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1、华东师范大学 硕士学位论文 崇明岛沉积物重金属污染特征及磁学研究 姓名：吕达 申请学位级别：硕士 专业：第四纪地质学 指导教师：郑祥民 20070401 摘要 河口潮滩具有独特的环境功能和生态价值。崇明岛地处长江入海口，发育 着典型的河口滨岸潮滩。其所在城市上海，长期以来，沿岸排放大量工业废水和 生活污水，尤其近年长江流域经济的快速发展和浦东的高强度开发，使潮滩的生 态环境受到曰益增大的压力和威胁在众多污染物中，重金属是具有潜在危害的 重要污染物之一，它能在生物体内富集，成为持久污染物，造成严重的环境问题。 在重金属污染研究中，水系沉积物以其相对比较稳定的优点，作为评价环境污染 的载体，能较为
2、准确地反映一定时期内河流的重金属含量以及变化。同时先进的 磁测量技术是获取相关环境信息的有效手段，在现代环境分析中得到研究者日益 广泛的关注。论文以崇明岛为典型的研究医域，以潮滩沉积物为研究对象，从地 球化学、磁学的角度，借助于多元统计分析等统计手段，对表层沉积物和柱样沉 积物进行了有关磁学、粒度、重金属含量的测试分析以及深入的分析研究，探讨 了崇明 岛重金属污染的磁学特点，表明了磁测量技术运用于沉积物重金属污染的 可行性，同时本研究也得到了以下几点认识： 1、 上海崇明岛沉积物的粒度特征主要是以粉砂为主，粘土次之，含量最少是砂 粒，表层沉积物粒度参数沿程分布较为均匀，变化不大。 2、 对上海
3、崇明岛表层沉积物重金属元素 ： 1： ,?13,211， (： 1,町的总量测试，发现不 同的重金属元素在不同的地点含量的差异显著， Pb和 Cd的含量均在 BZ (堡镇 ） 出现最高值， Cr和 Cu含量均在 QN (前农 ） 出现最高值， Zn在 CDG(崇明东滩高潮滩） 出现最高值， Ni在东滩的中潮滩出现最高值。 3、 基于地质累积系数法的环境评价结果表明： Pb在 BZ为偏中度污染， Ci 在瀛南 为偏中污染， Cu在 QN为偏中度污染，其余地区的重金属污染均属于轻度或者为未 污染。根据污染负荷指数法和潜在生态危害指数法评价的结果表明，上海崇明岛 均处在中等污染，存在轻微的生态危害。
4、 4、 上海崇明岛沉积物中，除了瀛南以不完整的反铁磁性矿物主导外，其佘各点 均以亚铁磁性矿物主导样品的磁性特征。其中亚铁磁性矿物晶粒以假单畴 -较粗 的多畴晶粒为主，并且还存在着一定量的超顺磁晶粒。 5、 通过粒度，重金属含量和磁参数间的相关性分析，表明重金属含量与粒径 Cd Zn Ku Cr% Pb and magnetic parametersXfd% 5ABI/ SIRM had high correlation. According to the remarkable correlation of the heavy metal contents and magnetic parnet
5、ers, the diagnostic models were set up: Zn=515,2336Xfd%+U11842XAffli/ SIRM +31.62434; Cu745112XtM .7616 SIRM 5.314115; * vn Cd=0,424793Xfd%+ . 3629xai/ SIRM +.097551; ?1431_4754仏 + _23225办 / SIRM +2.26899 The study proved that these models had feasibility, while the magnetic parameters to make the m
6、odel should be variable according to the geological aand hydrological conditions. Keyword i Chongming island Sediment Particle size Heavy metal pollution Magnetic parameters Statistic analysis 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及所取得的研 究成果。据我所知，除文中己经注明的内容外，本论文不包含其他个人已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体
7、，均已在文中作 了说明并表示谢意。 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或指定机构送交论文的电子版或文字版。有权将学位 论文用于非贏利的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： T 日期： 学位论文使用授权声明 学位论文作者签名： 日期： !? 11 第 一 章 绪 论 1.1长江河口潮滩湿地重金属研究的科学背景和意义 湿地是介于陆地和水域之间的独特的生态系统，具有生态过渡带的特性。 1971年在伊朗签署的拉姆
8、萨公约 （ 关于具有国际意义的湿地、特别是作为 水禽栖所的湿地 的公约）中给出的湿地定义为： “ 不论天然或人为、永久或暂 时、静止或流动、淡水或咸水，由沼泽、泥沼、泥煤地或水域所构成的地区，包 括低潮时水深六公尺以内的海域 ” 。我国在参照公约及其他国家的湿地定义，并 根据实际情况，将湿地定义为： “ 陆缘为含 60%以上湿生的植被区、水缘为海平 面以下 6米的近海区域，包括内陆与外流江河流域中自然的或人工的咸水的或淡 水的所有富水区域（枯水期水深 2米以上的水域除外 ）， 不论区域内的水是流动 的还是静止的、间歇的还是永久的 ” （ 陆健健， 1998) 河口湿地主要由河流携 带的大量泥沙
9、在 河口地区不断淤积而成，受潮流与径流咸淡水相互作用的影响， 水动力作甩强烈，泥沙冲淤变化频繁，生物多样性极为丰富，是地球上重要的湿 地类型之一。 崇明岛地处长江入海口，是典型的河口滨岸潮滩，潮滩是沿海岸分布，由小 于0. 06毫米粉沙和粘土组成的长数十千米的平缓地带。属于一种海岸堆积地貌类 型，主要受潮流影响。潮滩是海陆交替的过渡带，是大气圈、生物圈、岩石圈和 水圈相互作用最活跃的界面，其物质和能量的转化远比其它地域迅速、激烈。河 口潮滩具有独特的环境功能和生态价值，在河口和近海污染物的迁移转化过程中 扮演着十分重要的角色 ,近年来有关河口潮滩污染物地球化学行为的研究己成为 国际湿地研究领域
10、令人关注的热点之一。许多研究表明，河口潮滩是重金属污染 物的一个有效汇库，在消减日益增高的河口和近海水体污染物负荷上发挥着越来 越重要的作用 （ Nedwelletal.,1999)。但在一定的物理 |化学和生物作用下， 累积于滩地的各种重金属污染物通过沉积物 -水之间的交换作用又可向上覆水体 发生释放，使河口潮滩成为一个非常重要的次生污染源 （ Gambrel 1 et al.,1991;Riedeletal.,1999)。海岸线是动态的，侵蚀和淤积时刻都在进行 , 生物种群随季节更替而转换，台风和风暴潮可以使海岸景观发生突变，动态变化 较为强烈，所以，其环境和生态系统对于大范围各种自然过程
11、变化所引起的波动 和人类活动的影响十分敏感，因而又是一个典型的环境脆弱带和敏感带。（李凡 , 1996,许世远， 1997)。 近十年来，随着社会经济的高速发展和城市化进程的加快，沿海地区为缓 解工农业用地紧张，对潮滩围垦活动日趋激烈，导致滩地面积急剧减少，生态功 能和环境效益不断下降。由于财力，技术 等方面的原因，目前我国很多沿海城市 均采用沿岸直排方式处置工业废水和生活污水，使潮滩环境受到不同程度的有机 和无机污染，入海河流携带的大量陆源污染物以及大气污染物的干湿沉降进一步 加重了潮滩的污染物如重金属，多环芳烃等不能降解而累积于潮滩沉积物中。对 潮滩生态系统的健康和安全带来很大危害。同时，
12、潮滩沉积物中的重金属等难降 解污染物还能通过食物链逐级传递，富集，进而危及人体健康和生命。过量的重 金属大多数都能抑制生物酶的活性，破坏正常的生物化学反应，具有多数毒理作 用，能造成生殖障碍，影响胎儿正常发育，威胁儿 童和成人身体健康（常学秀等， 2000)。 长江河口潮滩湿地作为滨海带的重要组成部分，具有特殊的环境生态功能， 能容纳陆源污染物。其周边城市上海长期以来，处置工业废水和生活污水的主要 途径一直是沿岸样污，将长江视为天然的污染物储集场。上海作为世界上的特大 城市，人口众多，工业长期位居全国首位，然而对日益严重的污染问题未予以高 度重视。随着长江流域经济的快速发展和浦东的高强度开发
13、.使潮滩的生态环境 受到日益增大的压力和威胁。在众多的污染物中，重金属是具有潜在危害的重要 污染物之一。 重金属一般是指比重大于 5的 金属元素，并且将原子序数大于 20的元素，即 从銃以后的都称为重金属，环境科学中的重金属主要是指生物毒性大、易于对环 境产生污染的元素，如铬、镉、汞、铅等，另外还包括一些摄入量超过某一阀值 时具有相当毒性的铜、锌、钒、钛、锰、钴、镍等。 重金属是潜在危害的污染物，它在生物体内富集，成为持久污染物，造成 严重的环境问题，如重金属中毒可导致，癌症，地方病，使农作物减产甚至颗粒 无收等等（范成新等， 2002: C. Savvides et al. 1995;Loi
14、zidous. M_ et al. 1991)。 经各种方式进入水体中的重金属污染物不易溶解 ， 绝大部分迅速由水相转入固 相，即迅速地结合到悬浮物和沉积物中，结合到悬浮物中的重金属在随水搬运过 程中，当超负荷搬运能力时，便沉积下来进入沉积物中（贾振邦等， 2000;范成 新等， 2002)。水系沉积物作为评价环境污染的载体，其优点在于水系沉积物相 对比较稳定，很少受到季节及雨量的影响，可以较为准确地反映一定时期内河流 的重金属的含量以及变化，因此，对沉积物中的重金属进行研究是很有价值的（范 成新， 2002;贾振邦等， 2000)。许多学者把污染物质自水体沉降于沉积 物中称 为净化作用（吴瑜
15、瑞， 1978),在潮滩上，由于重金属不能通过水体的自净作用 被净化掉，从而可以通过各种复杂的物理化学及生物作用，不断的在滩地上发生 沉降累积而进入沉积物，进而进入食物链，加到生态循环之中，聚集在沉积物中 的重金属除了直接对潮滩生物和通过食物链影响人类的健康外，有可能在界面环 境条件的改变下释放出来，导致潮滩环境质量恶化。潮滩是重金属重要的归宿场 所 （ Williams, 1994)和二次污染的来源。 河口重金属主要来源于岩石矿物的自然风化，人 类活动产生的工业废水和 生活污水排放，大气输入以及海洋底部沉积物再悬浮后的向上迁移。由于河流与 海洋的互相作用，进入河口地区的重金属污染物会受到吸附
16、 -解吸，氧化 _还原， 溶解 -沉淀等各种化学作用以及颗粒凝聚，差异性沉降和有选择性的再悬浮等沉 积动力过程的影响，再加上生物吸收，新陈代谢，生物死亡残体的矿质化释放等 生物作用，重金属污染物在河口地区发生了重新分配和累积，因此定量化研究河 口区重金属污染物的各类物源输入非常困难，大多数研究仅限于定性描述和半定 量化阶段。 1.2水系沉积物国内外研究现状和进展 水系沉积物的研究从二十世纪四五十年代就开始了。最初，水系沉积物的 研究是勘查地球化学研究的主要内容之一，目的是获取地质地球化学信息，为矿 产预测和普查提供依据，为寻找矿产资源服务。到八十年代以后，转向了利用水 系沉积物研究环境问题。
17、在国外，二十世纪六十年代初在英国以 Webb为首的地球化学家对北爱尔兰、 英格兰和威尔士的水系沉积物进行了系统的地球化学测量，编制了主要元素和 些微量元素图，并分析了它们对人类、动物、植物的影响。 二十世纪八十年代末以来，俄罗斯等国开展了以生态环境评价、土地合理 使用，成矿预测 等研究内容为一体的区域地球化学环境的调査和评价，美国、加 拿大。日本、德国、意大利、芬兰、斯堪地纳维亚、比利时、卢森堡、瑞典、印 度、波兰、杰克斯洛伐克、立陶宛、越南、印度里西亚、尼泊尔、韩国、罗马尼 亚、肯尼亚、苏们达纳、津巴布韦、所罗门群岛、塞拉利昂、斯威士兰和玻利维 亚等国针对各自不同的问题，也广泛地开展了以水系
18、沉积物研究为手段的区域地 质 -地球化学调査与研究。 Howarth和 Thornton (1983)对区域地球化学填图及 其对环境研究的应用进行了系统的总结。德国学者 PorstnerlSSS年出版 了专著 污染沉积物一书，详细的介绍了水体沉积物的各种性质，污染状况，评价方 法，基准研究等。 二十世纪九十年代末到二十一世纪初国外的地球化学工作者十分重视水系 沉积物的研究。他们研究沿河流域、湖泊流域以及海岸地带的水系沉积物中重金 属的分布和污染评价，做了大量的工作。发表了许多文章 （ C.Savvides, et al.1995;Clotilde Bertin, et al. 1995;H.M
19、. V. M. Soaresfet al, 1999;Jain C. K, et al, 2001;Lin Saulwood, et al, 2002;Shi Changxing, et al,2003;PagnanelliFt et al, 2004;Ryder,K,et, al2004;NysterAAm Gunvor M.et,al,2005)。R.Swenneri等进行河漫滩沉积物和高级次水系沉积物的研究， 利用其结果研究了比利时和卢森堡环境问题 （ R.S时 nnen等， 1998)。 我国在二十世纪五六十年代开展了一些水系沉积物的调査，七十年代后期 到八十年代，我国以地质找矿、资源
20、勘查为目的，在全国范围内开展看 1: 20万 水系沉积物化探扫面，通过扫面，根据水系沉积物提供的信息，找到了许多大型 的矿产，为我国的经济建设提供了急需资源。但当时没有考虑将水系沉积物提供 的信息应用到环境研究中去，二十世纪八十年代至九十初，王晓蓉 （ 1982)陈静 生 （ 1992)等对我国主要大江大河的水环境进行了研究，取得看较好的成果，金 相灿等对河流沉积物中的重金属迁移规律进行了研究（金相灿等， 1983, 1984)。 二十世纪九 +年代以来，我国 一些学者研究了部分河流的水系沉 积物中重金属的 地球化学特征，并对环境影响进行了评价，取得了较好的效果。 在水系沉积物研究中，我国先后
21、出版了水环境化学 （ 陈静生主编， 1987)、 河流重金属污染研究（陈瑞生主编， 1987)，环境中重金属研究文集（ 1988)、 沉积物污染化学（金相灿主编， 1992)、等专著，上述工作的开展使得我国 沉积物重金属的研究达到了新的高度，大量研究也表明，在受重金属污染的水体 中，水相中重金属的含量很小，而且随机性很大，常随排放状况与水力学条件的变 化而变化，其含量分布往往规律性较差 :相反 ,沉积物中重 金属的含量比相应水相 中的重金属含量高很多倍，常常得到积累 ,并表现出较明显的空间分布规律性（贾 振邦 ,霍文毅 .2000)，因此，对沉积物中重金属污染的评价是很有必要的，也很 有价值
22、.国内外评价沉积物中重金属污染的方法很多，包括地质累积指数法、潜 在生态危害指数法、生物效应浓度法、脸谱图法、元素相关图法、回归过量分析 法、综合指数法、尼梅罗综合指数法、污染负荷指数法、沉积物富集系数法和次 生相富集系数法等。目前普遍采用的方法主要有地质累积指数法、潜在生态危害 指数法、脸谱图法、综合指数法、尼梅罗综合指数法、污 染负荷指数法、沉积物 富集系数法和次生相富集系数法。 国外潮滩重金属的研究从 20世纪 70年代己有相关文章发表。随后的二三十 年间潮滩重金属的研究得到蓬勃发展，其中尤以欧洲瓦登海，北海，和波罗海以 及周围的潮滩的研究资料最为翔实。其中大多数的研究者多集中于二战后经济发 展时期重金属的历史研究，但一部分学者在研究中发现潮滩重金属的污染从 20