Vertical susceptibility profiles : its use in magnetic pollution screening

Abstract

In this work magnetic methods were used for systematic and high-resolution investigation of industrially polluted soils, where soil pollution is caused by heavy metal bearing air-borne particulate matter. The focus of the study is on the characteristic magnetic signals determined from ultra-shallow (~0.5 m) vertical profiles acquired in areas of <10 m² (“site scale”). The development of measuring techniques for efficient (fast and high-quality) acquisition of the magnetic susceptibility (MS) is based on the specific properties of these vertical profiles. Optimization of the MS proxy potential for semi-quantitative assessment of heavy metal (HM) loads from anthropogenic and geogenic origin in soils is a central part of this work. For evaluation of the potential of different sampling and measuring techniques plus the impact of soil types on anthropogenic MS distribution in soils, investigations were conducted at three different industrial sites with different soil types. An experiment with artificially applied magnetic tracer (fly ash) for investigation of the time-dependent spatial behavior (migration/accumulation) of magnetic particles was performed in forest soil. Comparison of the results from the “artificial” tracer test (surface MS and vertical profile MS) and data from soils contaminated by atmospheric deposition contributes for better assessment of the influence of soils on the development of the MS signal. Within this framework new sampling and measuring strategies for best possible high-resolution and efficient (time-saving) MS data acquisition in soil profiles collected from “site scale” sized areas are presented. Sampling and measuring techniques in areas of a few m² are systematically compared and innovative analysis and assessment methods are developed. The potential of an integrative measuring strategy for an individual investigation site (“site scale”) comprising MS surface measurements, vertical MS profiles plus important soil parameters is systematically investigated in four soil types. It is demonstrated that only the combination of different measuring techniques, taking into account specific soil properties and individual soil development, enhances data quality for reliable assessment of HM loads when conducting applied MS screening. In this context the proof for correlation of MS and HM was performed independently from the modern and fast measuring methods. Differently contaminated soil profiles are exemplarily and representatively (bigger sample volumes of ~200 cm³) investigated for their MS and HM concentration at high-resolution (0.5 cm vertical spacing). The methodologically independent, precise results are utilized for assessment of the potential of rapidly measured vertical MS profiles. It is shown that a larger number of vertical MS profiles enables numerical determination of a “boundary depth”. This magnetically defined depth separates the upper, polluted soil zone with anthropogenically enhanced MS (pollution MS) from the lower, unpolluted zone, which represents the geogenic signal. Only this important, systematic MS acquisition strategy, which directly includes soil type specific properties into the MS data, provides the opportunity for reliable, numerical determination of the “boundary depth”. This forms the boundary conditions for standardized quantification of pollution MS by signal integration. Possible sources for errors, which might occur from rapid data acquisition and the impact on the results are investigated from comprising data sets. Results show the high importance of systematic and accurate data acquisition, assessment, processing and interpretation, while already small systematic discrepancies in the data sets might lead to considerable false estimation. In this context a universal processing strategy is presented. This is a milestone concerning information generation and quality, which is not provided yet by simple vertical MS profile assessment. Soils are only one type of pollution sinks, respectively pollution accumulators in the environment. Therefore, besides the central part of this work, publications about magnetic screening in common are contained. The framework of the entire discipline is outlined, especially by including atmospheric deposition collected on tree leaves. This work is not only unique to industrial pollution sources, but it also includes traffic-generated and common urban immissions. The impact of such sources on urban soils is investigated, and important magnetic, chemical and physical parameters are tested for their typical distribution patterns. These systematic analyses provide the basis for further optimization of magnetic proxy methods. Furthermore, fly ash samples from coal-fired power plants were investigated for their magnetic and chemical properties. Fly ashes are one of the most important industrially generated pollutants world-wide, and investigations about their behavior in soils are important for magnetic soil pollution screening.

In dieser Arbeit werden mit magnetischen Methoden durch atmosphärische Deposition von schwermetallhaltigen Industriestäuben unterschiedlich stark verschmutzte Oberböden systematisch und hochauflösend untersucht. Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt dabei auf der charakteristischen Ausbildung des magnetischen Signals in ultraflachen (~0,5 m) Vertikalprofilen auf kleinen Flächen (<10 m²) sowie der methodischen Entwicklung von Messtechniken für eine ökonomisch-effiziente (schnelle und qualitativ hochwertige) Erfassung der magnetischen Suszeptibilität (MS). Das optimierte Proxy- (Stellvertreter) Potential der MS zur semi-quantitativen Abschätzung der anthropogen und geogen bedingten Schwermetallbelastung (HM) in Böden ist zentraler Bestandteil der Arbeit. Zur Bewertung des Potentials verschiedener Beprobungs- und Messtechniken sowie des Einflusses der Bodenart auf das Verteilungsmuster anthropogen erzeugter MS im Bodenprofil werden drei verschiedene Industriestandorte mit unterschiedlichen Böden präsentiert. Zusätzlich wird in einem Experiment mit künstlich ausgebrachtem magnetischen Tracer (Steinkohle-Flugasche) das räumlich-zeitliche Verhalten (Migration/Akkumulation) von magnetischen Partikeln in einer weiteren Bodenart untersucht. Der Vergleich von “synthetischen“ Tracer-Daten (Oberflächen-MS, Vertikalprofil-MS) mit Daten aus “diffus anthropogen kontaminierten“ Böden (atmosphärische Deposition) trägt dazu bei, den Einfluss des Bodens auf die Ausbildung des MS-Signals besser bewerten zu können. Im Rahmen dieser Untersuchungen, werden neue Beprobungs- und Messstrategien zur hochauflösenden/bestmöglichen sowie zur effizienten (zeitsparenden) Erfassung der MS in Bodenprofilen und auf Flächen von wenigen Quadratmetern vorgestellt, Beprobungs- und Messtechniken systematisch verglichen sowie innovative Analyse- und Bewertungsmethoden entwickelt. Das Potential einer integrierten Messstrategie für einzelne Untersuchungsstellen, bestehend aus MS-Oberfächenmessungen, MS-Vertikalprofilen sowie wichtiger Bodenparameter wird systematisch an allen vier Bodentypen untersucht. Es wird gezeigt, dass nur die Kombination verschiedener Messtechniken unter Berücksichtigung des spezifischen Bodentyps und dessen individueller Ausbildung die Datenqualität für eine zuverlässige Abschätzung der Schwermetallbelastung im angewandten Screening (schnelle Messmethoden) steigert. In diesem Zusammenhang wird der Nachweis der Korrelation von MS und Schwermetallen unabhängig von den modernen und schnellen Messmethoden geführt. Unterschiedlich stark verschmutzte Bodenarten werden exemplarisch hochauflösend und repäsentativ (größere Volumina – 200 cm³) auf ihre MS und Schwermetallkonzentrationen hin untersucht, und die methodisch unabhängigen, genauen Resultate zur Bewertung des Potentials schnell gemessener MS-Vertikalprofile eingesetzt. Es wird gezeigt, dass eine größere Anzahl an MS-Vertikalprofilen die Abgrenzung (“Grenztiefe“) der oberen Bodenschichten mit anthropogen erhöhter MS (Verschmutzungs-MS) vom darunterliegenden Bereich mit geogener MS signifikant erleichtert und numerisch fassbar macht. Erst diese entscheidende systematische, den Bodentyp bzw. die Bodeneigenschaften direkt einschließende Signalerfassungsstrategie liefert MS-Daten für eine eindeutige rechnerische Bestimmung der ’Grenztiefe’ zwischen anthropogener und geogener MS an einer Untersuchungsstelle. Damit sind die Randbedingungen für eine standardisierte Quantifizierung der Verschmutzungs-MS über den Weg der Signalintegration (MS-Tiefenfunktion) gegeben. Mögliche Fehlerquellen bei der schnellen MS-Erfassung, ihre Auswirkungen auf die Messergebnisse sowie deren Interpretation im Zusammenhang mit der Schwermetalldetektion werden anhand umfangreicher Datensätze untersucht. Die Ergebnisse zeigen die herausragende Bedeutung systematischer und sorgfältiger Datenerfassung, Bewertung, Aufbereitung und Interpretation, wobei schon geringe systematische Diskrepanzen im Datensatz zu erheblichen Fehleinschätzungen führen können. In diesem Zusammenhang wird eine universelle Processing-Strategie vorgestellt, die verglichen mit bisherigen, einfachen MS-Vertikalprofil-Bewertungen einen Meilenstein an Informationsgewinn und Qualität darstellt. Da Böden nur einen Teil von Schadstoffsenken bzw. Schadstoffakkumulatoren in der Umwelt darstellen, sind neben dem zentralen Teil dieser Arbeit auch Publikationen über magnetisches Screening enthalten, die den Gesamtrahmen der Disziplin umreißen, v.a. durch Einbeziehung atmosphärischer Deposition auf Blättern. Diese Arbeiten bleiben nicht nur auf industrielle Schadstoffquellen beschränkt, sondern schließen auch straßenverkehrsbedingte und allgemeine urbane Immissionen mit ein. Auch wird der Einfluss dieser Schadstoffquellen auf urbane Böden untersucht, wobei wichtige magnetische, chemische und physikalische Parameter untersucht und typische Verteilungsmuster herausgearbeitet werden. Diese systematischen Analysen bilden eine solide Basis für die weitere Optimierung magnetischer Proxy-Methoden. Darüberhinaus werden Flugaschen aus Kohlekraftwerken, die weltweit eine der wichtigsten industriellen Verschmutzungskomponenten darstellen auf ihre magnetischen und chemischen Eigenschaften, sowie auf ihr Verhalten im Boden hin untersucht.