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第六章 磁性矿物 （Lisa Tauxe著，刘青松译） 推荐读物 Evans Heller (2003)和Dunlop ?zdemir (1997)两部专著的第三章 6.1前言 古地磁学研究的核心内容就是确定由何种磁性矿物携带剩磁以及揭示岩石是如何被磁化的。为了理解这些问题，我们需要了解自然界重要磁性矿物的种类、鉴定特征、形成过程以及它们的磁性特征。本章中，我们要讨论一些与地质过程密切相关的重要磁性矿物。表6.1列举了一些主要磁性矿物的磁学性质。 铁是太阳系中含量最高的过渡元素。因此，大部分古地磁研究涉及与铁有关的各种磁性矿物，例如：铁镍合金（它对地球以外的行星磁场研究特别重要），铁氧化物（诸如磁铁矿、磁赤铁矿和赤铁矿)，铁的氢氧化物（iron-oxyhydroxide，如针铁矿），以及铁硫化物（如胶黄铁矿和黄铁矿）。因为地球上铁镍合金非常稀少，所以我们只重点讨论后面的几种。 6.2铁氧化物 图6.1：铁氧化物的三图(改自O’Reilly, 1984)。带箭头的虚线氧化增加。实线代表固体系列。 ?磁铁矿（ulv?spinel?magnetite）系列和钛铁矿?赤铁矿（ilmenite?hematite）系列（见图6.1）。在这个三元图中，Fe2+在最左端，Fe3+在最右边，Ti4+在最顶端。相关的氧化物为FeO（方铁矿wustite），Fe2O3（赤铁矿或磁赤铁矿）和TiO2（金红石rutile）。在三元图中的每一点都代表三种阳离子的组合。每一个实箭头（标记为钛磁铁矿titanomagnetite和赤钛铁矿hemoilmenite）代表在磁铁矿和赤铁矿的晶体中钛的含量逐渐增加。在钛磁铁矿中钛的含量用x表示，而在赤钛铁矿中则用y代表。x和y的值在0（对应于磁铁矿或赤铁矿）和1（对应于钛铁尖晶石或钛铁矿）之间。 钛磁铁矿（Fe3-xTixO4） 在前面有关岩石磁学的章节中，我们讨论了磁铁矿。在第四章中提到，磁铁矿(Fe3O4)具有反尖晶石结构(AB2O4)。氧原子构成一个面心立方晶格，阳离子充填于八面体或者四面体结构中。每一个单位晶胞具有四个四面体位置(A)和八个八面体位置(B)。四个氧离子(O2-)，两个Fe3+离子和一个Fe2+离子达到电荷平衡。Fe3+有5个未配对电子，Fe2+则有四个。每一个未配对电子都携带一玻尔磁子(Bohr magneton, mb)。二价铁离子都充填在在八面体位置，而三价铁离子则均匀分布在八面体位置和和四面体位置，因此磁铁矿的结构式可以表达为Fe3+?Fe3+Fe2+?O4。A区和B区的电子自旋反向平行排列，磁铁矿表现为亚铁磁性。因此，0 K时每个磁铁矿分子的净磁化强度是(9?5=4) mb。 钛磁铁矿（titanomagnetite）可以作为主要矿物产于火成岩中。赤铁矿以及赤钛铁矿（hemoilmenite）系列中的矿物也可通过高温氧化过程形成。沉积物的磁铁矿通常是碎屑成因，但也可以通过细菌活动或自生成岩作用中形成。 Ti4+离子没有未配对的电子，因此Ti4+离子替代其他阳离子对钛磁铁矿的磁学性质有深刻的影响。Ti4+替代一个三价铁离子，为了保持电荷平衡，另外一个三价铁离子变成二价铁离子。这一固溶体系列的终端产物是： 磁铁矿magnetite 钛铁尖晶石ulv?spinel Fe3+?Fe3+Fe2+?O4 Fe2+?Fe2+Ti4+?O4 x=0 x=1 钛铁尖晶石具有反磁性，因为其A区和B区具有相同的净磁矩。当x在0和1 之间时，我们称之为钛磁铁矿。如果x=0.6，相应的矿物叫做TM60。 钛含量（x）对钛磁铁矿性质的影响如图6.2。因为Ti4+没有未配对电子，钛磁铁矿的饱和磁化强度随着x的增加而减小(图6.2a)，但是晶胞(cell dimensions)随x的增加而增大(图6.2b)，同时导致居里温度降低(图6.2c)。其矫顽力也会稍微增加(未显示)。 磁铁矿具有较大的饱和磁化强度(Ms)，因此它受形状各向异性的控制。尽管如此，磁晶各向异性(magnetocrystalline anisotropy)也能够用来检测磁铁矿的存在。磁晶各向异性能是温度的函数。当从0 K增温到大约120 K，磁晶各向异性常数受温度的强烈影响。从绝对零度升温到约?100?C，磁晶各向异性常数的变化可以导致磁化强度的急剧降低，叫做Verwey转换(Verwey transition)(见第四章)。Verwey转换的存在意味着剩磁由磁晶各向异性控制。此外，氧化程度对Verwey转换温度的影响较大，磁赤铁矿化甚至能够完全压制这一转换(见Dunlop ?zdemir, 1997)。 值得注意的是，自然界中的钛磁铁矿经常含有杂质(通常是Al, Ma,