長株潭近地表大氣塵礦物特征及環(huán)境指示意義

趙曉斌，張廣平，吳塹虹

（1.河南省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪隊，鄭州 450006；2.中南大學 地學與環(huán)境工程學院，長沙 410083）

國內(nèi)外很多學者對大氣塵礦物已做過大量工作。施澤明[1]等利用掃描電鏡和X-射線衍射對成都市近地表大氣塵進行了礦物學特征研究，并鑒定其主要由石英、長石、伊利石、綠泥石、方解石、石膏等礦物組成；呂森林[2]等用掃描電鏡/能譜（SEM/EDX）對北京市可吸入顆粒物（PM10）中單顆粒礦物特征進行分析研究，結果鑒定出38 種礦物，但也主要是粘土礦物、氧化物、硫化物、鹵化物等自然礦物；P.K.Mogili[3]et al 也主要是研究了高嶺石、赤鐵礦、蒙脫石、方解石、石英和NaCl等自然礦物。已往學者偏重于自然礦物和元素化學特征研究，對非自然源礦物或晶體研究甚少。

本文主要采用X-射線衍射對長株潭地區(qū)近地表大氣塵進行分析研究，比較長株潭地區(qū)近地表大氣塵礦物或晶體成份、來源和空間分布情況，并在此基礎上初步揭示其環(huán)境指示意義。

圖1.近地表大氣塵掃描電鏡與能譜對比圖

1 樣品采集和處理

目前，城市大氣環(huán)境的研究主要側重于近地表積塵，因此我們有針對性的對樣品進行了采集。近地表積塵樣品采集利用毛刷對距地面1.5～2.0m 窗臺積塵進行掃集，重金屬分析樣品裝入塑料袋，其它分析樣裝入紙袋。

近地表大積塵樣品用自然風干方式干燥，用瑪瑙缽研磨機研磨樣品，過200 目篩。為了避免交叉污染，每個樣品研磨后均采用毛刷對研磨缽進行初步清理，分析純酒精進行再次清洗。

2 近地表大氣塵特征

2.1 形貌特征

根據(jù)掃描電鏡觀察結果，研究區(qū)近地表大氣塵形貌特征（圖1a、c）主要類型有片狀、層狀、不規(guī)則粒狀、鏈狀集合體、圓球狀，但主要以片狀與層狀為主。據(jù)形貌特征，片狀和層狀礦物可能來源于地面揚塵，且主要可能為硅酸鹽礦物；不規(guī)則粒狀可能來自建筑塵和地面揚塵；鏈狀集合體可能來源于工業(yè)煙塵和少量地面揚塵，為煤煙集合體或汽車尾氣顆粒物；圓球狀飄珠可能來自燃煤飛灰等工業(yè)煙塵，Kilkuo et al[4]認為這種圓球形飄珠主要由Al、Si、Fe 組成，另外還含有少量的S、K、Ca、Ti等，是來自煤工業(yè)煙塵的的標志。

2.2 化學特征

掃描電鏡能譜分析結果（圖1b）顯示近地表大氣塵主要由Si、O、Al、Fe、C、S、Ca 元素組成，此外還含有少量K、Ti、Na、Mg、Cd、Mn、Ni、Cu、Zn 元素。從圖1（c和d）還可看出Cd 元素主要富集在有礦物顆粒的地方，且呈近浸染狀分布，無顆粒物處無Cd 信號，即Cd 主要被吸附在礦物表面，且易被吸附，這可能是Cd 易富集的一個原因。通過能譜半定量分析，Cd 含量可達4%。

3 近地表大氣塵中礦物成份

3.1 近地表大氣塵中礦物成份

實驗采用Rigaku D/max 2500 PC型X 射線衍射儀（XRD），Cu 靶，Ni 濾光，在管電壓40kV，管電流250mA，掃描速度5°/min，取樣步調0.02°，掃描范圍（2θ）為5°～80°的條件下，對近地表大氣塵作礦物成份分析。根據(jù)譜圖峰頂值查詢PDF2003 卡片，定性鑒定礦物類型。本實驗自己通過Jade 5 軟件進行分析，改變以往人們只注重主要組份、高峰的研究方法，對含量較低的組份與低峰也加以重視（見圖2 a、b），爭取最大限度挖掘有效信息。經(jīng)分析顯示，長株潭近地表大氣塵中鑒定出礦物37 種，包括自然礦物23 種和非自然礦物14 種（表1）。

表1 近地表大氣塵X-射線衍射分析結果

3.2 礦物的空間分布特征

研究大氣塵中礦物的空間分布特征，可以提取反映環(huán)境質量的信息[1]。長沙、株洲、湘潭地區(qū)大氣塵樣品中普遍存在石英、石膏、SiS2。方解石和白云石多在長沙和湘潭地區(qū)樣品中出現(xiàn)，而株洲只有少量樣品中鑒定含有方解石和白云石。金屬礦物和非自然源晶體種類在湘潭地區(qū)多于長沙，如Cu5Zn、Fe3Zn10、MnCoNiSn和HfMo2，株洲地區(qū)又多于長沙和湘潭，如CdSO4、硫鎘礦、MgSO4、RhZn、Fe2Zn3S5、Ga2Se3等[5]。

4 討 論

4.1 掃描電鏡與X—射線衍射分析結果對比

根據(jù)掃描電鏡觀察近地表大氣塵形貌特征主要類型有片狀、層狀、不規(guī)則粒狀、鏈狀集合體、圓球狀，但主要以片狀與層狀礦物為主，與能譜分析以Si、O、Al、Fe、S、Ca 元素為主和X—射線衍射鑒定結果以石英、石膏、方解石、白云石、高嶺土、云母等礦物為主相一致；不規(guī)則粒狀、鏈狀集合體和圓球狀飄珠可能來自燃煤飛灰等工業(yè)煙塵（部分為C 質集合體）或為工業(yè)污染產(chǎn)生的非自然源晶體，這與能譜分析和X—射線衍射鑒定結果也相吻合。這表明本次實驗分析結果可靠性較高，能譜半定量分析，重金屬Cd 含量可達4%，應引起關注。

4.2 不同區(qū)域大氣塵礦物成份分析

工作區(qū)的重工業(yè)主要分布在株洲和湘潭，長沙較少。通過X 射線衍射對采集樣品進行礦物鑒定，結果顯示石英、石膏、SiS2在長株潭地區(qū)普遍存在；方解石和白云石在長沙和湘潭分布較多，在株洲量較少，且在一些樣品中未檢測出；高嶺石、綠泥石、云母在株洲和湘潭比在長沙地區(qū)較常見；非自然源礦物（晶體）種類長沙最少，湘潭次之，株洲最多，且量上也相應增高。

石英主要來自地面揚塵，SiS2來源主要為工業(yè)煙塵。石膏主要是大氣塵中CaCO3(方解石和白云石)與硫酸銨[（NH4）2SO4]發(fā)生化學反應形成的，其反應公式可表示如下：

5 結 論

1）長株潭地區(qū)近地表積塵中鑒定出礦物37 種，包括自然礦物23 種和非自然礦物（晶體）14 種。

2）掃描電鏡觀察近地表大氣塵形貌特征以片狀與層狀礦物為主，與能譜分析以Si、O、Al、Fe、S、Ca 元素為主和X—射線衍射鑒定結果以石英、石膏、方解石、白云石、高嶺土、云母等礦物為主相一致，這表明本次實驗分析結果可靠性較高。Cd 元素易富集在層狀或片狀礦物表面，且含量可達4%，應引起關注。

3）長株潭近地表大氣塵礦物的空間分布特征顯示，株洲地區(qū)受重工業(yè)影響較大。

4）研究近地表大氣塵的礦物成份、特征及其來源，不僅為制定長株潭地區(qū)的環(huán)境污染防治措施和大氣環(huán)境的改善提供了依據(jù)，同時也對長株潭城市一體化、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展與人體健康具有非常重要的意義。

[1]施澤明，倪師軍，張成江.成都市近地表大氣塵的礦物學特征及其環(huán)境指示意義[J].礦物巖石，2006,26(2).

[2]呂森林，邵龍義.北京市可吸入顆粒物(PM10)中單顆粒的礦物組成特征[J].巖石礦物學雜志，2003,22(4).

[3]Praveen K.Mogilia,Paul D.Kleiberb,Mark A.Youngc et al.N2O5 hydrolysis on the components of mineral dust and sea salt aerosol-comparison study in an environmental aerosol reaction chamber[J].Atmospheric Environment,2006,40∶ 7401–7408.

[4]Kikuo Okada,Yu Qin,Kenji Kai.Elemental composition and mixing properties of atmospheric mineral particles collected in Hohhot,China[J].Atmospheric Research.2005,73(6)∶45～67.

[5]張廣平，吳塹虹，戴塔根,等.土壤、大氣塵中晶體的組成及其物源指示意義—以長沙、株洲和湘潭地區(qū)為例[J].地質通報，2007，26(11).

[6]IkukoM,NishikawaM,Iwasaka Y.Chemical reaction during the coagulation of ammonium sulphate and mineral particles in the atmosphere[J].The Science of the Total Environment,1998,224∶87-91.