降塵收集方法對沙塵理化性質的影響及環境意義論文
降塵收集方法對沙塵理化性質的影響及環境意義論文
降塵是指在重力作用下,降落在地表的大於10μm 的塵埃物質.近年來,對大氣降塵的研究比較多,內容涉及降塵的理化性質,沉降速率,粒度分佈,時空分佈,影響因素以及降塵收集方法等.降塵收集方法是降塵研究的基礎,不同降塵收集方法, 影響降塵的物質組成、成分等.目前,國內外降塵收集方法包括:玻璃圓柱體(高40cm×直徑20cm,高 30cm×直徑 15cm)、美國地質調查降塵缸、玻璃球降塵缸、倒置的飛碟降塵缸以及改進型的倒置飛碟、正方形的降塵缸和碗狀降塵缸等.已有研究表明,不同降塵收集方法所收集的降塵量、粒度組成、收集效率不同.降塵地球化學元素對沙塵形成、來源和沉積環境,土壤形成過程、化學成分等都有一定的指示意義.透過降塵物質組成和地球化學元素分析,可以確定沙塵源區、搬運途經和沉積環境.目前,對沙漠和沙塵暴輸送的沙塵物質地球化學元素進行了大量研究,但是對降塵收集方法對地球化學元素的影響幾乎沒有報道.
1 研究區域及方法
1.1 研究區概況
研究區位於在騰格裡沙漠東南緣,實驗場地位於中衛市西北 13km 處(37°33?N,105°01?E)的中國科學院風沙科學觀測場(以下簡稱觀測場).該區是沙塵物質的源區,主要以格狀沙丘為主,沙丘高度 3~20m.沙丘表面的沙粒平均粒徑為0.22~0.26mm.根據研究區 2005~2008 年實測氣象資料,該地區年平均風速為 2.48~2.79m/s;風向以西北風為主,其次為東北風;年均相對溼度為36.51%~45.40%;年均溫度為 11.21~12.65℃;年降水量為 71.44~16.60mm.
1.2 研究方法
根據研究目的不同,降塵缸安裝高度不同,如研究降塵的時空分佈時,降塵缸一般安裝在1.5m 左右高度.本文的研究目的在於對比不同降塵收集方法之間的關係,同時為了避免躍移沙粒進入降塵缸,所以降塵缸安裝在 2m 高度.降塵缸為我國的國標降塵缸(直徑15cm,高30cm的`圓柱形平底玻璃容器).
本文實驗的降塵收集方法包括幹法、溼法、過濾網法、玻璃球法和減速法.幹法即在降塵缸內無任何介質;溼法即在降塵缸內新增蒸餾水(春夏秋季)或酒精(冬季),新增的蒸餾水/酒精佔整個降塵缸的 1/6,在降塵缸內無蒸餾水/酒精時再新增至 1/6 高度;過濾網法即在降塵缸內 5cm高度安裝一個過濾網,過濾網網孔直徑為5mm的正方形不鏽鋼網;玻璃球法即為在降塵缸內佈置20 個玻璃球,玻璃球直徑為 10mm;減速沿法為在降塵缸外圍安裝直徑為170mm的減速沿,減速沿與降塵缸之間有 20mm 的空隙,用於保證空氣流通,減速沿自降塵缸向外高度逐漸降低.整個實驗同時進行 5 種降塵收集方法,同時由於在西北地區,降雨較少,空氣溼度較小,所以每次在稱重時,並沒有對降塵進行烘乾,而是在降塵物質為乾的狀態時進行稱重.
1.3 分析方法
本文降塵物質是2012年1~4月收集.元素分析在中國科學院沙漠與沙漠化重點實驗室完成,所用分析儀器為帕納科公司生產的順序式波長色散型 X 射線熒光光譜儀(型號:Axios;產地:荷蘭).具體分析過程見張彩霞等論文.
2 結果
2.1 降塵粒度特徵
不同降塵收集方法影響收集的降塵物質的粒度特徵.由表 1 可見,幹法收集的降塵物質的粒度最粗(Φ值越大,粒度越細),依次為過濾網法,玻璃球法,減速法和溼法.幹法分選很好,過濾網法,玻璃球法和減速法屬於分選較好,而溼法屬於分選較差.幹法、過濾網法和玻璃球法屬於近對稱;減速法屬於正偏,溼法屬於極正偏.峰度除溼法屬於很窄外,其餘均屬於很寬.
2.2 降塵化學元素特徵
不同降塵收集方法所收集的降塵微量元素含量既有相似,又有差異.Ba、Mn、Sr、P 和 Zr 的含量大於 100g/g,其他元素的含量均小於100g/g,其中Ba的含量最大,可達255~474g/g,其次為 Mn,可達 261~327g/g,Sr 可達 141~449g/g,P 可 達 206~272g/g,Zr 可 達108~167g/g.Nd 和 As 的含量最少,As 的含量為在 4.2~7.6g/g,Nd 的含量為 0.3~9.6g/g.由圖 2b可以看出,不同降塵收集方法所收集的降塵常量元素分佈可分為兩種.
2.3 降塵元素富集因子
由於元素 Al 或 Fe 在沉積過程中相對穩定,而且大多數元素在沉積物的不同粒級中具有相近的富集規律,因此,元素與 Al 或 Fe 的比值可以消除沉積物化學成分的粒度效應.為此,在富集因子的計算中常採用元素/Al 或 Fe 的比值.本文采用 Al 作為參考元素.元素的富集因子(EF)可以指示沉積物中元素的地殼或非地殼來源.一般認為當某元素的富集因子大於 10 時可判定該元素主要源於人為汙染因素;當某元素 EF 值接近於 1或小於 1 時可認為主要源於自然地殼源,介於1~10 時為兩種源的混合.
3 討論
3.1 收集方法對地球化學元素的影響由圖5a可見,減速法和玻璃球法與溼法的差值比較小.過濾網法和幹法與溼法差值比較大.對減速法,除 Mn、Zr 和 Ba 元素與溼法的差值大於10 外,其他微量元素與溼法的差值均小於 10.除減速法外,其他方法收集的微量元素 Cl、P、Cr、Mn、Sr、Zr、Ba 的含量與溼法差異較大.由圖5b 可以看出,減速法和玻璃球法收集的常量元素與溼法差值很小,而過濾網法和幹法收集的常量元素與溼法除 Fe2O3外,其他元素差值較大.
3.2 降塵源區分析
降塵物質在風力作用下脫離地表後隨氣流輸送,然後在重力作用下沉降在地表.所以降塵物質的理化性質通常能夠反映降塵源區.Honda等研究表明,騰格裡沙漠地表沉積物SiO2含量為 82%,Al2O3含量為 8.9%,Fe2O3含量為 2.2%,MgO 含量為 0.8%,CaO 的含量為 0.9,Na2O 含量為 2.1%,K2O 含量為 2.1%.
4 結論
4.1 溼法收集的降塵粒度最細,依次為減速法、玻璃球法、過濾網法和幹法.
4.2 大氣降塵物質中微量元素 Ba、Mn、Sr、P和 Zr 的含量大於 100g/g,其他元素的含量均小於 100g/g.常量元素 SiO2的含量最大(79.30%),依次為 Al2O3(8.16%),Fe2O3(3.06%),Na2O(2.06%),K2O(2.04%),CaO(1.25%)和 MgO(0.98%).
4.3 減速法、溼法和玻璃球法收集的降塵化學元素具有相似的變化趨勢,而幹法和過濾網法具有相似的變化趨勢.
4.4 由降塵粒度、元素含量、富集因子、元素差值和富集因子差值等引數可以看出,減速法和溼法具有相似的降塵收集效果.因此,減速法能夠作為代替溼法在乾旱地區進行降塵收集的方法.