亚洲沙尘的整体矿物学和单粒子矿物学及其与其来源土壤的比较外文翻译资料

英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

亚洲沙尘的整体矿物学和单粒子矿物学及其与其来源土壤的比较

（发表期刊：Quaternary Science Reviews，QSR，第四纪研究综述，第27卷，1271-1287页，2008年）

Gi Young Jeong*, Stephen Hillier, Rob. Kemp

韩国安东国立大学，安东道

通讯作者：jearth@andong.ac.kr

摘要

利用高分辨扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射和化学分析等方法，对亚洲沙尘的矿物学性质进行了详细的研究，并与中国来源土壤进行了比较。亚洲沙尘颗粒的矿物学分类表明，最常见的单颗粒是粘土聚集体(48%)，这些颗粒通常与纳米方解石混合，其次是石英颗粒(22%)、斜长石颗粒(11%)、粗方解石颗粒(11%)、钾长石(5%)、白云母、绿泥石、高岭石、角闪石、石膏，部分或全部附着在粘土大小矿物颗粒上的铁和钛氧化物。亚洲沙尘中的粘土矿物主要为伊利石和层间伊利石-蒙皂石。X射线衍射分析表明，大块粉尘样品的平均矿物组成为石英(28%)、斜长石(11%)、钾长石(8%)、方解石(8%)、伊利石(19%)，层间伊利石-蒙脱石。其中绿泥石占22%、绿泥石占2%、蒙脱石占1%、高岭石占1%。在源区粉质土中，粘土矿物和纳米级土壤方解石聚集并覆盖着粉粒大小的矿物，而砂体主要由石英和长石组成，主要由石英和长石组成。内衬粘土矿物。亚洲沙尘的矿物学与黄土高原粉质土相似，但总的硅酸盐含量从沙漠沙(7%)、粉质土(23%)增加到亚洲沙尘(45%)，向东细化。亚洲沙尘的光学性质及其与大气气体和云的相互作用可能受到以下因素的影响：富含粘土的矿物组成、粘土矿物在较粗矿物和纳米方解石上的聚集和附着。

1. 导言
   [2]亚洲沙尘起源于亚洲内陆干旱地区，从中国西北部一直延伸到蒙古，向东穿越中国东部，韩国，日本，亚洲沙尘堆积在中国黄土高原、深海海底、遥远的陆地表面和极地冰原上（Chun 等，2001； Seinfeld等，2004；Sun等，2001；Uematsu等，1983；Yoon等，2006；Zdanowicz等，2006；Kukla和An，1989；Asahara等，1999；Dymond等，1974；Biscaye等1997），记录了数百万年来全球气候的变化。亚洲尘埃也有助于能量平衡。通过散射和吸收太阳辐射，吸收和发射射出长波辐射（Seinfeld等，2006），改变云凝聚核的数目（Mahowald等，2003），它与大气酸性气体相互作用（Dentener等，1996；Matsumoto等，2006；Mori等2003；Ooki等2005）。此外，亚洲沙尘还为海洋生态系统提供必要的无机营养（Bishop等，2003）。
   [3]亚洲尘埃是一种地球物质，主要由从岩石圈解体的岩石中产生的矿物组成。它在飞行过程中不断地与大气、水圈和生物圈相互作用。最近的研究表明，矿物粉尘的矿物学特征对于模拟其气候和大气作用是必不可少的，因为矿物的反应性和光学性质因物种、晶体大小、形状、结晶度、化学和混合状态而大不相同（Buseck等，1999；Claquin等，2003；Krueger等，2004；Lafon等2006；Sokolik等，1999）。这种表征可以通过对单个颗粒和块状样品进行化学和晶体学分析，然后对数据进行矿物学和地质解释。对风尘的化学性质进行了大量的研究，并在扫描电子显微镜、透射电子显微镜和同步辐射X射线源上安装了X射线能谱仪（Arimoto等2004；Kim等2006；Sun等2005；Zdanowicz等2006；Matsumoto等，2006；Okada等1990；Ro等2005；Ma等2004）。尽管对亚洲尘埃进行了大量的化学研究，但以往的许多研究提供的矿物学数据和解释有限。大量的化学分析往往忽略了矿物中的一些主要元素(如硅)，或者很少与X射线衍射(XRD)和电子显微镜结合。单个粒子已被分类，简单地分为化学类型，通常没有任何矿物学名称。
   [4]对在韩国取样的亚洲尘埃和来自中国来源地区的土壤样本进行了详细和系统的矿物学分析(图1)。本文通过与源区土壤的对比，研究了散尘和单颗粒的定量矿物学性质，并讨论了大气含意。

图1 沙尘土壤样本分布。（a）亚洲风尘源区砂和细砂样本的分布区。（b）首尔不同时间段空气动力学反向径迹分析。

2. 样品与方法
[5]在2003年、2004年和2005年的春季，韩国汉城记录了11次亚洲沙尘事件。据气象管理局，平均持续时间27小时。选取8个事件对亚洲粉尘的矿物学进行了分析。利用NOAA/ARL HYSPLIT模式（Draxler等，2003）对气团进行的反轨迹分析表明，沙尘是从蒙古和中国北方干旱地区输送来的，并在1-3d内抵达首尔(图1b通过分析中国40年来春季沙尘暴的记录，Sun等人提出了中国春季沙尘暴的研究方向。Sun等（2001）研究结果显示，所有沙尘暴都与西伯利亚冷空气爆发有关，造成蒙古气旋性低压和冷锋系统。在沙尘事件期间，PM10浓度的峰值在194至683毫克/立方米之间(图2a)，主风向为西-西北，风速为2.8至5.2米/秒。非亚洲沙尘期的PM10本底浓度为53plusmn;35 mg/m~3，平均每小时PM10浓度为53.3plusmn;35 mg/m~3。2003年为61plusmn;38 mg/m3，2004年为61plusmn;38 mg/m3，2005年为64plusmn;38 mg/m3。气溶胶粒子数浓度数据在8个尺度区间(0.3-0.5，0.5-0.82，0.82-1.35，1.35-2.23，2.23-3.67、3.67-6.06、6.06-10、10-25毫米)光学粒子计数器每小时测量一次亚洲尘埃事件发生的日期，从韩国气象局数据库中检索并转换为体积大小分布，如图2b所示。体积尺度分布表明，亚洲沙尘气溶胶颗粒主要分布在3 mm左右，在1~8 mm之间，这与Kadowaki等（2000）和Chun等（2003）的资料相一致。
[6]灰尘样本收集时间为9小时。WHATMAN 1号1441-866纤维素滤器的研制及应用WINDINGamp;Associates PM10大容量采样器流量为1.13m~3/min，安装在韩国汉城气象研究所。(37度29分37秒N，126度55分1秒E）。在过滤器上收集的尘埃样本的质量在0.2至0.5毫克/cm3之间。在干旱-半干旱源区取样的表层土壤为北部沙漠6个地区的沙土和黄土高原周边至沙漠的粉质土壤(图1a)。
[7]采用超声搅拌的方法将源区的粉质和砂质土壤分散在水中，并用马尔文Mastersizer 2000测量了它们在0.02-2000 mm范围内的粒度分布。
[8]在X射线衍射分析中，滤纸的一部分(约为5.5平方厘米)被切成小条，浸泡在10毫升玻璃瓶中的甲醇中，然后在超声波浴中处理。这些液体被蒸发后留下了几毫克的样品。样品用一滴乙二醇涂抹在玻片上。玻璃玻片干燥后，用乙二醇蒸汽在60℃下处理24h。利用配有铜靶和反射光束单色仪的Rigaku Rint 2200型衍射仪，在3~40(2q)之间进行了XRD分析。计数时间设置为每0.04(2q)个50秒。虽然用于xrd分析的粉尘样品的质量很小，但。
扫描13h，得到可解释的图形。在XRD分析后，样品被加热到300℃和500℃，并在同样的条件下重新运行。
[9]用McCrone微型磨粉机将沙和淤泥磨成5毫米大小，并用设在韩国大田韩国基础科学研究所的Bruker D8先进衍射仪进行分析。矿物成分使用BrukerTopaz软件包进行了量化。从砂土和淤泥中分离出来的粘土颗粒经过乙二醇蒸汽处理，然后分别在300℃和500℃下加热。
[10]在加拿大安大略省的激活实验室，用Thermo Jarrell ash Enviro II电感耦合等离子发射光谱仪分析了亚洲灰尘和源土壤的散装样品的化学成分。
过滤器被灰化，与偏硼酸锂/四硼酸锂熔融，随后被消化

[11]用JEOL JSM 6700F场发射枪扫描电子显微镜(FEGSEM)和JEOL JSM 6300常规扫描电子显微镜(SEM)在二次电子(SE)成像模式下对粉尘颗粒的形貌和化学成分进行了分析。两台电子显微镜均配备牛津能量色散X射线能谱仪(EDS)。为了进行形态学观察，用双面胶带将装有灰尘颗粒的滤纸附着在玻璃玻片上。通过敲击玻璃玻片，让尘埃颗粒自由落在铜头上的导电碳带上，然后涂上金。在高分辨率FEGSEM成像中，粉尘颗粒从过滤器上转移到碳带上是不可避免的，以避免由于过滤器的疏松和多孔结构而导致的电子充电问题。用扫描电子显微镜(SEM)对过滤器上的粉尘颗粒和碳带上的粉尘颗粒的扫描电镜图像进行了比较。过滤后的单个粉尘颗粒的微观特征与碳带上转移后的无明显不同。为了进行定量的矿物学分析，通过测量颗粒的长弦，从SEM图像(500)中分析了一大组单个粉尘颗粒(gt;；300/样品)。

[12]最初的粉质土壤块和砂土的松散集合体用环氧树脂浸渍，并制成抛光薄片（Jeong和Kim，1993）采用JEOL-JSM-6300扫描电镜，在镀碳后的背散射电子(BSE)成像模式下，对薄片中矿物的形貌和化学成分进行了分析。
[13]利用配备了Oxford EDS分析仪的JEOL 2010透射电子显微镜(TEM)分析了亚洲沙尘和源土壤的亚微米粘土矿物的形态和化学。用超声波搅拌将滤膜和土壤上的粘土矿物分散在甲醇中，并将其负载在Lacey Formvar碳的微格栅上。在薄膜条件下，用计算的k因子对粘土矿物的化学组成进行了定量（Cliff等，1975）。

图2 气溶胶浓度与亚洲风尘源区土壤的颗粒大小 （a）首尔三次沙尘暴期间持续风速模式、平均风速模式下每小时观测PM10浓度变化（b）亚洲风尘的各粒径体积占比（c）源区砂和细砂颗粒的粒径分布

3 数据结果

• 1. 源土壤

1. 用XRD测定的土壤矿物组成见表1。砂土主要由石英、斜长石、钾长石和少量叶状硅酸盐组成。除含2%方解石的B砂土外，大部分砂土中均未检测到方解石。与砂质土相比，粉质土富含方解石和层状硅酸盐。在淤泥中还检测到少量的角闪石、白云岩和石膏。与砂土相比，粉质土的Al2O3、Fe_2O_3、MgO、TiO_2和CaO含量较高，SiO_2含量较低(表2)，这与粘土矿物和碳酸盐含量有关。粉质土的平均化学成分接近黄土。
   [15]薄片的BSE图像显示，沙土由圆形沙粒组成，含有细小的亚角粉粒、矿物和岩石碎片(图3a)。除B砂土外，大部分砂土中均未发现碎屑方解石颗粒，这与XRD值一致。在砂质土壤中，方解石不是主要矿物。在疯牛病中很难检测到粘土材料。
   沙土的薄片图像。然而，FEGSEM图像显示了包裹沙粒表面的不规则的粘土矿物薄层(图3b和3c)，根据XRD数据，这些矿物被鉴定为蒙皂石、伊利石、绿泥石和高岭石。
   [16]在薄片的BSE图像中，粉质土壤由矿物和粉砂至细砂大小的岩石碎片和粘土矿物组成(图4a)。粉砂和细砂的EDS分析鉴定出石英、钾长石、斜长石、方解石、角闪石、黑云母、白云母、绿泥石和绿帘石。粘土矿物颗粒聚集在一起，覆盖在淤泥和细砂颗粒的表面，或形成它们自己的集合体(图4b中的嵌入物)。SE图像显示厚厚的粘土矿物覆盖着不规则的板状形状。
   对粉砂颗粒(图4c和4d)和纳米级方解石颗粒(图4e)。从粉质土壤中分离出的粘土进行了XRD和TEM分析，鉴定出伊利石、绿泥石、高岭石和蒙脱石。
   [17]粉土和砂土的粒度分布如图2c所示。砂土的粒径范围较窄，在200 mm左右；粉质土的粒径范围较宽，为0.3~600 mm，最大值在20 mm左右。然而，即使在沙土中，在4 mm左右也有一个小的辅助峰。
   在20毫米以下。图2c中63 mm以下的土壤的总体积分数为：B粉土85%，C粉土76%，C粉土10%。在C砂中为11%，在F砂中为11%。

表1. 源区土壤砂与细砂的矿物成分

图3 源区沙漠砂的扫描电镜图像. (a)扫描电镜背散射图像（b）低放大倍数条件下圆形砂质颗粒形态（c）高放大倍数下砂质颗粒表面覆盖粘土矿物的二次电子图像

[18] 3.2.1单个颗粒的矿物学（图 5）和形态学分析（图 6 和图 7）的组合允许单个尘埃粒子的矿物学组成的识别。最常见的尘埃颗粒是粘土集合体（图 6b、C6e 和 7b、C7d），根据单颗粒粘土矿物的广泛 XRD、SEM-EDS（图 5）和 TEM-EDS 分析（见第 3.3 节），解释为伊利石和层间伊利石-蒙脱石的亚微米粘土矿物与少量绿泥石、高岭石和蒙脱石的混合物。图 5c 所示的最上部 EDS 模式是常见粘土集合体的典型，其中 K 和 Ca 分别存在于伊利石和蒙脱石的夹层中，而以下两种模式则是粘土和纳米尺度方解石以不同比例混合而成的集合体的代表。一些粘土集合体（图 6e）可通过致密集合体与白云母区分，并通过伊利石的 EDS 模式与更常见的粘土集合体区分（图 5b）。纳米方解石颗粒通常与粘土聚集体相关，大多以纳米纤维的形式存在（图 6b C6d、6i、7b 和 7h）Jeong 和 Chun，2006。一些粘土集合体与氧化铁（图 5c）、氧化钛（图 5c）、石膏（图 5c 和 7c C7e）和石盐（图 5c 和 7d）有关。

图4 源区细砂土壤的电子图像. (a)扫描电镜背散射图像（b）局部放大之后的背散射图像（c）细砂颗粒表面覆盖其他细颗粒矿物（d）片状粘土矿物作为颗粒表面覆盖包裹物（e）纳米棒状方解石

[19]粘土矿物通常与纳米纤维方解石颗粒一起附着在较粗的石

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[21089]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word