较大;(2)硅酸盐岩流域高的溶解无机碳(DIC)浓度并非来自硅酸盐矿物的风化,而是来自广泛分布在硅酸岩中的痕量碳酸盐矿物的快速风化,而这应该归为碳酸盐风化对岩石风化碳通量的贡献;(3)外源酸溶解痕量碳酸盐矿物,贡献HCO_3~-,但并未构成大气碳汇;(4)玄武岩流域中参与岩石风化的CO_2并非全部来自大气和土壤,其中一部分可能来自深源CO_2,而深源CO_2参与形成的DIC不仅不能归为大气碳汇,反而是碳源.由此可见玄武岩风化是否是一个重要的碳汇机制值得进一步研究厘定.     

大气硝酸盐中氧同位素异常研究进展

硝酸盐是大气中的主要污染物,其前体物NO_x(NO+NO_2)参与大气中多种光化学反应,可以改变大气氧化特性,有利于细颗粒物的形成,影响气候系统与人类健康.硝酸盐氧同位素异常(Δ~(17)NO_3~-)是解析大气硝酸盐生成途径的有力手段.本文对大气硝酸盐氧同位素异常的研究进展进行了综述.首先列举了测试大气硝酸盐三氧同位素(~(16)O, ~(17)O和~(18)O)的前处理方法(热解法、细菌法和化学法),并对比了全球范围内大气硝酸盐氧同位素异常的时空分布特征.其次总结了大气中硝酸盐生成的主要途径及其氧同位素质量守恒,讨论了大气硝酸盐中氧原子的可能来源及其氧同位素异常值,评估了全球及典型区域尺度上氧同位素异常的模型.最后对大气硝酸盐氧同位素异常的未来研究方向进行了展望.     

大气中细颗粒物表面多相化学反应的研究

细颗粒物在大气环境问题中起着重要的作用, 对于其表面上的多相复合反应的研究已成为当前大气环境科学研究最前沿的领域. 阐述了大气中细颗粒物的物理和化学特性, 及其与大气中痕量污染气体物质的相互作用, 探讨了细颗粒物表面多相化学反应的研究方法. 评述了大气中细颗粒物表面多相化学反应研究的若干进展, 提出了主要存在的问题及今后的研究前景.     

雾霾超细颗粒物的健康效应

大气细颗粒物暴露与肺癌和心血管疾病及其死亡率增加的因果关系,已经在过去几十年欧美国家所开展的长期研究中得到确认.但是,细颗粒物是空气动力学直径小于或等于2.5?m的所有颗粒的统称,包括对消光、致霾贡献很大的亚微米颗粒物和纳米级的小颗粒物(100 nm,超细颗粒物).以质量浓度(即颗粒物的重量)测量,细颗粒物中微米尺度颗粒物的浓度最大;但以颗粒物数浓度(即颗粒物的数目)测量,超细颗粒物的浓度最大.与大尺寸的颗粒物相比,超细颗粒物具有不同的吸附能力、表面化学反应能力、分散与团聚能力等.长期以来,由于缺乏有效的研究手段和方法,科学家们只能推测雾霾中的超细颗粒物有可能是雾霾健康损害的主要贡献者.近年来,伴随着纳米科技的迅速发展,纳米毒理学得以兴起并受到广泛关注.尽管大气超细颗粒物的成分、尺寸等远比人造纳米颗粒复杂,但是,纳米毒理学所建立的实验技术和方法学可以在二者的研究中共享.本文根据过去15年发展起来的纳米毒理学的研究方法和获得的知识,从毒理学研究角度针对雾霾超细(纳米级)颗粒物在肺部的沉积和吸收、呼吸系统急性毒性反应、清除、炎症反应等健康效应,以及心血管系统对超细颗粒物的急性毒性反应等进行了分析和讨论,并针对我国雾霾特征提出了开展雾霾超细颗粒物健康效应系统研究的优先方向.     

霾污染天气大气微生物气溶胶特性的研究进展

自从2013年以来,中国霾事件频发,霾污染已经成为全国人民广泛关注的环境问题之一.霾污染的本质是大气细颗粒物污染.大气颗粒物的生物成分(即生物气溶胶)与其化学成分一样,不仅对空气质量和人群健康具有潜在威胁,而且对全球气候变化以及大气物理化学过程也具有间接影响.然而,目前学术界对大气颗粒物的生物成分及其性质的研究相对滞后,尤其是对霾污染天气大气颗粒物中微生物的多样性、丰度及其时空变异特性等基本科学问题认识不足.因此,本文综述了目前霾污染天气大气微生物气溶胶的研究现状,结合我们的研究着重阐述了在不同霾污染程度下生物气溶胶的浓度、粒径分布与群落结构特性,以及空气污染和环境因子对生物气溶胶分布的影响机理等方面存在的问题.最后,给出了未来霾污染过程生物气溶胶研究应主要开展的5个方面的工作展望,以期为深入理解霾天生物气溶胶的来源、变化机理以及评估不同空气质量的健康影响提供参考.     

四川盆地西南缘PETM事件的环境磁学记录

四川盆地西南缘的前陆盆地中保存了巨厚的新生代沉积,是研究青藏高原东南缘地区气候和构造演化的重要地质记录.本文通过对四川盆地西南缘新生代沉积物进行年代学、环境磁学和碳同位素的综合研究,发现了在陆相沉积中报道甚少的古新世-始新世极热(Paleocene-Eocene Thermal Maximum,PETM)事件.多项高分辨率的环境磁学参数曲线可同已报道的海陆相碳同位素曲线进行良好对应,揭示了PETM事件详细的演化过程,表明环境磁学参数可以作为反映古近纪温暖气候事件的替代性指标.在机制上,PETM时期大气中CO_2含量剧增导致全球增温,局部中低纬度地区降水量增加.首先,降水量增加导致源区化学风化增强,加速了硅酸盐中Fe~(2+)的析出并转化成亚铁磁性矿物,使得PETM时期地层中亚铁磁性矿物富集.其次,降水量增加导致河流水动力增强,缩短了碎屑物质中亚铁磁性矿物的氧化时间,使其未完全风化至赤铁矿便被沉积,导致该时期地层中亚铁磁性矿物含量的增加以及多项环境磁学指标异常.通过环境磁学手段揭示的PETM事件,进一步丰富了该事件的全球陆相地质记录,为研究其演化过程和机制提供了新的视角.