study of environmental magnetism
環境磁學的發展及作用
在環境磁學發展的早期, 湖泊沉積物中的磁性礦物被認為是來自流域的陸源碎屑礦物, 隨著研究的深入, 湖泊沉積物的早期成岩過程和自生作用, 會改造和破壞陸源碎屑磁性礦物, 並形成次生的磁性礦物, 說明磁性礦物的成因更為複雜。一方面它使得利用湖泊沉積物磁性特徵解釋流域土壤侵蝕變得複雜起來, 但另外一方面, 沉積物磁性礦物的變化還可以用來說明水體生產力以及水體溶解氧狀況的變化, 拓寬了環境磁學的環境指示意義。20世紀70年代初, 當時還是麻薩諸塞州立大學研究生的理察·布萊克莫爾 (Richard Blakemore) 在顯微鏡下觀察到了沉積物中能沿地球磁場方向遊動的趨磁細菌, 這一成果於1975年在Science雜誌報導後, 磁性礦物的生物礦化引起了極大的關注。趨磁細菌一般在水體或沉積物的氧化-還原界面附近分布, 體內合成的磁性顆粒 (包括磁鐵礦Fe3O4和膠黃鐵礦Fe3S4) 通常呈鏈狀排列 (圖2) , 相當於在細菌體內產生一個小磁針, 它能感應地球磁場, 使得細菌沿著地球磁場方向排列, 並向適合趨磁細菌生長的最佳的氧濃度區域移動, 目前趨磁細菌及其合成的磁性顆粒在海洋、河口、湖泊等不同環境中得到了廣泛證實。火星上有沒有生命?對采自南極洲的火星隕石ALH84001礦物學研究, 有人認為其中的磁鐵礦類似於地球上細菌合成的磁鐵礦, 並將之視為火星上存在生命的重要證據。儘管這一論點引起了激烈的爭議, 但有關磁性礦物的生物礦化研究正愈益深入。
磁性顆粒除了自然界的有機或無機合成外, 人類活動釋放出的污染物質也是其重要來源之一。在環境磁學發展的早期階段, 環境污染監測就是其套用的重點領域之一。如化石燃料高溫燃燒過程中可以生成球形的磁性顆粒 (圖3) , 一旦釋放到環境中, 會造成大氣飄塵、降塵和土壤中磁性明顯增強。弗蘭克·奧德菲爾德等首先利用高位泥炭沼澤的磁性特徵, 來揭示排放到大氣中的工業活動釋放磁性顆粒的變化, 並進而反映工業化進程對大氣環境影響。不少研究揭示出發電廠附近土壤、鋼鐵廠污水排放口附近的沉積物中磁性礦物含量明顯升高。在城市地區, 受燃煤、汽車尾氣、輪軌摩擦等影響, 街道降塵、大氣懸浮顆粒物等往往含有人類活動的磁性顆粒, 因而顯示出較強的磁性特徵來。由於行道樹的廣泛分布, 樹葉就成為天然的灰塵收集器, 因而通過採集樹葉, 進行磁性測量, 就可以獲得一個城市大氣顆粒物污染的空間分布特徵。不少研究注意到, 磁性參數與重金屬、有機污染物等往往存在密切的相關性, 顯示了磁性參數作為污染物替代指標的潛在價值, 並成為當前環境磁學發展的重要方向之一。
此外, 對河流、海洋和湖泊懸浮泥沙和沉積物進行磁性測量, 可以進行泥沙來源判別。除了直接對樣品進行測量外, 通過人工灼傷泥沙進行磁性增強, 再施放到河流中以追蹤泥沙運動, 在小的河流系統中得到了套用。基於發育完整的土壤剖面的磁性特徵的認識, 一旦土壤侵蝕, 所殘留的土壤剖面的磁性特徵將發生變化, 因而可以用於土壤侵蝕研究。在油田區域, 烴類物質通過裂隙向地表運移過程中產生的地球化學反應, 可使得受烴類滲漏影響顯著區域的磁性特徵不同於周邊區域, 因而可以用於油氣勘探。同樣道理, 考古遺址地區往往由於火燒等人類活動, 土壤磁性礦物會產生變化, 因而可以指示考古遺址的存在。類似的, 深海沉積物中的大陸冰筏碎屑以及火山灰信息提取, 大氣中的懸浮顆粒物來源判別等, 環境磁學也是有效手段之一。
隨著大家對古環境演變、物質來源追蹤、環境污染、生物礦化等問題的關注, 環境磁學在上述領域中將會發揮積極的作用。
