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随着工业化和城市化进程的加快,现代都市生态环境日益恶化。如何快速、有效评价和研究环境质量问题已成为全球普遍关注的热点。环境磁学作为一门新兴的交叉学科,因具有快速、灵敏、高效、对环境无破坏及获取信息量丰富等特点,正逐步成为当前城市环境研究的一个新的发展方向。本研究立足于城市重金属污染监测和源解析,以城市表土为研究对象,通过测量其岩石磁学和地球化学性质,并辅以数理分析方法,多学科交叉融合,旨在探究西北地区城市表土的磁学性质与重金属元素的内在联系,建立西北地区城市表土重金属污染的磁诊断模型,并对表土磁背景值和污染源类型差别对模型稳定性的影响进行评估；最后明确凭借不同环境下表土的磁性特征进行污染物来源解析的可行性和有效性。首先,本研究以兰州市为试点建立区域性城市表土重金属（As、Cr、Cu、 Ni、Pb、Zn、Fe）综合污染的磁诊断模型。在样品以磁铁矿为主导的前提下,当χlf>40×10-8m3 kg-1,且χfd%<3%, ，ARM/SIRM<0.21×10-3mA-1时,表土即呈现出污染状态；当40≤xlf<150×10-8m3kg-1且xfd%<5%,xARM/SIRM<0.4×10-3mA-1时,为轻度污染；当150≤x1f<365×10-8m3kg01且Xfd%<5%, xARM/SIRM< 0.4×10-3 mA-1,为中度污染；当365≤x1f750×10-8m3kg-1且χfd%<2.7%,xARM/SIRM <0.2×10-3mA-1时,为中度-重度污染的过渡；χlf≥750×10-8m3kg-1 且χfd%<2.7%, χARMm/SIRM<0.2×10-3mA-1时,为重度污染。环境磁学可以用于单一城市表土重金属污染程度的半定量评估。其次,城市表土重金属污染磁诊断模型的推广需要对磁参数与重金属元素之间关系的稳定性进行评估。第一,由于我国西北地区地理条件复杂,天然表土磁学性质存在明显差异,且主要表现为其所含强磁性矿物浓度存在显著差异,表明各城市表土通过磁学参数建立的污染诊断模型可能仅适用于小范围。通过对乌海、石嘴山、银川三个污染较轻的城市表土样品磁性特征的对比分析发现,无重金属污染表土的磁性特征均存在明显差异,表现在强磁性矿物浓度、磁晶粒径和高矫顽力矿物浓度等方面,且以强磁性矿物浓度差别最为显著。当PLI>2时,外源输入的强磁性颗粒会逐渐主导表土的磁性特征,其磁化率会显著高于背景值。当PLI<2时,外源输入的强磁性颗粒会增强表土的磁性,但并不能完全主导其磁性特征。第二,污染物来源的差异性同样对磁参数与重金属之间的关系具有重要影响。通过对工业类型较为单一的三个工矿型城市（嘉峪关、白银、金昌）表土磁性特征与重金属元素之间关系的对比研究结果发现,铜-镍矿区采矿及选矿过程中产生的粉尘颗粒污染并不会导致磁性矿物浓度显著升高,而强磁性矿物对该矿区冶炼厂、动力厂、火电厂、化工厂等工业生产过程,特别是高架点源污染产生的重金属颗粒的响应则较为敏感。此外,强磁性矿物对钢铁工业、铜-铅-锌矿区工业和交通污染过程重金属污染的响应较为敏感,并且相较之下,强磁性矿物对不同污染来源的响应敏感度的顺序为：钢铁工业>交通污染>铜-铅-锌矿区工业。可见,磁学参数对不同污染源响应的敏感度存在显著差异,污染源的差异性对不同区域的磁诊断模型的建立具有决定性的影响,只有建立环境磁学对不同污染源响应敏感度差异的磁学数据库,才能拓展磁诊断模型在大范围内的应用。再次,重金属污染的来源解析是污染防治的基础,也是城市污染研究的重要领域。基于环境磁学的污染源解析的尝试性工作可开辟一条新的快速的源解析路径。本研究首先选取城市功能区分布显著的城市一一银川市作为研究对象,进行环境磁学污染源区分的初试,继而进行大范围尝试,选取兰州、乌鲁木齐、克拉玛依、银川、石嘴山和乌海市等6个城市的表土为研究对象,综合利用多种磁学参数探讨环境磁学在西北地区不同城市表土中进行污染源区分的可行性和有效性。研究结果显示,各城市表土样品的磁性特征均由粗粒径的低矫顽力亚铁磁性矿物主导,但其磁晶体粒径和磁性矿物浓度在各城市间存在显著差别。乌鲁木齐和兰州市表土相对其他城市而言污染较为严重,并且城市的主要污染来源以工业和交通污染为主导；银川市污染主要以工业为主,同时存在一部分交通污染；克拉玛依、石嘴山和乌海市表土污染程度较轻,表土磁性特征受到城市附近戈壁沙漠的影响较大。工业污染相对交通污染而言,具有更高的磁性矿物浓度、更粗的磁晶体粒径,以及更低的SP颗粒浓度。戈壁、沙漠附近城市无污染表土的磁性特征主要表现为磁性矿物含量较低,磁晶体粒径粗,SP颗粒含量极少；而以黄土为母质的城市无污染表土主要表现为磁性矿物含量低,磁晶体粒径较细,SP颗粒含量较少。综合运用因子分析和模糊聚类分析能够有效区分和判别单一城市表土重金属来源。多类型磁参数的综合运用不仅可以用于单一城市表土污染来源的鉴别,而且可以良好的区分不同城市表土的污染来源,并且可以对不同类型的母质对城市表土重金属含量的影响进行分离。通过对西北地区不同类型城市表土重金属污染的磁响应特征分析,进一步证明了多磁学参数的综合运用不仅可以快速、有效的提供高分辨率的污染空间分布信息,用于城市环境重金属污染的快速评价和监测,而且可以对不同的污染来源进行有效区分,为城市重金属污染防治提供依据。