从磁学的观点，一切物质皆具磁性，总体上可将物质分为铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性、抗磁性五种基本类型。环境物质(如土壤、沉积物)是由不同磁性质的矿物、有机质等组成，环境系统中的自然物质所表现出的磁性特征，与其所含的磁性矿物类型、含量和晶粒特征等有关，在一定程度上反映了物质来源、搬运过程、成土作用、成岩作用、人类活动等综合信息。环境磁学即是一门以磁性测量为核心手段，磁性矿物为载体，通过分析物质的磁性矿物组合和特征，以揭示不同时空尺度的环境作用、环境过程和环境问题的边缘学科。

环境磁学的研究领域及其特点

环境磁学的研究可追溯到1967年对北爱尔兰Neagh湖泊沉积物的研究。为了了解该湖泊的富营养化成因，在14C测年手段不能成功应用的情况下，科学家开始尝试古地磁学方法。环境磁学的创始人之一罗伊 · 汤普森(Roy Thompson)在从事其博士论文的研究工作中发现，湖泊中不同样芯磁化率的垂向变化具有相似性，经过大量的研究工作，认为来自流域侵蚀的钛磁铁矿是控制湖泊沉积物磁化率高低变化的原因，这一研究成为环境磁学的开端。汤普森和利物浦大学地理系弗兰克 · 奥德菲尔德(Frank Oldfield)教授的合作，有力地推动了该学科的发展。

1980年汤普森等人发表于《Science》的“Environmental applications of magnetic measurements"一文，列举了磁性测量方法在湖沼学、水文学、地貌学、地球物理学等领域有关环境问题研究中的应用，可谓对环境磁学的一种注释。尽管其历史不长，它的发展却异常迅速。迄今为止，环境磁学的研究对象涵盖了地球岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈中的岩石、土壤、沉积物、悬浮泥沙、飘尘、降尘等物质，在样芯对比、物质来源鉴别、泥沙运移示踪、流域生态环境演替、古气候和古环境研究、土壤发生学、环境污染、油气勘探、古地磁学等领域得到了广泛应用。某些参数，如磁化率，已被视为全球变化研究的重要指标。

天然的环境物质中铁磁性物质(如铁)极为少见，可不予考虑，尽管顺磁性和抗磁性物质如石英、长石等)是土壤或沉积物中占绝对优势的组分，而亚铁磁性矿物(如磁铁矿，Fe3O4)通常含量<<1%，但由于前者磁性远较亚铁磁性物质为低，故环境物质的磁性特征一般由亚铁磁性矿物所主导，也即狭义上的磁性矿物。不完整反铁磁性物质如赤铁矿、针铁矿)的磁化率尽管很低，与顺磁性物质相当，但却能携带剩磁，与亚铁磁性矿物一起构成了环境磁学关注的主要对象。这两类物质，主要由铁的氧化物、硫化物及其同晶替代系列构成。

由于铁是地壳丰度第四的元素，磁性矿物构成了环境物质的常见组分，意味着环境中几乎所有的物质都可以从磁性的角度加以研究。磁性矿物虽然普遍存在，但通常含量极低<<1%)，用常规地球化学或矿物分析手段(如XRD)难以鉴别，但一些先进的磁学仪器却能够较为容易地加以检测。此外，磁性测量方法快速、简便、经济，样品一般无须预处理，许多磁参数测量可在几秒至几分钟内完成。室温及低温磁性测量对样品不具破坏性，不影响后继分析。某些磁参数(如磁化率)，由于便携式仪器的研制，在野外就可以进行测量。这一特点，对快速获取大范围、高分辨率的环境信息尤具吸引力。

环境磁学研究的若干进展

磁性矿物的生物矿化

自弗兰克 · 布莱克莫尔(Frankel Blakemore)于1975年在美国马萨诸塞州的Woods Hole沉积物中发现了趋磁细菌(Magnetotactic Bacteria)以来，磁性矿物的生物矿化引起了极大的关注。二十余年以来，在海洋、湖泊、河口、黄土等不同类型的环境中，近至现代、远至寒武纪的不同地质年代地层中，都有微生物合成的磁性矿物的报道。最近，对采自南极洲的火星陨石ALH84001矿物学研究，有人认为其中的磁铁矿类似于地球上细菌合成的磁铁矿，并将之视为火星上存在生命的重要证据。尽管这一论点引起了激烈的争议，但有关磁性矿物的生物矿化研究正愈益深入。

磁性矿物的生物矿化存在两种类型：生物诱导矿化(Biological Induced Mineralizaton，BIM)和生物控制矿化(Biological Controlled Mineralization，BCM)。生物诱导矿化是一些异氧铁还原菌(如Geobacter metallireducens，Shewanella putrefaciens)、硫酸盐还原菌(如Desulfuromonas acetoxidans，D. Palmitatis，Pelobacter carbinolicus)新陈代谢活动的产物与环境中的物质反应，如在细菌体外形成的矿物颗粒，结晶较差，晶粒大小变化幅度大，无特定形状，与无机化学反应形成的矿物很难区分。

生物控制矿化意味着微生物对矿物的生成具有很大的控制作用，趋磁细菌合成的磁小体(magnetosome)即属于这一类型(图1，2)。磁小体具有如下特点：(1)矿物成分主要为磁铁矿和胶黄铁矿(Fe3S4)，此外也有黄铁矿(FeS2)，基本不含其他杂质；(2)相似大小的磁小体在细菌体内成链状(单链或多链)排列，一般是同一矿物，但也有在一个细菌体内Fe3S4与FeS2、Fe3O4与Fe3S4同时存在的报道；(3)在透射电镜下观察到的磁小体有以下形状：正方形、长方形、菱形、六边形和子弹头形，分别对应截面的立方—八面体、六边棱柱体和子弹头形三种基本结构；(4)磁小体大小为30~120nm，属于单畴；(5)磁小体外面包裹有一层膜。排列成链的磁小体形成永久磁矩，使得趋磁细菌沿地磁场方向排列和移动，可以使得细菌处于最佳的氧浓度范围内。为了解细菌合成磁性矿物的过程，不少研究者对趋磁细菌进行了生态学、生理学、分子生物学的研究，第一个分离培养的趋磁细菌是淡水菌Magnetospirillum magnetotacticum，随后有Magnetospirillum AMB-1，M. gryphisnaldense，海洋弧菌MV-1等。趋磁细菌呈革兰氏阴性，其形状包括球状、弧状、杆状、螺旋状等，一般为微好氧菌或厌氧菌，分布在氧化-还原带界面，可以是水-沉积物界面附近，也可以出现在水体中。

图1 趋磁细菌MV-1, 可见细菌体内排列成链的纳米粒级的磁铁矿

图2 趋磁细菌MV-1合成的磁铁矿，大小为60×35 nm

有关磁小体的生物矿化机理，目前还不是很清晰，一些实验室正在通过基因组学等手段，来揭示磁小体的形成过程，认识磁小体膜的功能。

现代环境污染研究

人类活动释放出的污染物质中，往往含有磁性颗粒。如化石燃料(如煤)高温燃烧过程中，可以生成球形的磁性颗粒，一旦释放到环境中，会造成大气飘尘、降尘和土壤中磁性明显增强。不少研究揭示出发电厂附近土壤、钢铁厂污水排放口附近的沉积物中，磁性矿物含量明显升高。在欧洲，一些研究则利用高位沼泽及湖泊沉积物来反映工业化以来的大气污染历史。

对英国、芬兰不同地区高位沼泽的磁性测量研究表明，接近大工业城市的沼泽，其表层磁性要强于小工业城市及乡村地区，沼泽剖面向表层的磁性增强与19世纪以来工业化革命历史相吻合。工业活动中，通过表面吸附或进入磁性颗粒晶格内的重金属元素伴随着磁性颗粒在环境中释放、迁移和累积，因之，磁性的强弱指示了重金属元素含量的高低变化。

对苏格兰西南部Loch Dee湖的一项研究揭示，沉积物磁性特征的变化与重金属元素及1820年以来欧洲燃煤量变化曲线有很好的对应关系，磁化率与Cu、Zn、Pb等元素高度相关。此外，在钢铁厂污水排放口附近的悬浮物和沉积物中，也可以发现磁性的强弱变化随远离排污口距离增加而下降。不少研究注意到，磁性参数与重金属、放射性核素存在密切的相关性，显示了磁性参数作为污染物指示的潜在价值，并成为当前环境磁学发展的重要方向之一。

沉积物磁性记录与高分辨率古气候研究

黄土、湖泊或海洋沉积物的磁性矿物的变化，往往反映了沉积物物源、搬运营力、成土作用等变化，而这些变化很大程度上是受气候变化驱动的，因而具有气候变化的指示意义。近年来，磁学研究在高分辨率的古气候、古环境重建中发挥了重要作用。以黄土为例，20世纪80年代，研究者发现我国黄土高原的黄土-古土壤序列的磁化率变化特征可与赤道太平洋深海沉积物2.0 Ma以来氧同位素曲线进行很好的对比，由此表明，黄土-古土壤磁化率与古气候波动有着显著关联，可作为指示古气候变化的一个指标。对于黄土-古土壤磁化率的差异，尽管原因比较复杂，但古土壤成土过程中生成的细晶粒磁性矿物导致古土壤磁性增强的观点，已被广泛认可。此外，运用磁学手段进行深海沉积物中的大陆风尘物质的信息提取，也引起不少关注。对沉积物中火山事件的鉴别，环境磁学也是有效手段之一。

结 语

除以上所述示例外，环境磁学还在铁的氧化还原循环、油气勘探、地层对比等领域发挥着重要的作用。环境磁学的发展历程，显示了学科交叉的生命力。可以预见，地球科学和磁学、微生物学、地球化学的结合，将是未来环境磁学发展的动力。而环境磁学的发展，如趋磁细菌合成磁小体的深入研究，也可以为生物技术、新材料技术的发展提供借鉴作用。