作为大气气溶胶的主要成分之一，粉尘气溶胶因其对气候系统、全球生物地球化学循环、 水循环、能量循环产生的影响作用而受到越来越多的关注(Yumimoto et al., 2010)。进入大气中的粉尘可随大气环流进行长距离传输(Prospero，1999；Uno et al., 2001，2009)，同时它通过对太阳短波辐射、地面长波辐射的散射和吸收改变地区的辐射状况，其对辐射能量的消光作用取决于气溶胶粒子的形状大小、矿物组成、垂直分布等诸多因素(Sokolik and Toon， 1996；Tegen et al., 1996)。因此，了解大气中粉尘气溶胶的物理、化学特征是非常有必要的。

近年来，全球已有许多地区开始了粉尘气溶胶的浓度、环境矿物学研究，并获得了许多有益的成果(汪安璞等，1996；陈天虎和徐慧芳，2003；施泽明等，2006；刘彦飞等，2010；张学磊等，2011)。然而，关于南极地区大气粉尘气溶胶的物理、化学特征的研究还较少(任贾文等，2004；Pereira et al., 2004)。南极地区是大尺度大气环流的沉降区，是各种大气携带物质的沉积汇区。可以通过对南极大陆冰盖表层雪中的微粒的形貌、化学组成的分析，研究它们从南极冰盖边缘到内陆的空间变化特征。另外，结合沉降区的地理、大气环流特征，研究其区域分异，探索不同区域物质来源，可以为进一步研究由雪冰地球化学指标反演的气候环境变化过程奠定基础。

为了增强对表层雪样品中不溶微粒的物理和化学特性的认识，2009/2010年南极内陆考察时，在南极中山站-冰穹A 断面采集表层雪样以供研究。研究的目的在于通过应用电子显微镜与X射线能谱仪联用系统(SEM-EDX)获取断面不同地区表层雪中不溶微粒单颗粒的形貌、化学组成的空间变化特征，并初步探讨其空间分布的原因。

2009/2010年南极夏季，中国第26次南极考察队从位于东南极洲的中国南极中山站(69°25′S，76°21′E)出发，大致沿77°E经线深入内陆冰盖1200余km(图 1)，到达冰穹A 地区(80°22′S，77°21′E，海拔4093 m，距离海岸线1228 km)。 沿途每12 km间隔采集一个表层雪样品(10 cm 深度)，共采样110个。为防止污染，使用洁净处理的不锈钢、有机玻璃采样工具和低密度聚乙烯采样瓶。使用前，用洁净塑料密实袋包装。采样时，穿洁净服，戴一次性防尘口罩、 一次性洁净手套操作。采集的表层雪样品用专用保温箱密封，-15℃冷冻带回实验室分析。

图 1

图 1 中国南极科学考察内陆考察路线示意图 Fig. 1 Map of the traverse area and sampling site location

从110个表层雪样品中选取5个(M3，M5，M27，M28，M52)在室温下融化，并采用孔径为0.22 μm的聚碳酸酯滤膜(Merck Millipore公司生产)过滤样品。理论上，只有粒径大于0.22 μm(220 nm)的颗粒被收集到滤膜之上以待进一步分析。5个表层雪样的具体采集信息见表 1。所有样品的过滤工作均在位于中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室的1000级超净实验室里完成。

表 1

表 1 表层雪样的野外采集记录 Table 1 Summary of the sampling location, time and elevation at each site 样品编号 采样日期 纬度(S) 经度(E) 海拔/m M3 2009.12.20 69.97 76.51 1123 M5 2009.12.20 70.16 76.62 1321 M27 2009.12.26 73.37 77.01 2563 M28 2009.12.26 73.62 76.96 2605 M52 2010.01.27 79.45 77.10 3882

表 1 表层雪样的野外采集记录 Table 1 Summary of the sampling location, time and elevation at each site

聚碳酸酯滤膜非常适合于SEM观测，由于其表面光滑且质地均匀，这使得它比其他类型滤膜更容易辨别单颗粒(Zamengo et al., 2009)。首先，在100级超净工作台上，从直径为47 mm的滤膜中间剪下一块10 mm×20 mm的矩形，将其用双面胶粘在玻璃片上。然后，对样品进行喷金处理。JEOL JSM-6490LV扫描电子显微镜与X 射线能谱仪联用系统被用于人工单颗粒样品分析，工作条件为：加速电压20 kV，束斑直径50 nm，工作距离10 mm。经过喷金的样品，转移到仪器的载物台上，将视野调到需要观察的区域。在视野中随机选定一个单颗粒，放大到合适倍数(900×～27000×)，调节焦距使之最清晰，利用SEM拍照，得到该单颗粒的微观形貌图像。仪器采用Oxford INCA Energy 软件进行单颗粒的定量分析，并得到单颗粒的X射线能量色散谱和成分分析结果。所有不溶微粒的SEM-EDX分析均在南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室进行。获取的扫描电子显微镜图像通过图像处理和分析软件Image-Pro Plus 6.0(Media Cybernetics，Inc. USA)作进一步分析。通过手工描绘扫描电子显微镜图像上的所有单颗粒，并由软件自动完成其各种形貌参数的后续测试。测试数据被输入到Microsoft Excel中作进一步处理。最终，总计255个单微粒通过手动形貌测量来研究表层雪中颗粒的粒径分布和形态特征。

图 2给出了南极中山站-冰穹A断面表层雪样中几种典型单颗粒的形貌图及能量色散谱。其中，大多单颗粒具有显著的不规则形貌，粒径范围1.7～35.5 μm。图 2a～2c中的颗粒物(粒径分别为17.6 μm、6.9 μm、12.3 μm)均呈不规则形貌，其中图 2a中的颗粒物边缘曲折、表面粗糙，图 2b中的颗粒物边缘光滑、表面平整，图 2c中的颗粒物则棱角分明。这类形状不规则的颗粒物(图 2a～2c)在所有不溶微粒单颗粒中所占比例超过90%。图 2d中的颗粒物(粒径为5.3 μm)为方形，在所有不溶微粒单颗粒中占比很小。结合图 2a～2d的X 射线能量色散谱，可以发现这些形状不规则或呈方形的单颗粒主要为富含Si、Al，含有相对少量的Ca、Fe、Na、Mg 等元素的矿物颗粒，可能是石英、铝硅酸盐等。图 2e和2f中的颗粒物(粒径分别为8.4 μm、7.1 μm)呈椭圆形，结合其对应的X射线能量色散谱可知，2个颗粒的主要元素成分为Ca，可能是石灰石等矿物颗粒。图 2g和2h中的颗粒物(粒径分别为4.9 μm、6.9 μm)分别为圆形和长条形，在所有不溶微粒单颗粒中也存在很少，但未发现有明显的化学组成规律，因而没有附上这2个颗粒物的X射线能量色散谱。

图 2

图 2 单个颗粒物的形貌及能谱图特征 Fig. 2 Morphologies and EDX spectral features of individual mineral particles

为探讨南极中山站-冰穹A断面不同海拔地区表层雪样中不溶微粒单颗粒的形貌类型变化规律，笔者计算了不同海拔地区不同形貌的单颗粒数占总颗粒数的比例(表 2)。结果显示，无论是在低海拔区、中海拔区还是高海拔区，形状不规则的单颗粒都占绝对优势，但随着海拔的升高，不规则的单颗粒所占比例有下降趋势。这可能是因为由海向陆输运的存在，海拔越高的地区，微粒输运的距离越远，而输运距离越远，风化磨圆就越明显，因而表现出海拔越高的地区磨圆度差的不规则微粒越少。另外，方形、椭圆、圆形和长条形的颗粒在所有不溶微粒单颗粒中占比很小，本文不作过多讨论。

表 2

表 2 不同海拔区表层雪样中不溶微粒单颗粒形貌类型统计 Table 2 Individual particle characterization of insoluble particles in surface snow collected from different elevations 形貌类型 低海拔区(M3，M5)／％ 中海拔区(M27，M28)／％ 高海拔区(M52)／％ 合计／％ 不规则 93.3 91.9 87.2 91.0 方形 1.9 0 1.1 1.0 椭圆 1.9 1.8 3.2 2.3 圆形 1.9 2.7 1.1 1.9 长条形 1.0 3.6 7.4 3.9

表 2 不同海拔区表层雪样中不溶微粒单颗粒形貌类型统计 Table 2 Individual particle characterization of insoluble particles in surface snow collected from different elevations

基于EDX得到的南极中山站-冰穹A断面表层雪样中不溶微粒的化学组成结果，根据Okada等(2005)所采用的X元素质量分数法，即P(X)=X/(Na+Mg+Al+Si+S+Cl+K+Ca+Ti+Fe)，对本次分析的255个颗粒进行类型划分，结果见表 3。

表 3

表 3 中山站-冰穹A断面表层雪样中不溶微粒单颗粒的成分分类 Table 3 Mineral composition of insoluble particles in surface snow along a traverse route from Zhongshan station to Dome A，Antarctica 颗粒类型 主要元素含量均值/% M3 M5 M27 M28 M52 富Si类 高Si Si(90.0±5.7) 41 39 37 51 39 Si+Fe Si(42.4±17.6)，Fe(24.2±4.5) 1 2 1 1 Si+S Si(45.3±11.9)，S(30.5±6.4) 4 1 2 Si+Al Si(56.9±7.9)，Al(21.8±8.8) 1 1 1 2 5 Si+Mg Si(58.8±5.6)，Mg(41.2±5.6) 1 1 1 Si+K+Al Si(56.0)，K(18.4)，Al(18.0) 1 Si+Na+Al Si(57.9)，Na(22.0)，Al(20.0) 1 富Ca类 高Ca Ca(99.2±2.4) 5 6 1 Ca+Si Ca(60.1±4.6)，Si(30.4±18.2) 1 Ca+Fe+Al Ca(48.7)，Fe(26.4)，Al(17.3) 1 Ca+S+Fe Ca(40.1)，S(21.7)，Fe(19.5) 富Al类 高Al Al(74.5±5.8) Al+Si+S Al(44.8±9.0)，Si(27.3±5.2)，S(18.9±5.8) 1 Al+Fe+Si Al(32.5)，Fe(27.2)，Si(23.6) 1 Al+S+Fe+Si Al(33.9)，S(25.1)，Fe(17.1)，Si(17.1) 富Fe类 高Fe Fe(69.4±0.0) 1 1 Fe+Si+Al Fe(38.3±7.6)，Si(30.5±0.3)，Al(12.3±5.6) 1 富S类 S+Si S(48.9±13.1)，Si(36.9±1.5) 富Cl类 Cl+Ca Cl(53.8)，Ca(37.8) 1 富Ti类 高Ti Ti(91.1) 1

表 3 中山站-冰穹A断面表层雪样中不溶微粒单颗粒的成分分类 Table 3 Mineral composition of insoluble particles in surface snow along a traverse route from Zhongshan station to Dome A，Antarctica

“富Si类”颗粒，其数量占所分析颗粒总数的91.8%，较拉萨(52.4%)、巴塔哥尼亚高原(57.5%)、呼和浩特(69.6%)、南极南设得兰群岛Lange(62.8%)等地大气中该类颗粒的含量高出很多(Pereira et al., 2004；Okada et al., 2005；张学磊等，2011)。其中，“高Si”颗粒数量占到“富Si类”颗粒的88.5%。通常认为该类Si质量比P(Si)≥0.65的颗粒主要为石英(SiO₂)(Okada et al., 2005)。“Si”颗粒能谱图以Si峰为主峰，不含或含有极低的其他元素峰(如Al峰、Mg峰、K峰)，说明其石英表面发生了轻微的风化剥蚀，或者吸附有细小的铝硅酸盐等其他颗粒。“富Si类”颗粒物下分的其他小类，如“Si+K+Al”颗粒和“Si+Na+Al”颗粒的主要组成成分可能分别是钾长石和钠长石，而“Si+Fe”颗粒、“Si+S”颗粒、“Si+Al”颗粒和“Si+Mg”颗粒从其化学组成上很难准确将其定位到某一种矿物，但总体而言，除“高Si”颗粒的“富Si类”颗粒大多含有一定量的Al 元素，说明其主要组成成分是铝硅酸盐矿物。总体来说，“富Si 类”颗粒物主要组分为来自地表的石英或硅酸盐颗粒。另外，由于南极内陆盛行下沉风，所以不排除部分硅酸盐颗粒来自宇宙空间的可能。

“富Ca类”颗粒，其数量占所分析颗粒总数的5.5%。其中，“高Ca”颗粒数量占到“富Ca类”颗粒的85.7%。通常认为该类Ca质量比P(Ca)≥0.65的颗粒主要为方解石(CaCO₃)(Okada et al., 2005)。“Ca+Si”颗粒和“Ca+Fe+Al”颗粒，通常被认为是来自于建筑工地的水泥颗粒(其主要成分为硅酸钙类)，这两种类型的颗粒的存在可能与南极日渐活跃的人类活动有关，如南极科学考察站的建造、监测设施的布置和断面考察活动的开展等。

“富Al类”颗粒、“富Fe类”颗粒、“富Cl类”颗粒和“富Ti类”颗粒在所分析颗粒物中占比很少，表明南极中山站-穹A断面表层雪样中不溶微粒很少存在这些类型的颗粒物。值得注意的是，虽然“富Al类”颗粒所占比重很小，但所分析的颗粒中大多都含有Al元素，在所有元素中仅次于Si，不过由于Si、Al常常存在于同一单颗粒，又大多以Si为首要元素，因此才出现了Al元素广泛存在，但“富Al类”颗粒较为少见的情况。

为探讨南极中山站-冰穹A 断面不同海拔地区表层雪样中不溶微粒单颗粒的矿物组成变化，笔者计算了不同海拔地区不同矿物组成的单颗粒数占总颗粒数的比例(表 4)。从表中可以看出，低海拔地区表层雪中“富Si类” 颗粒的数量占总颗粒数的86.1%，明显低于中海拔、高海拔地区“富Si类”颗粒的数量占总颗粒数的比重(分别为95.2%，95.9%)。

表 4

表 4 不同海拔地区表层雪样中不溶微粒单颗粒的成分分类 Table 4 Mineral composition of insoluble particles in surface snow collected from different elevations 颗粒类型 低海拔区(M3，M5)／％ 中海拔区(M27，M28)／％ 高海拔区(M52)／％ 合计／％ 富Si类 86.1 95.2 95.9 91.8 富Ca类 11.9 1.0 2.0 5.5 富Al类 0 1.9 0 0.8 富Fe类 0 1.9 2.0 1.2 富Cl类 1.0 0 0 0.4 富Ti类 1.0 0 0 0.4

表 4 不同海拔地区表层雪样中不溶微粒单颗粒的成分分类 Table 4 Mineral composition of insoluble particles in surface snow collected from different elevations

本文尝试给出了造成低海拔地区与中、高海拔地区“富Si类”颗粒含量之间的显著差异的原因。东南极地区海拔2000 m以上的气团应主要来源于远源的中低纬地区(Grousset et al., 1992；Basile et al., 1997；Maggi and Petit， 1998；Carins and Carlson， 2000；康建成等，2004)。在不溶微粒随着气团向南极内陆的输送过程中，不易受风化的“富Si类”颗粒含量不断上升，并在东南极内陆冰盖沉降。东南极地区海拔2000 m以下气团来源于南半球高纬地区强气旋活动的入侵，反映中尺度高纬海洋和冰盖边缘带之间环流过程和物质的输运。来自冰盖边缘的不溶微粒传输到M3、M5采样点所需的时间相对较短，因而“富Si类”颗粒含量相对较低。

通过扫描电镜观察，南极中山站-冰穹A不溶微粒单颗粒可大致分为不规则、方形、椭圆、圆形和长条形等5种形貌，其中不规则形貌的颗粒在所有不溶微粒单颗粒中所占重均超过90%，其余形貌的单颗粒所占比重比较小。不规则或方形的单颗粒主要为富含Si、Al 的矿物颗粒，可能是石英、铝硅酸盐等，而椭圆形单颗粒的主要元素成分为Ca，可能是石灰石等矿物颗粒。

依据X射线能量仪(EDX)得到的不溶微粒单颗粒化学组成与成分分类的结果，可将其主要分为六大类：“富Si类”颗粒、“富Ca类”颗粒、“富Al类”颗粒、“富Fe类”颗粒、“富Cl类”颗粒和“富Ti 类”颗粒。 “富Si类”颗粒，占所分析颗粒物总数的91.8%，是不溶微粒的主要组成部分，其主要成分组成为来自于地表的石英或硅酸盐颗粒。“富Ca类”颗粒物，其数量占所分析颗粒物总数的5.5%，可能来源于方解石等矿物和人类活动。

不溶微粒单颗粒中，“富Si类”颗粒的含量由低海拔向高海拔有上升趋势，尤其是低海拔区明显比中高海拔区“富Si类”颗粒少；而“富Ca类”颗粒则主要集中于低海拔区，中高海拔区的含量与低海拔区相比差距明显。不溶微粒单颗粒矿物组成的这种分布特征主要与东南极不同海拔地区大气环流的差异有关。海拔2000 m以下表层雪中不溶微粒的传输距离较短，物理风化较弱，因而“富Si类”颗粒含量相对较低. 海拔2000 m 以上表层雪中不溶微粒主要来自中低纬度地区，传输距离较远，沿途单颗粒遭受较强的风化，因而“富Si类”颗粒含量相对较高。