长株潭近地表大气尘矿物特征及环境指示意义

赵晓斌，张广平，吴堑虹

（1.河南省地质矿产勘查开发局测绘队，郑州 450006；2.中南大学 地学与环境工程学院，长沙 410083）

国内外很多学者对大气尘矿物已做过大量工作。施泽明[1]等利用扫描电镜和X-射线衍射对成都市近地表大气尘进行了矿物学特征研究，并鉴定其主要由石英、长石、伊利石、绿泥石、方解石、石膏等矿物组成；吕森林[2]等用扫描电镜/能谱（SEM/EDX）对北京市可吸入颗粒物（PM10）中单颗粒矿物特征进行分析研究，结果鉴定出38 种矿物，但也主要是粘土矿物、氧化物、硫化物、卤化物等自然矿物；P.K.Mogili[3]et al 也主要是研究了高岭石、赤铁矿、蒙脱石、方解石、石英和NaCl等自然矿物。已往学者偏重于自然矿物和元素化学特征研究，对非自然源矿物或晶体研究甚少。

本文主要采用X-射线衍射对长株潭地区近地表大气尘进行分析研究，比较长株潭地区近地表大气尘矿物或晶体成份、来源和空间分布情况，并在此基础上初步揭示其环境指示意义。

图1.近地表大气尘扫描电镜与能谱对比图

1 样品采集和处理

目前，城市大气环境的研究主要侧重于近地表积尘，因此我们有针对性的对样品进行了采集。近地表积尘样品采集利用毛刷对距地面1.5～2.0m 窗台积尘进行扫集，重金属分析样品装入塑料袋，其它分析样装入纸袋。

近地表大积尘样品用自然风干方式干燥，用玛瑙钵研磨机研磨样品，过200 目筛。为了避免交叉污染，每个样品研磨后均采用毛刷对研磨钵进行初步清理，分析纯酒精进行再次清洗。

2 近地表大气尘特征

2.1 形貌特征

根据扫描电镜观察结果，研究区近地表大气尘形貌特征（图1a、c）主要类型有片状、层状、不规则粒状、链状集合体、圆球状，但主要以片状与层状为主。据形貌特征，片状和层状矿物可能来源于地面扬尘，且主要可能为硅酸盐矿物；不规则粒状可能来自建筑尘和地面扬尘；链状集合体可能来源于工业烟尘和少量地面扬尘，为煤烟集合体或汽车尾气颗粒物；圆球状飘珠可能来自燃煤飞灰等工业烟尘，Kilkuo et al[4]认为这种圆球形飘珠主要由Al、Si、Fe 组成，另外还含有少量的S、K、Ca、Ti等，是来自煤工业烟尘的的标志。

2.2 化学特征

扫描电镜能谱分析结果（图1b）显示近地表大气尘主要由Si、O、Al、Fe、C、S、Ca 元素组成，此外还含有少量K、Ti、Na、Mg、Cd、Mn、Ni、Cu、Zn 元素。从图1（c和d）还可看出Cd 元素主要富集在有矿物颗粒的地方，且呈近浸染状分布，无颗粒物处无Cd 信号，即Cd 主要被吸附在矿物表面，且易被吸附，这可能是Cd 易富集的一个原因。通过能谱半定量分析，Cd 含量可达4%。

3 近地表大气尘中矿物成份

3.1 近地表大气尘中矿物成份

实验采用Rigaku D/max 2500 PC型X 射线衍射仪（XRD），Cu 靶，Ni 滤光，在管电压40kV，管电流250mA，扫描速度5°/min，取样步调0.02°，扫描范围（2θ）为5°～80°的条件下，对近地表大气尘作矿物成份分析。根据谱图峰顶值查询PDF2003 卡片，定性鉴定矿物类型。本实验自己通过Jade 5 软件进行分析，改变以往人们只注重主要组份、高峰的研究方法，对含量较低的组份与低峰也加以重视（见图2 a、b），争取最大限度挖掘有效信息。经分析显示，长株潭近地表大气尘中鉴定出矿物37 种，包括自然矿物23 种和非自然矿物14 种（表1）。

表1 近地表大气尘X-射线衍射分析结果

3.2 矿物的空间分布特征

研究大气尘中矿物的空间分布特征，可以提取反映环境质量的信息[1]。长沙、株洲、湘潭地区大气尘样品中普遍存在石英、石膏、SiS2。方解石和白云石多在长沙和湘潭地区样品中出现，而株洲只有少量样品中鉴定含有方解石和白云石。金属矿物和非自然源晶体种类在湘潭地区多于长沙，如Cu5Zn、Fe3Zn10、MnCoNiSn和HfMo2，株洲地区又多于长沙和湘潭，如CdSO4、硫镉矿、MgSO4、RhZn、Fe2Zn3S5、Ga2Se3等[5]。

4 讨 论

4.1 扫描电镜与X—射线衍射分析结果对比

根据扫描电镜观察近地表大气尘形貌特征主要类型有片状、层状、不规则粒状、链状集合体、圆球状，但主要以片状与层状矿物为主，与能谱分析以Si、O、Al、Fe、S、Ca 元素为主和X—射线衍射鉴定结果以石英、石膏、方解石、白云石、高岭土、云母等矿物为主相一致；不规则粒状、链状集合体和圆球状飘珠可能来自燃煤飞灰等工业烟尘（部分为C 质集合体）或为工业污染产生的非自然源晶体，这与能谱分析和X—射线衍射鉴定结果也相吻合。这表明本次实验分析结果可靠性较高，能谱半定量分析，重金属Cd 含量可达4%，应引起关注。

4.2 不同区域大气尘矿物成份分析

工作区的重工业主要分布在株洲和湘潭，长沙较少。通过X 射线衍射对采集样品进行矿物鉴定，结果显示石英、石膏、SiS2在长株潭地区普遍存在；方解石和白云石在长沙和湘潭分布较多，在株洲量较少，且在一些样品中未检测出；高岭石、绿泥石、云母在株洲和湘潭比在长沙地区较常见；非自然源矿物（晶体）种类长沙最少，湘潭次之，株洲最多，且量上也相应增高。

石英主要来自地面扬尘，SiS2来源主要为工业烟尘。石膏主要是大气尘中CaCO3(方解石和白云石)与硫酸铵[（NH4）2SO4]发生化学反应形成的，其反应公式可表示如下：

5 结 论

1）长株潭地区近地表积尘中鉴定出矿物37 种，包括自然矿物23 种和非自然矿物（晶体）14 种。

2）扫描电镜观察近地表大气尘形貌特征以片状与层状矿物为主，与能谱分析以Si、O、Al、Fe、S、Ca 元素为主和X—射线衍射鉴定结果以石英、石膏、方解石、白云石、高岭土、云母等矿物为主相一致，这表明本次实验分析结果可靠性较高。Cd 元素易富集在层状或片状矿物表面，且含量可达4%，应引起关注。

3）长株潭近地表大气尘矿物的空间分布特征显示，株洲地区受重工业影响较大。

4）研究近地表大气尘的矿物成份、特征及其来源，不仅为制定长株潭地区的环境污染防治措施和大气环境的改善提供了依据，同时也对长株潭城市一体化、生态可持续发展与人体健康具有非常重要的意义。

[1]施泽明，倪师军，张成江.成都市近地表大气尘的矿物学特征及其环境指示意义[J].矿物岩石，2006,26(2).

[2]吕森林，邵龙义.北京市可吸入颗粒物(PM10)中单颗粒的矿物组成特征[J].岩石矿物学杂志，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]张广平，吴堑虹，戴塔根,等.土壤、大气尘中晶体的组成及其物源指示意义—以长沙、株洲和湘潭地区为例[J].地质通报，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.