环境磁学

· 20 · 现代物理知识 环境磁学 张卫国 当我们去旅游时，江西是红色之旅的重要省份。 江西被称为红土地，一方面它是我国著名的革命老 区，另外一方面该省地表大面积分布着外观为红色 的土壤（称为红壤），红色的由来与红壤中含有的赤 铁矿有关。近几年媒体报道的有人在黄河郑州段泥 沙中非法淘铁，利用磁铁吸取的黑砂，则含有大量 的磁铁矿。在我们的周围，上述与铁有关的物质不 胜枚举，之所以如此，是因为铁是地壳中丰度第四 的元素，它在环境中广泛存在。以磁铁矿、磁赤铁 矿、赤铁矿、磁黄铁矿、胶黄铁矿等为代表的含铁 的氧化物、硫化物，从磁学的观点，属于磁性较强 的亚铁磁性物质以及具有高矫顽力的反铁磁性物 质，可以较为容易地被磁学方法加以检测，因此地 球科学工作者就把采集到的湖泊、海洋、河流沉积 物以及土壤、岩石、大气悬浮颗粒物等物质，在野 外或实验室内人为施加以磁场，观察这些物质表现 出的宏观磁学性质，获得这些物质中所含的磁性矿 物的类型、含量和颗粒大小等信息。样品的磁学特 征一定程度上反映了物质来源、搬运过程、岩石风 化成土过程、成岩作用、人类活动等综合信息，因 而具有环境指示意义。环境磁学即是一门以磁性测 量为核心手段、磁性矿物为载体，通过分析物质的 磁性矿物组合和特征，以揭示不同时空尺度的环境 作用、环境过程和环境问题的边缘学科。 早在 20 世纪 20 年代，瑞典科学家古斯塔 夫·伊辛（Gustav Ising）就将磁学方法运用到瑞典 冰川环境中湖泊纹层沉积物的表征。他发现春季堆 积的沉积物磁性要强于冬季的沉积物，他将其归因 于冰川河流水量的季节性差异，春季由于冰川融水， 河流水量大增，因而能够携带更多的磁铁矿进入湖 泊，以后的研究表明，磁性强弱的变化原因并非如 此简单。但环境磁学作为一门学科的形成，与英国 科学家的工作更为密切。20 世纪 60 年代，约翰·麦 克勒斯（John Mackereth）测量了英国温德米尔 （Windermere）湖沉积物磁性特征，他发现该湖沉 积物的天然剩磁能够记录地球磁场长期变化，因而 可用于沉积物的古地磁定年，对于全新世沉积物的 14C 测年方法是有益的补充。20 世纪 70 年代早期， 后来成为爱丁堡大学教授的地球物理学家罗伊·汤 普森（Roy Thompson）继续了这一湖泊沉积物的古 地磁定年工作。在这一时期，以孢粉和植被演化历 史为学术生涯开端，后来成为利物浦大学 John Rankin 地理学教授的弗兰克·奥德菲尔德（Frank Oldfield）教授正利用湖泊及其流域为单元开展生态 学研究，其中之一是探讨北爱尔兰内伊（Neagh） 湖泊富营养化成因的人类作用因素。为解决该湖沉 积物的年代，他与罗伊·汤普森开展了合作，这一 合作真正开启了环境磁学研究的大门。他们发现， 内伊湖泊中不同样芯磁化率的垂向变化具有相似 性，可用于样芯的层位对比。对于磁化率波动的原 因，通过与反映流域植被破坏和土壤侵蚀的指标对 比，他们认为来自流域侵蚀的钛磁铁矿是控制湖泊 沉积物磁化率高低变化的原因，当流域土壤侵蚀强 时，更多的陆源磁性矿物被带入湖泊中，导致磁化 率的升高。两位创始人在磁学方法及其地球科学应 用方面的相互补充和合作，有力地推动了该学科的 发展。1980 年罗伊·汤普森等发表于 Science 杂志 的《Environmental applications of magnetic measurements》一文，列举了磁性测量方法在湖沼 学、水文学、地貌学、地球物理学等领域有关环境 问题研究中的应用，可谓对环境磁学的一种注释。 1986 年第一本环境磁学专著 Environmental Mag- netism 出版，对环境磁学的仪器、原理和应用作了 较为系统的介绍。尽管其历史不长，它的发展却异 常迅速。迄今为止，环境磁学的研究对象涵盖了地 球岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈中的岩石、土壤、 沉积物、悬浮泥沙、飘尘、降尘等物质，在样芯对 比、物质来源鉴别、泥沙运移示踪、流域生态环境 演替、古气候和古环境研究、土壤发生学、环境污 染、油气勘探、考古等领域得到了广泛应用。某些 参数，如磁化率，已被视为全球变化研究的重要指 标。由于含铁物质是环境物质的常见组分，意味着 环境中几乎所有的物质都可以从磁性的角度加以研 究。磁性矿物虽然普遍存在，但通常含量极低 （ppm/ppb 级），用常规矿物分析手段（如 XRD） 难以鉴别，但一些先进的磁学仪器却能够较为容易 23 卷第 3 期 (总 135 期) · 21 · 地加以检测。 此外，磁性测量方法快速、简便、经 济，样品一般无须预处理，室温及低温磁性测量对 样品不具破坏性，不影响后继分析，这一特点对快 速获取大范围、高分辨率的环境信息尤具吸引力。 环境磁学的发展，既是学科交叉的产物，也是 科学和技术有机结合、相互促进的范例。磁化率是 环境磁学的基础参数之一。随着环境磁学的发展， 为了满足野外和室内分析所需要的灵敏磁学仪器要 求，杰弗·巴廷顿（Geoff Bartington）于 1978 年开 始研制 MS2 磁化率仪。据弗兰克·奥德菲尔德教授 回忆，当时他和杰弗·巴廷顿讨论了新的磁化率仪 所要具备的功能，但困难是杰弗·巴廷顿的上司不 支持这一制造新仪器的想法，此外，杰弗·巴廷顿 也缺少资金去购买基本器件和材料。弗兰克·奥德 菲尔德教授把他一个不足 400 美金的项目经费的大 部分钱给了杰弗·巴廷顿，以支持他的仪器研制。 经过多次的试制，最终诞生了具有测量两个不同频 率磁化率的 MS2 磁化率仪（图 1），并于 1985 年成 立了巴廷顿仪器公司。这一仪器配备了不同的探头， 轻巧灵便，可在野外和室内进行测量，目前在世界 范围内得以广泛使用。其双频磁化率测量功能，可 以检测单畴和超顺磁界限附近的细粘滞性磁性颗 粒，这些磁性颗粒在土壤中一般是成土作用的产物， 这为利用中国黄土−古土壤系列的磁学研究进行古 气候、古环境重建发挥了重要作用。20 世纪 80 年 代，弗里德里希·黑勒（Friedrich Heller）和刘东生 院士发现我国黄土高原深厚的黄土−古土壤序列的 磁化率总体上表现为古土壤高，黄土低的特征，其 波动可与赤道太平洋深海沉积物氧同位素曲线进行 很好的对比，由此表明，黄土−古土壤磁化率与古气 候波动有着显著关联，可作为指示古气候变化的一 个指标。但是对于古土壤磁化率增强的机制，存在 不同的看法。弗里德里希·黑勒等提出了碳酸盐淋 失和压实作用的解释，乔治·库克拉（George Kukla） 等提出了稀释假说，认为黄土高原由大气沉降到黄 土中的磁性颗粒通量是恒定的，但冰期时由于黄土 粉尘堆积加快，稀释了冰期黄土沉积中磁性颗粒的 含量，从而导致黄土沉积物具有较低的磁化率。由 于双频磁化率仪的诞生，检测出黄土−古土壤中存在 着成土作用产生的超顺磁磁性颗粒（约 20 nm 左右 的磁铁矿/磁赤铁矿），因而认为我国黄土高原黄土 和古土壤磁化率的差异主要是冰期−间冰期成土作 用的差异所致，这一认识目前已被广泛接受。芭芭 拉·马埃尔（Barbara Maher）等进一步认为，古土 壤磁化率的增强主要是受降水影响，因而认为通过 黄土磁化率的测量，可以定量恢复地质历史时期的 降水情况。尽管黄土磁性特征与气候的关系远非简 单的线性现象，但我国黄土磁学的深入研究，对世 界其他地区的黄土研究起了积极推动作用。除了利 用黄土磁性特征进行古气候、古环境重建外，湖泊 和海洋沉积物也是重要古环境研究的良好载体。 图 1 巴廷顿公司生产的 MS2 磁化率仪，体积小巧，配以野外 探头，可在野外使用 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 · 22 · 现代物理知识 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。 图 2 赤道东太平洋表层沉积物中保留的细菌成因的、链状排列 的纳米粒级磁铁矿 （部分颗粒受次生作用影响破碎化，单个颗粒约 60 nm 长） 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。 图 3 上海街道灰尘中来自燃煤释放的磁性颗粒 图 4 环境磁学与相邻学科的关系 上述环境磁学的应用，都是基于样品中所含有 的磁性矿物，进而挖掘磁性矿物生成、转化背后所蕴 含的环境信息。本质上，环境磁学是从矿物磁性的角 度认识地表环境中铁的生物地球化学过程及其在地 球科学和环境科学中的应用（图 4），它的发展历程， 显示了学科交叉的生命力。人们注意到，磁学方法在 地球科学中的应用，早于环境磁学的是古地磁学和岩 石磁学，并对 20 世纪 60 年代的板块构（下转 19 页） 23 卷第 3 期 (总 135 期) · 19 · 的。这种裁决首先来自日本的超级神冈探测器。1998 年，超级神冈探测器通过检测宇宙线在地球大气层 中产生的μ子中微子与电子中微子的相对数目，首 次直接证实了中微子振荡的存在。在太阳中微子研 究中，神冈系列探测器可谓居功至伟，占据了不止 一项第一。除首次直接证实中微子振荡外，我们在 上节中提到的它能测定中微子入射方向这一特点 （它对中微子振荡的证实也有赖于这一特点），还使 它成为了第一个直接证实太阳中微子来自太阳方向 的探测器（此前的其他探测器都只能从数量上间接 推断中微子来自太阳，因为其他来源都不可能如此 巨大）。 不过超级神冈探测器在证实中微子振荡时所观 测的并不是太阳中微子，而是能量远高于太阳中微 子的由宇宙线产生的中微子。因此对于解决太阳中 微子问题来说还不够一锤定音。那么，对太阳中微 子问题最一锤定音的裁决来自哪里呢？来自加拿大 的萨德伯里中微子观测台。这座位于等效水深 6000 米处的观测台有一个与以往任何探测器都不相同的 特点，那就是可以探测所有类型的中微子，从而既 验证标准太阳模型的预言，又检验中微子振荡。 2001 年，萨德伯里中微子观测台发布了观测结 果，非常漂亮地显示出中微子的总流量在实验精度 范围内与标准太阳模型相符，而电子中微子所占的 比例，则与中微子振荡所预期的一致。 这样，太阳中微子之谜就被解开了，谜底就是 中微子振荡。在标准太阳模型与粒子物理标准模型 的对决中，居然是标准太阳模型取得了胜利，这让 很多人跌破了眼镜。此后，人们又通过大量其他实 验（包括使用来自加速器及核反应堆的中微子）进 一步证实了中微子振荡。经过如此曲折的努力，我 们终于完成了为恒星核聚变理论收集进一步证据的 工作，使这一理论得到了牢不可破的确立。 2002 年，那位半个世纪前被审稿人揶揄过的 “站在山顶上，用自己的手去碰月亮”的太阳中微 子探测先驱戴维斯以 88 岁的高龄，与超级神冈探测 器的“头领”，日本物理学家小柴昌俊一同荣获了诺 贝尔物理学奖。 2004 年，戴维斯当年的合作者、太阳模型专家 巴克尔撰写了一篇评述太阳中微子问题的文章。在 文章的末尾，他这样写道： 当我回顾过去 40 年在太阳中微子研究领域所 取得的成就时，我感到了惊讶。由数以千计的物理 学家、化学家、天文学家和工程师组成的国际团队 用他们的合作，展示了通过统计地下矿井里一个盛 满纯净液体的游泳池里的放射性原子的数目，就能 告诉我们有关太阳核心的重要事实，以及被称为中 微子的奇异基本粒子的性质。若非亲身经历了太阳 中微子的传奇，这对我来说将会是难以置信的。 一段传奇虽已落幕，但有关中微子还有许多值 得人们探索的地方，比如中微子的质量从何而来？ 中微子的质量与电子等粒子的质量是否是同一类 型？等等。一个小小粒子尚且有如此多的奥秘，更 何况太阳呢？因此大家不要离开，我们的太阳故事 还将继续。 作者简介 卢昌海，本科毕业于上海复旦大学物理系，后 赴纽约哥伦比亚大学从事理论物理学习及研究，并 获物理学博士学位。现旅居纽约。个人主页： http://www.changhai.org JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ （上接 22 页）造学说的提出作出了巨大贡献。 为何环境磁学的发展直至弗兰克·奥德菲尔德教 授的介入才得以诞生呢？也许是古地磁学在地 球科学中所取得的巨大成功，使人们专注于古 地磁学的研究，而忽略了磁性矿物作为地球磁 场载体之外的其他用途。弗兰克·奥德菲尔德教 授从自身的学科背景和研究兴趣出发，洞见了磁 性矿物的更为广泛的应用价值。可以预见，地球 化学、矿物学和磁学、微生物学的结合，以及我 们面临的地球科学和环境科学问题，将是未来环 境磁学不断向前发展的动力。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。 （上海华东师范大学河口海岸学国家重点实验 室 200062）