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【摘要】对焦作市区代表地段河南理工大学大气沉降颗粒利用X-ray衍射技术并结合矿物学和化学方法研究大气沉降颗粒样本中矿物成分及存在规律。结合焦作市区的自然地理、大气环境及大气污染等影响因素综合分析得出结论：大气沉降颗粒的赋存形式、迁移演化机理、与城市各类污染的相关关系等均呈现出一定的规律性，反映了大气沉降颗粒在城市中不同位置的变化情况，为城市处理大气污染问题提供参考，对研究城市中大气环境的整体状况具有一定的指导意义。
【关键词】大气沉降颗粒；大气污染；衍射；矿物学分析
大气污染问题严重影响着人民群众的身体健康和环境的可协调发展。通过对焦作市代表区河南理工大学校区内的大气沉降颗粒进行的矿物学分析研究,了解研究区内大气沉降颗粒的物质组成、有害元素含量及其赋存形式、迁移演化机理、与城市各类污染的相关关系，研究对人体产生较大危害的细粒物质来源和体积分数, 分析城市不同功能区颗粒物的可能来源和空气动力学特征, 为评价焦作市大气环境的整体状况提供资料和参考。
图1 焦作市区区划及采样点位置图
焦作市位于河南省西北部，属于暖温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温14.9℃, 年平均降水量为603～713mm，年平均蒸发量为2039mm。河南理工大学分南北两个校区，南校区位于焦作市高新区，校区污染源少，车流量小，空气质量较市区优良。北校区（老校区）即河南理工万方科技学院位于焦作市市中心空气质量较差，在这两地对大气沉降颗粒进行取样研究在地域上具有良好的代表性。
1.研究区大气污染特征
研究区以可吸入颗粒物污染的煤烟型污染为主要特征。大气污染物主要以SO2、TSP、降尘为主，烟尘年平均排放量为4.6583万吨,SO2平均排放量约为7.68万吨。同时机动车排气污染对焦作大气状况的影响日益严重，SO2、CO2、碳氢化合物、可吸入颗粒物、氮氧化物等有害物质和温室气体的排放量呈上升趋势。
2.大气沉降颗粒矿物学分析讨论
2.1取样情况
在样品采集过程中，本着使大气沉降颗粒样本少受风力、风向、温度、地面粉尘不良因素影响的原则，取样地点选择在河南理工大学南、北校区内离地面高度约20米处，采样时尽量避开直接污染源(如工业污染、民用燃煤、油漆等)， 24h连续采样，采样同时记录每天的气温、气湿、气压、风向、风力等天气状况。由于大气沉降颗粒物混合较均匀，在校区内设置多个收集点意义不大。经过收集和处理最后得到新校区大气沉降颗粒样本DQ-1和老校区大气沉降颗粒样本HC-1，作为分析样本。
2.2大气沉降颗粒特征及衍射分析
基本原理是运用特定波长特定入射角度的X射线与晶体晶面间距满足布拉格条件产生衍射，形成衍射花样（实际就是对应的倒易点阵）每种矿物都对应一套X 射线谱图,根据X 衍射图给出的d 值,查询JCPDS 标准卡片,可以准确地鉴定出矿物.根据不同矿物的衍射强度的大小,可以半定量地计算出它们的含量。
Gypsum - 石膏；Quartz - 石英；Calcite - 方解石氯
Gypsum - 石膏；Quartz - 石英；
Calcite - 方解石氯；Sal-ammoniac - 化钠（岩盐）
对两大气沉降颗粒进行衍射实验得到数据，最后通过分类整理得出样本中的矿物种类和含量综合表。
3.分析结果与讨论
通过对样品的X衍射实验分析可知,研究区内大气沉降颗粒物的矿物组成以石英和方解石为主，且在大气颗粒样本中含量较大，说明这两种矿物在焦作的大气中长期存在且在含量较大。河南理工大学北校区位于城区中心，附近工业设施密集，交通流量较大，污染物排放密集，是历年来焦作市市区大气污染的主要来源地之一。而河南理工大学新校区则位于焦作市南部的高新区，附近工业设施较少，车流量也不大，相对与老校区环境相对较好, 工业污染源较少。
比较两个样本中的石英含量，可以看出石英在两个颗粒物样本中含量都占主要地位，且在整个研究区分布比较均匀。石英是高温下稳定的硅酸盐矿物，其可以来自地表扬尘，也可以源自工业烟尘、粉尘。但从各种工业使用原料（如原煤）的矿物组成来看，石英的含量一般较少，因而样本中的石英来源于地面扬尘的可能性比较大，当然也不排除来源于工业排放的可能。
方解石做为碳酸盐矿物的代表，具有着碳酸盐矿物共有的特性，从其本次实验样本含量的多寡和两个取样地的地理位置可以看出，方解石矿物同样在焦作大气中存在，且从来源上说可能是来子于地面扬尘或者城市建筑物。
石膏在空间分布上主要位于老校区的试样中，其存在特征与焦作市工业布局有一定的相似性，研究了大气中硫酸铵和矿物颗粒在凝聚过程中的化学反应, 在23 ℃和70%的湿度条件下分析碳酸钙和硫酸铵, 发现一天后形成铵石膏, 七天后形成云母。结果表明碳酸钙和硫酸铵发生了化学反应。
以上三个化学反应与温度和湿度有关，当湿度小于80%时发生反应当湿度到达80%时发生反应，焦作年平均温度为14.9℃，在夏季城市空气湿度较高时发生以上反应的几率较大，此次实验的取样工作是在夏季进行，可以推断样本DQ-1中石膏可能是在此反应中产生。在本次可以得出焦作市市区的大气沉降颗粒主要来源于工业烟尘，少数来源于地面扬尘。
另外，样本中除存在以上矿物外同时存在碳酸盐、硫酸盐、硫化物、铁的氧化物以及难以鉴定的矿物；相比来说，在焦作市河南理工大学新校区的大气颗粒样品中,矿物的种类有所减少,但是却有新的物种出现,如NH4Cl、岩盐等,表明焦作的大气中存在强烈的大气化学反应。
4.结语
(1)焦作市市区的大气沉降颗粒主要有石英、方解石、岩盐、石膏、等矿物组成，其中石英含量较高。矿物的性质特征和大气颗粒沉降样本中矿物组成的空间分布特征显示出此次研究中大气沉降颗粒为地面扬尘和城市工业烟尘的混合物。
(2)在大气沉降颗粒的物质组成及矿物含量特征分析表明，沉降颗粒的赋存形式、迁移演化机理、与城市各类污染的相关关系等均呈现出一定的规律性，反映了大气沉降颗粒在城市中不同位置的变化情况，为城市处理大气污染问题提供参考，对研究城市中大气环境的整体状况具有一定的指导意义。 [科]
【参考文献】
［1］李勉,韩广,李占斌.焦作市区大气污染状况与防治措施[J].干旱环境监测,2002,16（1）：26-28.
［2］王海邻,胡斌等.焦作市工业燃煤量与大气SO2污染关系模型研究[J].环境工程, 2005, 23（2）:64-66.
［3］吕森林,邵龙义.北京PM10 中单个矿物颗粒的研究[J].岩石矿物学杂志, 2003,22（4）:421-424.
［4］王玮,张晶,汤大钢.可吸入颗粒物(IP)源解析[R].北京:中国环境科學研究院,1999.
［5］施泽明,倪师军,张成江.成都市近地表大气尘的矿物学特征及其环境指示意义[J].岩石矿物学杂志，2006（26）：117-120.
［6］Ikuko M N ishikawa M Iwasaka Y Chemical reaction during the coagulation of ammonium sulphate and mineral particles in the atmosphere[J].The Science of the Total Environment,1998 224: 87-91.
［7］张森林,李新新,郑继东,胡斌.焦作市 PM10污染状况及相关气象条件分析[J].河南理工大学学报,2007（10）：594-597.
［8］方元元,胡斌,李东艳.焦作矿区土壤重金属污染分析[D].焦作:河南理工大学,2004.
【关键词】大气沉降颗粒；大气污染；衍射；矿物学分析
大气污染问题严重影响着人民群众的身体健康和环境的可协调发展。通过对焦作市代表区河南理工大学校区内的大气沉降颗粒进行的矿物学分析研究,了解研究区内大气沉降颗粒的物质组成、有害元素含量及其赋存形式、迁移演化机理、与城市各类污染的相关关系，研究对人体产生较大危害的细粒物质来源和体积分数, 分析城市不同功能区颗粒物的可能来源和空气动力学特征, 为评价焦作市大气环境的整体状况提供资料和参考。
图1 焦作市区区划及采样点位置图
焦作市位于河南省西北部，属于暖温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温14.9℃, 年平均降水量为603～713mm，年平均蒸发量为2039mm。河南理工大学分南北两个校区，南校区位于焦作市高新区，校区污染源少，车流量小，空气质量较市区优良。北校区（老校区）即河南理工万方科技学院位于焦作市市中心空气质量较差，在这两地对大气沉降颗粒进行取样研究在地域上具有良好的代表性。
1.研究区大气污染特征
研究区以可吸入颗粒物污染的煤烟型污染为主要特征。大气污染物主要以SO2、TSP、降尘为主，烟尘年平均排放量为4.6583万吨,SO2平均排放量约为7.68万吨。同时机动车排气污染对焦作大气状况的影响日益严重，SO2、CO2、碳氢化合物、可吸入颗粒物、氮氧化物等有害物质和温室气体的排放量呈上升趋势。
2.大气沉降颗粒矿物学分析讨论
2.1取样情况
在样品采集过程中，本着使大气沉降颗粒样本少受风力、风向、温度、地面粉尘不良因素影响的原则，取样地点选择在河南理工大学南、北校区内离地面高度约20米处，采样时尽量避开直接污染源(如工业污染、民用燃煤、油漆等)， 24h连续采样，采样同时记录每天的气温、气湿、气压、风向、风力等天气状况。由于大气沉降颗粒物混合较均匀，在校区内设置多个收集点意义不大。经过收集和处理最后得到新校区大气沉降颗粒样本DQ-1和老校区大气沉降颗粒样本HC-1，作为分析样本。
2.2大气沉降颗粒特征及衍射分析
基本原理是运用特定波长特定入射角度的X射线与晶体晶面间距满足布拉格条件产生衍射，形成衍射花样（实际就是对应的倒易点阵）每种矿物都对应一套X 射线谱图,根据X 衍射图给出的d 值,查询JCPDS 标准卡片,可以准确地鉴定出矿物.根据不同矿物的衍射强度的大小,可以半定量地计算出它们的含量。
Gypsum - 石膏；Quartz - 石英；Calcite - 方解石氯
Gypsum - 石膏；Quartz - 石英；
Calcite - 方解石氯；Sal-ammoniac - 化钠（岩盐）
对两大气沉降颗粒进行衍射实验得到数据，最后通过分类整理得出样本中的矿物种类和含量综合表。
3.分析结果与讨论
通过对样品的X衍射实验分析可知,研究区内大气沉降颗粒物的矿物组成以石英和方解石为主，且在大气颗粒样本中含量较大，说明这两种矿物在焦作的大气中长期存在且在含量较大。河南理工大学北校区位于城区中心，附近工业设施密集，交通流量较大，污染物排放密集，是历年来焦作市市区大气污染的主要来源地之一。而河南理工大学新校区则位于焦作市南部的高新区，附近工业设施较少，车流量也不大，相对与老校区环境相对较好, 工业污染源较少。
比较两个样本中的石英含量，可以看出石英在两个颗粒物样本中含量都占主要地位，且在整个研究区分布比较均匀。石英是高温下稳定的硅酸盐矿物，其可以来自地表扬尘，也可以源自工业烟尘、粉尘。但从各种工业使用原料（如原煤）的矿物组成来看，石英的含量一般较少，因而样本中的石英来源于地面扬尘的可能性比较大，当然也不排除来源于工业排放的可能。
方解石做为碳酸盐矿物的代表，具有着碳酸盐矿物共有的特性，从其本次实验样本含量的多寡和两个取样地的地理位置可以看出，方解石矿物同样在焦作大气中存在，且从来源上说可能是来子于地面扬尘或者城市建筑物。
石膏在空间分布上主要位于老校区的试样中，其存在特征与焦作市工业布局有一定的相似性，研究了大气中硫酸铵和矿物颗粒在凝聚过程中的化学反应, 在23 ℃和70%的湿度条件下分析碳酸钙和硫酸铵, 发现一天后形成铵石膏, 七天后形成云母。结果表明碳酸钙和硫酸铵发生了化学反应。
以上三个化学反应与温度和湿度有关，当湿度小于80%时发生反应当湿度到达80%时发生反应，焦作年平均温度为14.9℃，在夏季城市空气湿度较高时发生以上反应的几率较大，此次实验的取样工作是在夏季进行，可以推断样本DQ-1中石膏可能是在此反应中产生。在本次可以得出焦作市市区的大气沉降颗粒主要来源于工业烟尘，少数来源于地面扬尘。
另外，样本中除存在以上矿物外同时存在碳酸盐、硫酸盐、硫化物、铁的氧化物以及难以鉴定的矿物；相比来说，在焦作市河南理工大学新校区的大气颗粒样品中,矿物的种类有所减少,但是却有新的物种出现,如NH4Cl、岩盐等,表明焦作的大气中存在强烈的大气化学反应。
4.结语
(1)焦作市市区的大气沉降颗粒主要有石英、方解石、岩盐、石膏、等矿物组成，其中石英含量较高。矿物的性质特征和大气颗粒沉降样本中矿物组成的空间分布特征显示出此次研究中大气沉降颗粒为地面扬尘和城市工业烟尘的混合物。
(2)在大气沉降颗粒的物质组成及矿物含量特征分析表明，沉降颗粒的赋存形式、迁移演化机理、与城市各类污染的相关关系等均呈现出一定的规律性，反映了大气沉降颗粒在城市中不同位置的变化情况，为城市处理大气污染问题提供参考，对研究城市中大气环境的整体状况具有一定的指导意义。 [科]
【参考文献】
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［5］施泽明,倪师军,张成江.成都市近地表大气尘的矿物学特征及其环境指示意义[J].岩石矿物学杂志，2006（26）：117-120.
［6］Ikuko M N ishikawa M Iwasaka Y Chemical reaction during the coagulation of ammonium sulphate and mineral particles in the atmosphere[J].The Science of the Total Environment,1998 224: 87-91.
［7］张森林,李新新,郑继东,胡斌.焦作市 PM10污染状况及相关气象条件分析[J].河南理工大学学报,2007（10）：594-597.
［8］方元元,胡斌,李东艳.焦作矿区土壤重金属污染分析[D].焦作:河南理工大学,2004.