土壤重金屬異常區(qū)“微球?！奔包S鐵礦、磁鐵礦來(lái)源追蹤

既然“微球?！?、黃鐵礦以及磁性礦物是重金屬異常組分疊加到土壤中的載體之一，追蹤這些物質(zhì)的來(lái)源對(duì)探討土壤重金屬元素異常的成因機(jī)理，包括異常組分來(lái)源、遷移轉(zhuǎn)化乃至疊加過(guò)程等，均具有直接指示意義。我們知道，黃鐵礦、磁鐵礦等礦物在自然界中普遍存在，而且來(lái)源廣泛，在沒(méi)有一定目標(biāo)的前提下，很難對(duì)其來(lái)源進(jìn)行追蹤和確認(rèn)?！拔⑶蛄！眳s不同，因?yàn)椤拔⑶蛄！钡男蚊蔡卣魈貏e，而且在以往的土壤重礦物研究中并不常見(jiàn)，其空間分布狀況與黃鐵礦、磁性礦物等又基本相同，除其本身的來(lái)源易于追蹤以外，對(duì)探討黃鐵礦、磁鐵礦等礦物的來(lái)源也有一定啟示作用。因此，“微球?！奔包S鐵礦等礦物來(lái)源追蹤就首先從探討“微球粒”的來(lái)源入手。(一)磁性“微球?！钡膩?lái)源土壤重金屬元素異常區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的“微球?！蔽镔|(zhì)多為鐵質(zhì)，具有強(qiáng)磁性，少數(shù)硅質(zhì)球粒，具有電磁性或無(wú)磁性。磁性“微球?！钡V物成分分析結(jié)果表明，此類物質(zhì)主要由磁鐵礦和赤鐵礦組成，并含有少量石英、長(zhǎng)石以及方解石等礦物(表5－14)。其形貌特征與常見(jiàn)的磁鐵礦、赤鐵礦等礦物差異很大(圖5－4)，即使不考慮其產(chǎn)狀特點(diǎn)，也很難將其與內(nèi)生地質(zhì)作用或河流搬運(yùn)作用聯(lián)系起來(lái)。表5－14 部分磁性“微球?！敝形镔|(zhì)組成表注:礦物成分分析方法為X－衍射法;—表示未進(jìn)行Org.C分析。結(jié)合產(chǎn)狀特征推測(cè)，“微球?！蔽镔|(zhì)不是同成壤母質(zhì)一同搬運(yùn)沉積的，最大的可能是在成壤母質(zhì)沉積之后通過(guò)某種后生作用疊加到土壤中的。由于“微球?！钡耐庑闻c鐵礦石冶煉或電焊過(guò)程中產(chǎn)生的微小“鐵珠”類似，據(jù)此判斷其形成過(guò)程同樣也可能經(jīng)歷過(guò)高溫熔融，是從高溫狀態(tài)下經(jīng)急劇冷凝形成的。從表5－14中可以發(fā)現(xiàn)，“微球?！钡V物組成中，除了磁鐵礦、赤鐵礦等礦物以外，最大的特點(diǎn)是含有有機(jī)碳(Org.C)。Org.C的出現(xiàn)給了我們直接啟示，由此認(rèn)為在“微球?！毙纬蛇^(guò)程中有有機(jī)物質(zhì)的參與，并在“微球?！眱?nèi)部殘留了一定數(shù)量的有機(jī)組分。綜合分析“微球粒”的產(chǎn)出狀態(tài)及其形貌、物質(zhì)組成等特性，尤其是含有Org.C這一事實(shí)，很容易使人聯(lián)想到煤的燃燒。在煤燃燒過(guò)程中，煙塵中顆粒物的產(chǎn)生既要經(jīng)歷高溫熔融和急劇冷凝作用，又有大量的有機(jī)質(zhì)參與，由此將“微球?！钡漠a(chǎn)生與煤燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵聯(lián)系起來(lái)是合乎情理的，以此為基礎(chǔ)可以解釋城鎮(zhèn)及其周邊土壤中重金屬異常組分的來(lái)源以及異常的成因機(jī)理。為了證實(shí)上述觀點(diǎn)，在本溪鋼廠、貴州青鎮(zhèn)火力發(fā)電廠、鎮(zhèn)江某火力發(fā)電廠等典型試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，分別采集了鍋爐除塵樣品和廠區(qū)外圍粉煤灰降塵樣品。為了用實(shí)際試驗(yàn)資料確認(rèn)廠區(qū)外圍降塵的成因，首先對(duì)降塵樣品進(jìn)行了礦物成分分析，結(jié)果見(jiàn)表5－15。從表中可見(jiàn)，降塵樣品中礦物種類比較復(fù)雜，除可定名的石英、長(zhǎng)石、磁鐵礦及某些黏土礦物以外，還出現(xiàn)了非晶質(zhì)物質(zhì)。在這些礦物組成中，特別值得一提的是BX05－23、QZ3樣品中出現(xiàn)的莫來(lái)石礦物，盡管數(shù)量不大，但是該礦物卻具有明確的成因指示意義。有研究結(jié)果指出，莫來(lái)石礦物是氧化硅及氧化鋁含量較高的物質(zhì)在高溫冷卻過(guò)程中析出的(韓懷強(qiáng)等，2001)，降塵樣品中出現(xiàn)的莫來(lái)石可以作為降塵源自粉煤灰的一個(gè)確鑿證據(jù)。表5－15 本溪青鎮(zhèn)試驗(yàn)區(qū)大氣降塵礦物成分注:礦物組成分析方法為X－衍射法。重礦物鑒定結(jié)果表明，在鍋爐除塵和粉煤灰降塵樣品中，都出現(xiàn)了“微球?！蔽镔|(zhì)(表5－16)。這些“微球?！迸c土壤中發(fā)現(xiàn)的“微球?！睙o(wú)論是形貌還是成分均相同。由此基本可以確認(rèn)，出現(xiàn)在土壤中的“微球?！蔽镔|(zhì)來(lái)自煤燃燒過(guò)程的釋放物。圖5－19展示的是降落在青鎮(zhèn)發(fā)電廠外圍農(nóng)田表層土壤中的粉煤灰降塵野外實(shí)地照片和部分降塵的顯微照片。在顯微照片上，可以發(fā)現(xiàn)球粒狀顆粒物的存在(顯微照片左上角和右下角)，直觀地證實(shí)了“微球?！钡膩?lái)源。在“微球?！眮?lái)源研究中同時(shí)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在鍋爐除塵樣品還是粉煤灰降塵樣品中，都出現(xiàn)了磁鐵礦、黃鐵礦等礦物。這一發(fā)現(xiàn)說(shuō)明，至少有一部分磁鐵礦、黃鐵礦礦物同樣來(lái)自煤的燃燒過(guò)程。表5－16 鍋爐除塵和粉煤灰降塵的礦物組成注:礦物組成分析方法為X－衍射法。圖5－19 青鎮(zhèn)發(fā)電廠外圍土壤中粉煤灰降塵及其顯微照片(二)黃鐵礦、磁鐵礦等礦物的來(lái)源在土壤重礦物研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在空間產(chǎn)出狀態(tài)上，“微球?！迸c黃鐵礦、磁鐵礦等礦物具有密切的相關(guān)性。一般情況下，“微球?！睌?shù)量多的土壤中黃鐵礦、磁鐵礦等礦物數(shù)量就多;相反，“微球?！睌?shù)量少的土壤中黃鐵礦、磁鐵礦等礦物數(shù)量就少。這種相關(guān)性在土壤垂直剖面上表現(xiàn)得尤為明顯。如此密切的相關(guān)性，似乎反映出“微球?！迸c黃鐵礦、磁鐵礦等礦物間存在著內(nèi)在的成因聯(lián)系。實(shí)際上，在“微球?！眮?lái)源研究中也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，黃鐵礦、磁鐵礦等礦物與“微球?！蓖瑫r(shí)出現(xiàn)在鍋爐除塵及粉煤灰降塵樣品中，由此基本可以確認(rèn)黃鐵礦、磁鐵礦等礦物同樣來(lái)源于煤的燃燒過(guò)程。現(xiàn)在需要解決的問(wèn)題只是確認(rèn)煤中是否存在這些礦物。實(shí)際上，煤中含有多種無(wú)機(jī)礦物質(zhì)，這也是煤與其他燃料(石油、天然氣等)的重要差別之一。有研究結(jié)果指出，煤中的礦物包括黏土礦物、碳酸鹽礦物、硫化物、氧化物和氫氧化物以及其他類型礦物(姚多喜等，2002)。具體礦物種類及其成因見(jiàn)表5－17。從表5－17中可以看到，煤中出現(xiàn)的礦物種類比較多，其中與本項(xiàng)研究有關(guān)的硫化物礦物種類最多。在這些硫化物礦物中，以黃鐵礦數(shù)量最大而且最為常見(jiàn)。根據(jù)煤中礦物組成的這一特點(diǎn)，得出煤燃燒過(guò)程中釋放出黃鐵礦這一認(rèn)識(shí)似乎在情理之中。不過(guò)煤中卻沒(méi)有出現(xiàn)磁鐵礦礦物，初看起來(lái)這與土壤重礦物中發(fā)現(xiàn)有數(shù)量可觀的磁鐵礦礦物不符。實(shí)際上，這才是煤中礦物經(jīng)燃燒后在土壤重礦物中的真實(shí)體現(xiàn)。表5－17 煤中礦物質(zhì)一覽表在煤的燃燒過(guò)程中，其中的礦物質(zhì)隨著溫度的增加，可以發(fā)生不同的形態(tài)轉(zhuǎn)化。以黃鐵礦或白鐵礦為例，隨著溫度的增高，其形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律如下:中國(guó)東部平原土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值、重金屬元素異常成因和生態(tài)效應(yīng)從黃鐵礦或白鐵礦在煤燃燒過(guò)程中的上述轉(zhuǎn)化規(guī)律不難發(fā)現(xiàn)，磁鐵礦不是煤中固有的礦物，是煤在燃燒過(guò)程中由黃鐵礦和白鐵礦等含鐵硫化物礦物轉(zhuǎn)化形成的。這就解釋了土壤中出現(xiàn)大量磁鐵礦、赤鐵礦的原因。由于煤的燃燒溫度通常很高(大于850℃)，煤中存在的大部分黃鐵礦在燃燒過(guò)程中都轉(zhuǎn)化為磁鐵礦、赤鐵礦甚至是玻璃質(zhì)無(wú)定形鐵氧化物。因此，在粉煤灰以至由粉煤灰沉降形成的降塵中，出現(xiàn)大量的磁鐵礦、赤鐵礦以及非晶質(zhì)物質(zhì)，而真正的黃鐵礦數(shù)量卻相對(duì)少得多。不僅僅是硫化物礦物，就是黏土礦物在煤燃燒過(guò)程中也同樣發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化。隨著溫度的升高，黏土礦物發(fā)生如下形態(tài)變化:中國(guó)東部平原土壤地球化學(xué)基準(zhǔn)值、重金屬元素異常成因和生態(tài)效應(yīng)黏土礦物的上述形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律，即解釋了粉煤灰及其降塵中出現(xiàn)大量非晶質(zhì)物質(zhì)的原因，同時(shí)也說(shuō)明了前述應(yīng)用莫來(lái)石示蹤降塵物質(zhì)來(lái)源的理論依據(jù)。根據(jù)“微球?！奔包S鐵礦、磁鐵礦等礦物的來(lái)源，就可以對(duì)城鎮(zhèn)及其周邊土壤重金屬元素異常的成因機(jī)理進(jìn)行合理的解釋。
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。