环境磁学

地球科学名词

环境磁学（study of environmental magnetism）是一门新兴的边缘学科，它利用古地磁学和岩石磁学的技术与方法，测定在不同环境条件下岩石磁性各种参数所发生的变化，去研究岩石磁性与环境变化的关系，进而研究环境演变的规律。

环境磁学的发展及作用

在环境磁学发展的早期, 湖泊沉积物中的磁性矿物被认为是来自流域的陆源碎屑矿物, 随着研究的深入, 湖泊沉积物的早期成岩过程和自生作用, 会改造和破坏陆源碎屑磁性矿物, 并形成次生的磁性矿物, 说明磁性矿物的成因更为复杂。一方面它使得利用湖泊沉积物磁性特征解释流域土壤侵蚀变得复杂起来, 但另外一方面, 沉积物磁性矿物的变化还可以用来说明水体生产力以及水体溶解氧状况的变化, 拓宽了环境磁学的环境指示意义。20世纪70年代初, 当时还是马萨诸塞州立大学研究生的理查德·布莱克莫尔 (Richard Blakemore) 在显微镜下观察到了沉积物中能沿地球磁场方向游动的趋磁细菌, 这一成果于1975年在Science杂志报道后, 磁性矿物的生物矿化引起了极大的关注。趋磁细菌一般在水体或沉积物的氧化-还原界面附近分布, 体内合成的磁性颗粒 (包括磁铁矿Fe3O4和胶黄铁矿Fe3S4) 通常呈链状排列 (图2) , 相当于在细菌体内产生一个小磁针, 它能感应地球磁场, 使得细菌沿着地球磁场方向排列, 并向适合趋磁细菌生长的最佳的氧浓度区域移动, 目前趋磁细菌及其合成的磁性颗粒在海洋、河口、湖泊等不同环境中得到了广泛证实。火星上有没有生命?对采自南极洲的火星陨石ALH84001矿物学研究, 有人认为其中的磁铁矿类似于地球上细菌合成的磁铁矿, 并将之视为火星上存在生命的重要证据。尽管这一论点引起了激烈的争议, 但有关磁性矿物的生物矿化研究正愈益深入。

磁性颗粒除了自然界的有机或无机合成外, 人类活动释放出的污染物质也是其重要来源之一。在环境磁学发展的早期阶段, 环境污染监测就是其应用的重点领域之一。如化石燃料高温燃烧过程中可以生成球形的磁性颗粒 (图3) , 一旦释放到环境中, 会造成大气飘尘、降尘和土壤中磁性明显增强。弗兰克·奥德菲尔德等首先利用高位泥炭沼泽的磁性特征, 来揭示排放到大气中的工业活动释放磁性颗粒的变化, 并进而反映工业化进程对大气环境影响。不少研究揭示出发电厂附近土壤、钢铁厂污水排放口附近的沉积物中磁性矿物含量明显升高。在城市地区, 受燃煤、汽车尾气、轮轨摩擦等影响, 街道降尘、大气悬浮颗粒物等往往含有人类活动的磁性颗粒, 因而显示出较强的磁性特征来。由于行道树的广泛分布, 树叶就成为天然的灰尘收集器, 因而通过采集树叶, 进行磁性测量, 就可以获得一个城市大气颗粒物污染的空间分布特征。不少研究注意到, 磁性参数与重金属、有机污染物等往往存在密切的相关性, 显示了磁性参数作为污染物替代指标的潜在价值, 并成为当前环境磁学发展的重要方向之一。

此外, 对河流、海洋和湖泊悬浮泥沙和沉积物进行磁性测量, 可以进行泥沙来源判别。除了直接对样品进行测量外, 通过人工灼伤泥沙进行磁性增强, 再施放到河流中以追踪泥沙运动, 在小的河流系统中得到了应用。基于发育完整的土壤剖面的磁性特征的认识, 一旦土壤侵蚀, 所残留的土壤剖面的磁性特征将发生变化, 因而可以用于土壤侵蚀研究。在油田区域, 烃类物质通过裂隙向地表运移过程中产生的地球化学反应, 可使得受烃类渗漏影响显著区域的磁性特征不同于周边区域, 因而可以用于油气勘探。同样道理, 考古遗址地区往往由于火烧等人类活动, 土壤磁性矿物会产生变化, 因而可以指示考古遗址的存在。类似的, 深海沉积物中的大陆冰筏碎屑以及火山灰信息提取, 大气中的悬浮颗粒物来源判别等, 环境磁学也是有效手段之一。

随着大家对古环境演变、物质来源追踪、环境污染、生物矿化等问题的关注, 环境磁学在上述领域中将会发挥积极的作用。

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