降尘是指在重力作用下,降落在地表的大于10m 的尘埃物质.近年来,对大气降尘的研究比较多,内容涉及降尘的理化性质,沉降速率,粒度分布,时空分布,影响因素以及降尘收集方法等.降尘收集方法是降尘研究的基础,不同降尘收集方法, 影响降尘的物质组成、成分等.目前,国内外降尘收集方法包括:玻璃圆柱体(高40cm直径20cm,高 30cm直径 15cm)、美国地质调查降尘缸、玻璃球降尘缸、倒置的飞碟降尘缸以及改进型的倒置飞碟、正方形的降尘缸和碗状降尘缸等.已有研究表明,不同降尘收集方法所收集的降尘量、粒度组成、收集效率不同.降尘地球化学元素对沙尘形成、来源和沉积环境,土壤形成过程、化学成分等都有一定的指示意义.通过降尘物质组成和地球化学元素分析,可以确定沙尘源区、搬运途经和沉积环境.目前,对沙漠和沙尘暴输送的沙尘物质地球化学元素进行了大量研究,但是对降尘收集方法对地球化学元素的影响几乎没有报道.
1 研究区域及方法
1.1 研究区概况
研究区位于在腾格里沙漠东南缘,实验场地位于中卫市西北 13km 处(3733N,10501E)的中国科学院风沙科学观测场(以下简称观测场).该区是沙尘物质的源区,主要以格状沙丘为主,沙丘高度 3~20m.沙丘表面的沙粒平均粒径为0.22~0.26mm.根据研究区 2005~2008 年实测气象资料,该地区年平均风速为 2.48~2.79m/s;风向以西北风为主,其次为东北风;年均相对湿度为36.51%~45.40%;年均温度为 11.21~12.65℃;年降水量为 71.44~16.60mm.
1.2 研究方法
根据研究目的不同,降尘缸安装高度不同,如研究降尘的时空分布时,降尘缸一般安装在1.5m 左右高度.本文的研究目的在于对比不同降尘收集方法之间的关系,同时为了避免跃移沙粒进入降尘缸,所以降尘缸安装在 2m 高度.降尘缸为我国的国标降尘缸(直径15cm,高30cm的圆柱形平底玻璃容器).
本文实验的降尘收集方法包括干法、湿法、过滤网法、玻璃球法和减速法.干法即在降尘缸内无任何介质;湿法即在降尘缸内添加蒸馏水(春夏秋季)或酒精(冬季),添加的蒸馏水/酒精占整个降尘缸的 1/6,在降尘缸内无蒸馏水/酒精时再添加至 1/6 高度;过滤网法即在降尘缸内 5cm高度安装一个过滤网,过滤网网孔直径为5mm的正方形不锈钢网;玻璃球法即为在降尘缸内布置20 个玻璃球,玻璃球直径为 10mm;减速沿法为在降尘缸外围安装直径为170mm的减速沿,减速沿与降尘缸之间有 20mm 的空隙,用于保证空气流通,减速沿自降尘缸向外高度逐渐降低.整个实验同时进行 5 种降尘收集方法,同时由于在西北地区,降雨较少,空气湿度较小,所以每次在称重时,并没有对降尘进行烘干,而是在降尘物质为干的状态时进行称重.
1.3 分析方法
本文降尘物质是2012年1~4月收集.元素分析在中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室完成,所用分析仪器为帕纳科公司生产的顺序式波长色散型 X 射线荧光光谱仪(型号:Axios;产地:荷兰).具体分析过程见张彩霞等论文.
2 结果
2.1 降尘粒度特征
不同降尘收集方法影响收集的降尘物质的粒度特征.由表 1 可见,干法收集的降尘物质的粒度最粗(值越大,粒度越细),依次为过滤网法,玻璃球法,减速法和湿法.干法分选很好,过滤网法,玻璃球法和减速法属于分选较好,而湿法属于分选较差.干法、过滤网法和玻璃球法属于近对称;减速法属于正偏,湿法属于极正偏.峰度除湿法属于很窄外,其余均属于很宽.
2.2 降尘化学元素特征
不同降尘收集方法所收集的降尘微量元素含量既有相似,又有差异.Ba、Mn、Sr、P 和 Zr 的含量大于 100g/g,其他元素的含量均小于100g/g,其中Ba的含量最大,可达255~474g/g,其次为 Mn,可达 261~327g/g,Sr 可达 141~449g/g,P 可 达 206~272g/g,Zr 可 达108~167g/g.Nd 和 As 的含量最少,As 的含量为在 4.2~7.6g/g,Nd 的含量为 0.3~9.6g/g.由图 2b可以看出,不同降尘收集方法所收集的降尘常量元素分布可分为两种.
2.3 降尘元素富集因子
由于元素 Al 或 Fe 在沉积过程中相对稳定,而且大多数元素在沉积物的不同粒级中具有相近的富集规律,因此,元素与 Al 或 Fe 的比值可以消除沉积物化学成分的粒度效应.为此,在富集因子的计算中常采用元素/Al 或 Fe 的比值.本文采用 Al 作为参考元素.元素的富集因子(EF)可以指示沉积物中元素的地壳或非地壳来源.一般认为当某元素的富集因子大于 10 时可判定该元素主要源于人为污染因素;当某元素 EF 值接近于 1或小于 1 时可认为主要源于自然地壳源,介于1~10 时为两种源的混合.
3 讨论
3.1 收集方法对地球化学元素的影响由图5a可见,减速法和玻璃球法与湿法的差值比较小.过滤网法和干法与湿法差值比较大.对减速法,除 Mn、Zr 和 Ba 元素与湿法的差值大于10 外,其他微量元素与湿法的差值均小于 10.除减速法外,其他方法收集的微量元素 Cl、P、Cr、Mn、Sr、Zr、Ba 的含量与湿法差异较大.由图5b 可以看出,减速法和玻璃球法收集的常量元素与湿法差值很小,而过滤网法和干法收集的常量元素与湿法除 Fe2O3外,其他元素差值较大.
3.2 降尘源区分析
降尘物质在风力作用下脱离地表后随气流输送,然后在重力作用下沉降在地表.所以降尘物质的理化性质通常能够反映降尘源区.Honda等研究表明,腾格里沙漠地表沉积物SiO2含量为 82%,Al2O3含量为 8.9%,Fe2O3含量为 2.2%,MgO 含量为 0.8%,CaO 的含量为 0.9,Na2O 含量为 2.1%,K2O 含量为 2.1%.
4 结论
4.1 湿法收集的降尘粒度最细,依次为减速法、玻璃球法、过滤网法和干法.
4.2 大气降尘物质中微量元素 Ba、Mn、Sr、P和 Zr 的含量大于 100g/g,其他元素的含量均小于 100g/g.常量元素 SiO2的含量最大(79.30%),依次为 Al2O3(8.16%),Fe2O3(3.06%),Na2O(2.06%),K2O(2.04%),CaO(1.25%)和 MgO(0.98%).
4.3 减速法、湿法和玻璃球法收集的降尘化学元素具有相似的变化趋势,而干法和过滤网法具有相似的变化趋势.
4.4 由降尘粒度、元素含量、富集因子、元素差值和富集因子差值等参数可以看出,减速法和湿法具有相似的降尘收集效果.因此,减速法能够作为代替湿法在干旱地区进行降尘收集的方法.