第八章应用岩石磁学（环境磁学）.doc

第八章 应用岩石磁学（环境磁学） 注：本章中，Applied Rock (Environmental) Magnetism统一译为“环境磁学”。 建议阅读材料：读者可以参见Maher Thompson (1999)第一章和Evans Heller (2003)第四章，以了解更多的基础知识。 8.1 引言 环境磁学是古地磁学中一个十分活跃的分支学科，它利用岩石磁学参数反映的磁性矿物的含量、粒度和成分等信息研究过去和现在的环境状况。环境磁学的研究领域非常广泛，例如，从现代工业污染检测到恢复过去气候变化历史、从大尺度的气候变化研究到第四纪时期亚洲地区的降雨量重建。本章将总结环境磁学常用的基本岩石磁学工具，并用实例做说明。 8.2 环境磁学工具箱 大多数环境磁学研究涉及四种基本方法：分离、富集的磁性矿物的显微图像，磁滞参数，热磁分析（包括居里温度测定和低温磁学测量），以及非磁滞剩磁（ARM）测量。可以利用光学电子显微镜、扫描电镜和透射电镜（图8.1a）对分离出的磁性矿物或者岩石/沉积物薄片镜进行照相获得磁性矿物的显微图像。磁滞参数（包括磁化率）可以利用振动样品磁力仪（VSM）、变梯度磁力仪（AGFM，参见第七章）和磁化率仪（图8.1b）测量。这些磁性测量可以在不同的温度或频率下进行。热磁分析用的是居里天平（图8.1c），它测量的是不同温度下的饱和磁化强度。非磁滞剩磁（ARM）用的是这样一种仪器，它能同时提供一个较强的交变磁场（即交变退磁仪）和一个较弱的直流磁场（见第五章）。 图8.1：环境磁学家常用的一些仪器。a）扫描电镜。b）磁化率仪。c）居里天平。 8.2.1磁性矿物颗粒的显微图像 磁性矿物颗粒的显微图像可用来确定磁性矿物的成因。火成成因（图8.2a）、风成成因（图8.2b）、自生成因（图8.2c）、生物成因（第六章）、人类活动成因（图8.2d）、宇宙成因（图8.2e）的磁性矿物都有其各自的特征形态。实际工作中，通过观察磁性矿物的形态就能得到非常有用的关于磁性矿物成因的信息。 图8.2：磁性矿物颗粒的显微图像（据Maher Thompson, 1999）。a）火成岩中300 (m的钛磁铁矿颗粒的高温出溶片晶。b）中国黄土沉积物中碎屑（或风成）成因的（钛）磁铁矿。c）蒙脱石表面的玫瑰花形赤铁矿。d）火山灰中球状颗粒的背散射扫描电镜图像。e）宇宙成因的硅酸盐，可见富铁矿物在硅酸盐球粒上呈树枝状结晶。 8.2.2磁滞参数 磁滞行为强烈受控于磁性矿物的类型和粒度，因此，磁滞回线可用来确定岩石中磁性矿物的组成。一个特定样品的磁滞回线是该样品中所有单个颗粒的回线的总和。一组具有相同矫顽力谱的磁性颗粒将影响样品的磁滞回线特征。在第七章我们已经接触了磁滞回线以及一些描述磁滞回线特征的参数。除此之外，还有另外一些在环境磁学研究中很有用的参数（图8.3）。低场条件下磁滞回线（磁化强度和外加磁场关系曲线）的斜率称为初始磁化率（(i）（见第一章和第三章）。如果磁场足够低，这一部分测量是可逆的，当关闭外加磁场时，磁化强度将回到其初始状态。如果一个颗粒是超顺磁的，它对外加磁场的反应将大大增强。因此，超顺磁颗粒比单畴颗粒更灵敏。定义一个颗粒是否是超顺磁取决于观测的时间尺度，因此，对于一个特定的颗粒来说，在较长时间尺度上可以是超顺磁（它能和外加磁场达到平衡），在较短时间尺度上可以是单畴颗粒（它仅仅对一个弱的外加磁场产生微弱的反应）。因此，初始磁化率（(i）强烈依赖于外加磁场的频率，同时也强烈依赖于温度。一些仪器可以在不通频率条件下进行初始磁化率（(i）测量，从而得到所谓的频率磁化率（(fd）。这个参数常常用来估计超顺磁颗粒的磁化率对样品总的磁化率的贡献。 图8.3：磁滞参数的定义 随着外加磁场的增大，单个磁性颗粒将达到其‘偏转磁场’（flipping field），或者经历不可逆的自旋状态重组（即畴壁重新排列）。所谓饱和磁化强度（Ms）就是当外加磁场饱和时的磁化强度。测量这一参数时通常必须对顺磁性矿物的贡献进行校正，即必须去除顺磁性矿物的高场磁化率（(hf）。幸好，在高达几个特斯拉的磁场下，顺磁性矿物的磁化强度和外加磁场的强度呈线性关系，因此，通常很容易估计顺磁性矿物的贡献并将其除去。如果从初始磁化率（(i）中减去高场磁化率（(hf，它仅仅是顺磁性矿物的贡献），就能估计亚铁磁性矿物颗粒对初始磁化率的贡献，用(ferri表示。磁化率也是样品方向与外加磁场方向的函数。如果磁化率与样品方向无关，则该样品的磁化率是各向同性的。磁化率各向异性是由磁性矿物的各向异性定向排列产生的，这一性质可用磁性矿物定向的优选方向来解释，这个主题将在后面的章节中讨论。磁滞回线上磁场逐渐增加的部分称为上升回线，磁场逐渐降低的部分称为下降回线。如果磁场足够高，样品的磁化强度将发生不可逆变