長株潭近地表大氣塵礦物特征及環境指示意義

趙曉斌，張廣平，吳塹虹

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

國內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近地表大氣塵進行分析研究，比較長株潭地區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

根據掃描電鏡觀察結果，研究區近地表大氣塵形貌特征（圖1a、c）主要類型有片狀、層狀、不規則粒狀、鏈狀集合體、圓球狀，但主要以片狀與層狀為主。據形貌特征，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，可以提取反映環境質量的信息[1]。長沙、株洲、湘潭地區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樣品中出現，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多于長沙，如Cu5Zn、Fe3Zn10、MnCoNiSn和HfMo2，株洲地區又多于長沙和湘潭，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煙塵（部分為C 質集合體）或為工業污染產生的非自然源晶體，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 不同區域大氣塵礦物成份分析

工作區的重工業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，株洲地區受重工業影響較大。

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的環境污染防治措施和大氣環境的改善提供了依據，同時也對長株潭城市一體化、生態可持續發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.