郭高山,李永濤(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢 430074)

武漢市道路塵埃污染中磁學(xué)指標(biāo)與重金屬含量對(duì)比

郭高山1,2,李永濤3*(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢 430074)

對(duì)武漢市不同功能區(qū)的道路塵埃進(jìn)行環(huán)境磁學(xué)和化學(xué)分析的綜合研究.結(jié)果顯示:塵埃中的磁性礦物含量在空間分布上具有較大的差異,平均磁化率為工業(yè)區(qū)(7.36×10-6m3/kg)＞交通沿線(xiàn)(5.38×10-6m3/kg)＞商業(yè)區(qū)(3.76×10-6m3/kg)＞開(kāi)發(fā)區(qū)(2.26×10-6m3/kg)和風(fēng)景區(qū)(2.48 ×10-6m3/kg).工業(yè)活動(dòng)和交通因素是造成區(qū)域塵埃中磁性礦物含量升高的主要原因,地理位置和人口密度對(duì)塵埃中磁性礦物的含量也有一定的影響.巖石磁學(xué)研究結(jié)果表明:塵埃中的磁性載體以亞鐵磁性礦物為主,部分樣品中含有不完整反鐵磁性礦物.掃描電鏡和能譜分析顯示:人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的磁性顆粒(鐵的氧化物和鐵的硅鋁酸鹽)一般呈球形,自然成土過(guò)程中形成的不規(guī)則狀磁性顆粒(磁赤鐵礦).污染負(fù)荷指數(shù)與磁化率(R2=0.870)、飽和等溫剩磁(R2=0.665)等表征磁性礦物含量的參數(shù)呈顯著正相關(guān).因此,塵埃的磁學(xué)參數(shù)可以作為重金屬含量的參考指標(biāo).

環(huán)境磁學(xué)；重金屬分析；環(huán)境污染；街道塵埃；武漢市

街道是居民日常生活的主要活動(dòng)區(qū)域,工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)動(dòng)車(chē)排放、化石能源燃燒產(chǎn)生大量重金屬污染物,經(jīng)過(guò)吸附和沉降作用積累在塵埃中,通過(guò)呼吸、皮膚接觸等方式危害人體健康[1].國(guó)內(nèi)外學(xué)者就街道塵埃中污染物化學(xué)元素濃度和來(lái)源解析等方面開(kāi)展了廣泛研究,取得了很多值得借鑒的成果[2-4].環(huán)境磁學(xué)方法以其快速、靈敏度高、不易損壞樣品等特點(diǎn),是化學(xué)方法之外極具潛力的污染研究方法[5-10].現(xiàn)有的成果側(cè)重于污染物空間分布及來(lái)源分析,磁學(xué)和化學(xué)分析的對(duì)比研究則相對(duì)薄弱.

目前我國(guó)對(duì)街道塵埃污染磁學(xué)性質(zhì)的研究集中在北京[11]、西安[12-13]、蘭州[14]等城市.武漢市是華中地區(qū)乃至全國(guó)大氣污染防治重點(diǎn)城市,根據(jù)《2015年武漢市環(huán)境狀況公報(bào)》全年空氣污染日為 173d,其中有 113d細(xì)顆粒物(PM2.5)為首要污染物.道路塵埃在自然和人類(lèi)活動(dòng)作用下,以懸浮顆粒物的形式進(jìn)入大氣,成為大氣顆粒物的重要來(lái)源[15].正確認(rèn)識(shí)塵埃污染中重金屬元素含量與磁學(xué)指標(biāo)的關(guān)系,是應(yīng)用磁學(xué)開(kāi)展污染研究的關(guān)鍵[16].本文以武漢市為研究區(qū)域,針對(duì)不同功能區(qū)的道路塵埃進(jìn)行磁學(xué)和化學(xué)性質(zhì)研究,同時(shí)借助多元統(tǒng)計(jì)方法,研究磁學(xué)參數(shù)和重金屬元素含量的關(guān)系及其環(huán)境意義,結(jié)合磁性礦物形貌特征和化學(xué)分析結(jié)果,區(qū)分土壤中磁性礦物來(lái)源,為物源分析和污染歷史研究提供科學(xué)的理論證據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 樣品采集

圖1 武漢市道路塵埃采樣點(diǎn)示意Fig.1 Map showing the sampling sites in Wuhan city

本次研究選取盤(pán)龍城開(kāi)發(fā)區(qū)(PL)、漢口火車(chē)站(HK)、江灘公園(JT)、四臺(tái)工業(yè)區(qū)(ST)、長(zhǎng)江大橋(CJ)、青山工業(yè)區(qū)(QS)、洪山商貿(mào)區(qū)(HS)、東湖風(fēng)景區(qū)(DF)和東湖開(kāi)發(fā)區(qū)(DK),共計(jì)9個(gè)采樣區(qū)域(圖1).采樣區(qū)覆蓋交通密集區(qū)、人口密集區(qū)、工業(yè)區(qū)、風(fēng)景區(qū)和開(kāi)發(fā)區(qū)等不同環(huán)境,反映了武漢市的整體情況,具有良好的對(duì)比性和代表性.樣品采集在2015年7月天氣連續(xù)良好的情況下完成.期間保證每個(gè)樣品盡可能的分布于各個(gè)功能區(qū)的主要路段,采集點(diǎn)距約 200m,每個(gè)采樣點(diǎn)的采集面積覆蓋周?chē)?1～2m2,共采集街道塵埃樣品211個(gè).采樣的過(guò)程中使用塑料刷和畚箕收集非機(jī)動(dòng)車(chē)道的道路塵埃,隨后密封裝入聚乙烯塑料袋,并編號(hào)和記錄采樣點(diǎn)周?chē)煌顩r和建筑布局等環(huán)境特征.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

所有樣品自然風(fēng)干,用1mm尼龍篩剔除雜物,裝入底面直徑2.5cm、高2.2cm的圓柱體無(wú)磁樣品盒并壓實(shí)密封.樣品質(zhì)量磁化和熱磁曲線(xiàn)測(cè)量使用AGICO公司生產(chǎn)的KLY-3S型卡帕橋和1‰電子天平;低頻(0.47kHz)和高頻磁化率(4.7kHz)測(cè)量使用Bartington公司生產(chǎn)的MS2B頻率磁化率儀.以上工作在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)巖石磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成.磁滯回線(xiàn)在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁與年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成.重金屬含量分析在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)完成. SEM/EDX分析在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成,采用荷蘭FEI公司生產(chǎn)的Quanta200環(huán)境掃描電子顯微鏡.

2 結(jié)果與討論

2.1 道路塵埃磁學(xué)性質(zhì)

2.1.1 磁性礦物含量與類(lèi)型 質(zhì)量磁化率(χ)和飽和等溫剩磁(SIRM)指示了磁性礦物粗略濃度

[17].由表 1可見(jiàn),各功能區(qū) χ均值位于(2.26～7.36)×10-6m3/kg,總體樣品均值4.10×10-6m3/kg,圖2(a)表明,χ在長(zhǎng)江大橋、青山工業(yè)區(qū)偏大,盤(pán)龍城開(kāi)發(fā)區(qū)和江灘公園偏低,漢口火車(chē)站和四臺(tái)工業(yè)區(qū)出現(xiàn)較大波動(dòng).SIRM變化規(guī)律與χ基本相同,變化范圍(1474～4661)×10-5A·m2/kg,平均值2502×10-5A·m2/kg.綜合來(lái)看,塵埃中磁性礦物含量在空間分布上具有較大差異,呈現(xiàn)出工業(yè)區(qū)＞交通沿線(xiàn)＞商業(yè)區(qū)＞開(kāi)發(fā)區(qū)和風(fēng)景區(qū)的分布特征,這與盧升高[18]在地表土壤磁性的研究結(jié)果基本一致,說(shuō)明了塵埃和地表土壤之間存在轉(zhuǎn)換作用.

硬剩磁(HIRM)能夠指示高矯頑力的不完整反鐵磁性礦物含量[17].表1可見(jiàn),各功能區(qū)HIRM均值位于(141～481)×10-5A·m2/kg,總體樣品均值為304.8×10-5A·m2/kg.圖2(d)可見(jiàn),青山工業(yè)區(qū)、長(zhǎng)江大橋和東湖風(fēng)景區(qū)HIRM偏高,說(shuō)明在該部分地區(qū)不完整反鐵磁性礦物含量偏高.軟剩磁(SOFT)指示了低矯頑力的亞鐵磁性礦物含量,能夠靈敏反映假單疇(PSD)和多疇顆粒(MD)[19].各功能區(qū)樣品 SOFT 均值位于(612～1775)× 10-5A·m2/kg,總體樣品均值為968.2×10-5A·m2/kg. SOFT總體變化趨勢(shì)與χ、SIRM變化趨勢(shì)相同,在江灘、東湖風(fēng)景區(qū)和盤(pán)龍城開(kāi)發(fā)區(qū)出現(xiàn)低值(圖 2(e)),指示了該地區(qū)塵埃中亞鐵磁性礦物尤其是MD和PSD含量較少.塵埃樣品的SIRM和χ相關(guān)系數(shù)為0.5095(圖3) ,說(shuō)明剩磁載體并非主導(dǎo) χ的唯一因素,存在多相磁性礦物影響;SIRM與SOFT顯著相關(guān)(R2=0.9214)(圖4),線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)通過(guò)原點(diǎn),說(shuō)明亞鐵磁性礦物含量較高,χ受亞鐵磁性物質(zhì)含量影響較大[20].

2.1.2 磁性礦物粒度 頻率磁化率(χfd)與樣品中磁性礦物粒度大小有關(guān),主要反映超順磁(SP)與單疇(SD)過(guò)渡態(tài)磁性顆粒含量[12].由表1可見(jiàn),總體樣品χfd變幅在0.21%～4.11%,平均值1.26%,各功能區(qū) χfd均值位于 1.00%～1.87%.根據(jù)Dearing提出的模型[18]可知,樣品中磁性礦物以粗顆粒為主,四臺(tái)工業(yè)區(qū)、盤(pán)龍城和江灘公園存在極少量SP顆粒. 此外,根據(jù)SIRM/χ可以粗略估計(jì)大于幾十納米的磁性顆粒的粒度,當(dāng)磁性顆粒大于SP/SD邊界值時(shí),SIRM/χ隨著顆粒度的增大而減小[21].圖 2(f)中數(shù)值波動(dòng)幅度較大,反映了道路塵埃中磁性礦物粗細(xì)不均,大小不一.

表1 武漢市道路塵埃環(huán)境磁學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Environment magnetism parameters of street dust in Wuhan city

圖2 武漢市道路塵埃樣品磁性參數(shù)分布Fig.2 Distribution of magnetic properties of street dust in Wuhan city

圖3 塵埃樣品的SIRM與χ關(guān)系Fig.3 Correlation between SIRM and χ in street dust samples

圖4 塵埃樣品的SOFT與SIRM關(guān)系Fig.4 Correlation between SOFT and SIRM in street dust samples

2.2 道路塵埃熱磁和磁滯特征

2.2.1 熱磁曲線(xiàn) 圖5為典型樣品熱磁曲線(xiàn),不同樣品表現(xiàn)出相似特征.從室溫開(kāi)始磁化率緩慢上升, 280℃處出現(xiàn)微弱、寬緩的峰值,在500～520℃時(shí)達(dá)到急劇、陡峭的峰值,600℃附近大幅度降低,達(dá)到磁鐵礦的居里溫度[22],超過(guò)600℃時(shí)仍有少許降低,推測(cè)樣品中含有少量的赤鐵礦[23].加熱曲線(xiàn)與冷卻曲線(xiàn)不具有可逆性且加熱曲線(xiàn)位于冷卻曲線(xiàn)之下,說(shuō)明加熱過(guò)程中生成新的磁性礦物[22].

此外,不同樣品中磁鐵礦含量有較大差異, CJ-9、QS-9中外源磁性顆粒輸入極大增強(qiáng)了磁信號(hào).JT-9熱磁曲線(xiàn)(圖5(c))在室溫到550℃無(wú)顯著變化,表明沒(méi)有磁性礦物形成,550℃左右出現(xiàn)最大值,但峰值較小,可能是樣品中不同磁疇狀態(tài)磁性礦物產(chǎn)生的Hopkinson效應(yīng)[24],同時(shí)也表明了江灘公園塵埃中亞鐵磁性礦物含量較少.其他樣品加熱曲線(xiàn)在 280℃出現(xiàn)較小峰值,其中PL-5、QS-9、DF-17較為明顯,可能是由于加熱過(guò)程中鐵的氫氧化物向磁赤鐵礦轉(zhuǎn)變[25],隨后的加熱過(guò)程中,磁化率出現(xiàn)暫時(shí)性降低,可能是磁赤鐵礦受熱轉(zhuǎn)化成赤鐵礦,導(dǎo)致穩(wěn)定性增強(qiáng)和磁性減弱[26].PL-5、HK-6、CJ-9、QS-9、DF-17在550℃左右出現(xiàn)比較明顯尖峰,可能是 Hopkinson效應(yīng)以及新生成的大量磁鐵礦造成的[26-27].

圖5 典型塵埃樣品的κ-T曲線(xiàn)Fig.5 κ-T curve of typical street dust samples

圖6 典型塵埃樣品的磁滯回線(xiàn)Fig.6 Magnetic hysteresis loops of typical street dust samples

圖7 典型塵埃樣品的Day氏圖Fig.7 Hysteresis ratio plotter on a Day diagram of typical street dust samples

2.2.2 磁滯特征 從圖6可以看到,不同樣品在外磁場(chǎng)強(qiáng)度250mT左右時(shí)形成閉合磁滯回線(xiàn),剩磁矯頑力(Bcr)在15～30mT之間,表明低矯頑力的亞鐵磁性礦物主導(dǎo)磁滯行為.磁場(chǎng)強(qiáng)度大于300mT時(shí),曲線(xiàn)閉合且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加磁化強(qiáng)度仍有所增加,表明樣品中含有少量高矯頑力磁性礦物.磁化強(qiáng)度(Mrs/Ms)比和矯頑力比(Bcr/Bc)可以用來(lái)指示磁性礦物顆粒的大小[28].圖7可以看出塵埃樣品中磁性顆粒落在PSD范圍內(nèi),與西安[13]、北京[11]、蘭州[14]等北方城市相比,武漢市塵埃中磁性顆粒偏細(xì).

2.3 道路塵?；瘜W(xué)性質(zhì)分析

2.3.1 塵埃重金屬含量及其污染指數(shù) 為了合理評(píng)價(jià)塵埃中重金屬污染水平,計(jì)算了樣品的 Tomlinson污染指數(shù)(PLI)[29].該指數(shù)能夠反映盡可能多的重金屬成分對(duì)整體評(píng)價(jià)結(jié)果的影響.表2為12個(gè)代表性道路塵埃樣品中共9種重金屬元素含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果.不同采樣區(qū)道路塵埃重金屬含量存在較大差異,說(shuō)明利用 PLI指數(shù)對(duì)樣品污染水平進(jìn)行評(píng)價(jià)相對(duì)于單個(gè)元素含量作為指標(biāo)更為合理.從污染程度來(lái)看,長(zhǎng)江大橋和青山工業(yè)區(qū)污染最為嚴(yán)重,漢口火車(chē)站污染指數(shù)也偏高,盤(pán)龍城開(kāi)發(fā)區(qū)、東湖風(fēng)景區(qū)和江灘公園污染系數(shù)較低,這與磁性分析結(jié)果也較為吻合.

2.3.2 塵埃磁性礦物掃描電鏡和能譜分析 選取典型樣品進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析.如圖 8(a)和(b)所示,工業(yè)區(qū)樣品中出現(xiàn)較多具有金屬光澤的顆粒,除了普通的不規(guī)則形狀外,還出現(xiàn)了許多球狀顆粒,表面爆裂,直徑40～50μm,這是典型的化石燃料高溫煅燒過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)[18],總體上該樣品中含鐵顆粒以鐵的簡(jiǎn)單氧化物為主要形態(tài)[30],并有少量Fe2O3(表 3).長(zhǎng)江大橋樣品中磁性顆粒也較多,同樣存在著不規(guī)則形狀和球狀顆粒(圖 8(c)和(d)),數(shù)量比工業(yè)區(qū)樣品中少,并且交通因素產(chǎn)生的磁性顆粒中含有少量Si、Al、Ca元素,推測(cè)其為含鋁硅的鐵氧化物,鐵的含量相對(duì)較低(表 3).江灘公園塵埃樣品中磁性顆粒較少,外形上表現(xiàn)為不規(guī)則(圖 8(e)和(f)),成分上仍以Fe和 O為主,且與磁赤鐵礦(Fe2O3)成分(Fe-69.94wt %和 O-30.06wt %)相當(dāng)[31],含有少量的SiO2(表3),推測(cè)是由長(zhǎng)江沉積物在水流的沖擊下殘留在岸邊的碎屑磁性礦物.

表2 塵埃樣品中重金屬含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(mg/kg)Table 2 Summary of heavy metals in street dust samples (mg/kg)

圖8 典型樣品中磁性顆粒的掃描電鏡圖像Fig.8 Scanning electron microscopy (SEM) images of magnetic particles from typical street dust samples

表3 典型樣品磁性顆粒能譜分析結(jié)果(wt%)Table 3 Energy-dispersive X-ray (EDX) spectra of magnetic particles from typical street dust samples

3 道路塵埃的磁學(xué)特征和重金屬含量特征的響應(yīng)及環(huán)境意義

3.1 道路塵埃磁學(xué)特征和重金屬含量環(huán)境污染響應(yīng)

如表4所示,PLI指數(shù)與χ、SIRM、SOFT和HIRM都具有顯著正相關(guān),而與SIRM/χ、χfd的相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)未達(dá)到顯著水平,這表明了塵埃中重金屬含量與磁性礦物含量存在很強(qiáng)的正相關(guān)而與磁性礦物粒度無(wú)明顯關(guān)系.不同的金屬元素與磁性參數(shù)相關(guān)性表現(xiàn)為:Fe、Mn、Ni含量與χ顯著正相關(guān);Cr、Pb含量與χ、SIRM、SOFT顯著正相關(guān);Zn含量與SIRM、SOFT顯著正相關(guān).不同的是Ni、Ti與χfd顯著正相關(guān),且在江灘公園樣品中含量較高(表 2),推測(cè)其來(lái)源于河流沉積物中的細(xì)磁性顆粒. Fe來(lái)源較多,自然土壤,化石燃料燃燒,汽車(chē)機(jī)體腐蝕等.Zn元素主要來(lái)自于汽車(chē)零件和輪胎磨損、汽車(chē)潤(rùn)滑油和工業(yè)排放[23],表2中漢口火車(chē)站、長(zhǎng)江大橋樣品中Zn含量是其他采樣區(qū)2～3倍,這與其擁擠的交通相關(guān),青山工業(yè)區(qū) Zn含量偏高則由于工業(yè)排放;Cr主要來(lái)自于金屬腐蝕和機(jī)動(dòng)車(chē)排放[23],同樣在交通區(qū)和工業(yè)區(qū)含量較高.對(duì)比不同的磁學(xué)參數(shù), χ與重金屬含量相關(guān)性高于其他參數(shù)(表4),同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)PLI指數(shù)與表征磁性礦物含量參數(shù)的相關(guān)性普遍大于單個(gè)元素,這表明了利用磁參數(shù)對(duì)重金屬整體含量進(jìn)行評(píng)價(jià)更加可信.

表4 塵埃磁性參數(shù)與重金屬含量的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 4 Pearson’s correlation matrix for the heavy metals concentration and magnetic parameters

3.2 道路塵埃磁學(xué)參數(shù)、重金屬含量和微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征的環(huán)境意義

武漢市不同功能區(qū)道路塵埃樣品在磁性參數(shù)、重金屬含量和微觀(guān)結(jié)構(gòu)上顯示出較大的差異,表明城市不同功能區(qū)域受工業(yè)和人類(lèi)活動(dòng)影響程度不同.江灘公園生態(tài)環(huán)境良好,遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)且車(chē)輛禁止通行,樣品中磁性礦物含量最低,粒徑也較細(xì),其重金屬含量和微觀(guān)結(jié)構(gòu)都顯示其受污染可能性較小.同樣作為風(fēng)景區(qū)的東湖,塵埃的磁性礦物含量偏高,主要因?yàn)槲挥谇嗌焦I(yè)區(qū)下風(fēng)向,重工業(yè)排放的燃煤飛灰和工業(yè)粉塵造成了磁性增強(qiáng),李海俠[32]在東湖不同方位的塵埃磁性研究中也證明了風(fēng)向等氣候因素的影響,此外,車(chē)輛行駛也是東湖風(fēng)景區(qū)塵埃磁性礦物增多的原因之一.青山熱電廠(chǎng)和武漢鋼鐵廠(chǎng)等重工業(yè)坐落于青山區(qū),因此該地區(qū)樣品中攜帶了更多粗粒磁性礦物且具有典型燃煤飛灰的特征.四臺(tái)作為新興工業(yè)區(qū),重、輕工業(yè)都有涉及,相對(duì)于重工業(yè)為主的青山工業(yè)區(qū),其磁性參數(shù)顯示出較大的波動(dòng)性,磁性礦物分布的含量也較低.長(zhǎng)江大橋塵埃由于交通污染導(dǎo)致了樣品中磁參數(shù)異常和重金屬含量增加,并且產(chǎn)生了含鋁硅的鐵氧化物相球狀顆粒.長(zhǎng)江大橋和青山工業(yè)區(qū)分別作為典型工業(yè)污染和交通污染區(qū)域,長(zhǎng)江大橋和青山工業(yè)區(qū)的塵埃在磁性特征上亦有不同,長(zhǎng)江大橋樣品SIRM/χ(8864A/m)和χfd(1.16%)高于青山工業(yè)區(qū)(6110A/m和1.09%),說(shuō)明交通污染產(chǎn)生的磁性顆粒粒徑略小于工業(yè)污染,這與楊濤在磨山、龜山道路塵埃研究中得到的結(jié)果較為一致[19].漢口火車(chē)站和洪山商貿(mào)區(qū)作為典型人流密集區(qū),樣品的磁性都略高于江灘公園,但洪山商貿(mào)區(qū)毗鄰武漢大學(xué)等高校,區(qū)域內(nèi)以服裝、服務(wù)業(yè)為主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè),因此磁性礦物的含量低于漢口火車(chē)站.漢口火車(chē)站塵埃樣品的 SIRM/χ(7292A/m)和χfd(1.22%)與長(zhǎng)江大橋相似,這與漢口火車(chē)站交通繁忙,大量公共和私人交通工具?？繜o(wú)不相關(guān),有研究認(rèn)為,在一些紅燈區(qū)和停車(chē)場(chǎng),車(chē)輛反復(fù)啟動(dòng)和關(guān)閉,加劇了車(chē)輛輪胎磨損和尾氣排放,導(dǎo)致塵埃中某些重金屬元素富集[33],重金屬分析結(jié)果也佐證了該觀(guān)點(diǎn)(表2).盤(pán)龍城開(kāi)發(fā)區(qū)和東湖開(kāi)發(fā)區(qū)為武漢市近年來(lái)大力發(fā)展的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū),總體上兩處采樣區(qū)塵埃磁性參數(shù)都較小,盤(pán)龍城開(kāi)發(fā)區(qū)磁性礦物含量則與江灘公園接近,重金屬分析結(jié)果(表2)顯示二者的PLI指數(shù)差異也較小,東湖開(kāi)發(fā)區(qū)磁性礦物含量則略高,有關(guān)研究顯示道路塵埃的磁性強(qiáng)度與城市人口呈正相關(guān),城市人口增加會(huì)加劇環(huán)境污染程度從而造成塵埃磁性增強(qiáng)[34].盤(pán)龍城開(kāi)發(fā)區(qū)遠(yuǎn)離中心城市, 2013年常住人口30萬(wàn).東湖開(kāi)發(fā)區(qū)2012年常住人口190.6萬(wàn),人口規(guī)模遠(yuǎn)大于盤(pán)龍城開(kāi)發(fā)區(qū),并且東湖開(kāi)發(fā)區(qū)位于光谷商業(yè)圈附近,交通條件殊為便利,塵埃樣品顯示出的HIRM高值則可能與交通因素有關(guān)[11].

不同城市間的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),武漢市城區(qū)道路塵埃磁化率變化范圍(0.86～19.32)×10-6m3/kg,平均值 4.22×10-6m3/kg,總體上低于工業(yè)同樣發(fā)達(dá)的西部城市西安[13]((2.35～10.26)×10-6m3/kg,平均值為 5.30×10-6m3/kg),主要由于武漢生態(tài)資源豐富,不受沙塵天氣影響,水域廣闊,能夠容納更多的塵埃.同處中部的城市婁底[23]道路塵埃磁化率((1.09～130.67)×10-6m3/kg,平均值 8.80× 10-6m3/kg)為武漢市的2倍之高,這與武漢市地處長(zhǎng)江兩岸,地勢(shì)平坦,雨量豐富,近年來(lái)大力發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),減少重工業(yè)有關(guān),另外婁底采樣區(qū)圍繞鋼鐵廠(chǎng)布設(shè),武漢采樣范圍兼顧各種功能區(qū).江灘公園塵埃磁化率(1.38～3.84×10-6m3/kg,平均值 2.48×10-6m3/kg)與福州公園灰塵[35](0.43～8.96×10-6m3/kg,平均值2.70×10-6m3/kg)總體相當(dāng),反映了公園生態(tài)環(huán)境中磁性礦物含量較為穩(wěn)定.

4 結(jié)論

4.1 武漢市道路塵埃的磁性特征存在顯著差異,不同功能區(qū)塵埃平均磁化率為工業(yè)區(qū)(7.36× 10-6m3/kg)＞交通沿線(xiàn)(5.38×10-6m3/kg)＞商業(yè)區(qū)(3.76×10-6m3/kg)＞開(kāi)發(fā)區(qū)(2.26×10-6m3/kg)和風(fēng)景區(qū)(2.48×10-6m3/kg).工業(yè)生產(chǎn)和交通因素是造成塵埃中磁性礦物含量升高的主要原因,人口密度和自然條件也有一定影響.

4.2 SEM/EDX分析直觀(guān)的揭示了塵埃中磁性顆粒粒度和化學(xué)成分的信息.人為因素產(chǎn)生的磁性顆粒(鐵的氧化物和鐵的硅鋁酸鹽)一般呈球形且粒徑較大,不同于自然成土過(guò)程中形成的不規(guī)則狀磁性顆粒(磁赤鐵礦).

4.3 磁性參數(shù)χ與污染指數(shù)PLI的相關(guān)性最高(R2=0.870),表明了應(yīng)用磁學(xué)檢測(cè)塵埃污染的科學(xué)性.武漢市塵埃污染的主要來(lái)源是工業(yè)和交通因素.工業(yè)污染對(duì)周?chē)h(huán)境的影響與地理?xiàng)l件有關(guān),交通污染呈點(diǎn)源分布于不同的路段,因此局部污染問(wèn)題較為突出,科學(xué)合理規(guī)劃工業(yè)布局和優(yōu)化道路交通結(jié)構(gòu)應(yīng)該是今后工作過(guò)程中的發(fā)力點(diǎn).

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致謝：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院劉雙副教授提供了掃描電鏡測(cè)試的部分經(jīng)費(fèi);中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所強(qiáng)小科研究員,中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所劉青松研究員為樣品的測(cè)試提供了極大的方便;中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院夏彬博士在掃描電鏡結(jié)果的分析上提供了專(zhuān)業(yè)的幫助,作者在此對(duì)以上人士深表謝意.同時(shí)感謝兩位匿名專(zhuān)家的為本文提出的建設(shè)性的意見(jiàn).

Comparative of magnetism parameters and heavy metals content of street dust pollution- in Wuhan.

GUO Gao-shan1,2, LI Yong-tao3*(1.Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 10029, China；2.University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；3.Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China). China Environmental Science, 2017,37(3)：868～877

A systematic study of street dust in Wuhan city, china, was carried out using combined environmental magnetism and geochemistry techniques. Magnetic measurement showed that magnetic minerals of street dust have distinct differences in spatial distribution pattern and overall values of magnetic susceptibility in the following sequence: industrial area (χ=7.36×10-6m3/kg)＞ traffic route(χ=5.38×10-6m3/kg)＞ business district(χ=3.76×10-6m3/kg)＞development(χ=2.26×10-6m3/kg) and scenic areas(χ=2.48×10-6m3/kg). The results indicated that the content of magnetic minerals in the street dust mainly attributed to the industrial production and transportation factors, while the distribution of population density also had definite influence on the content of magnetic minerals. Rock magnetic measurements demonstrated that dominant magnetic components were ferrimagnetic minerals, as well as antiferromagnetic minerals. SEM/EDX analysis revealed that there were some spherical Fe-containing particles from anthropogenic activity, which was different from pedogenic ferromagnetic minerals in nature soil. The PLI showed significant correlation with the mean value of χ (R2=0.870) and SIRM (R2=0.665), which meant magnetism parameters of street dust could be seen as an indicator of heavy metals pollution.

environmental magnetism；heavy metal analysis；environmental pollution；street dust；Wuhan

X51

A

1000-6923(2017)03-0868-10

郭高山(1993-),男,山西臨汾人,中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所碩士研究生,研究方向?yàn)楣腆w地球物理學(xué).

2016-08-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41572153);湖北省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BCE077)

* 責(zé)任作者, 教授, ytli@cug.edu.cn