環(huán)境磁學(xué)的研究與應(yīng)用

環(huán)境磁學(xué)的研究與應(yīng)用

1環(huán)境磁學(xué)的提出環(huán)境磁體學(xué)是近幾十年發(fā)展起來的一門學(xué)科。通過研究磁性載體（土壤、海洋沉積物、灰塵等）的磁學(xué)性質(zhì)，我們可以獲得磁體中磁性物質(zhì)的含量、粒度和性質(zhì)，并反演環(huán)境信息。1926年GustavIsing最先使用磁學(xué)方法研究沉積物,他通過研究瑞典一個(gè)冰湖的層狀沉積物的磁化率和剩磁,發(fā)現(xiàn)春季形成的沉積物磁化率比其他季節(jié)高幾倍。此后就陸續(xù)有人通過層狀湖沉積物的磁學(xué)性質(zhì)研究地球磁場的強(qiáng)度和方向,但都沒有成功。Koenigsberger(1938),Thellier(1938)和Nagata(1943)嘗試了解火山巖在自然界中磁化的過程,Nagata于1953年出版RockMagnetism,標(biāo)志這一學(xué)科的誕生。1949年,Neel理論的提出,奠定了巖石磁學(xué)的理論基礎(chǔ)。1970以后,Thompson和Oldfield利用巖石磁學(xué)方法進(jìn)行了大量環(huán)境研究。1986年,以Thompson和Oldfield發(fā)表的專著《EnvironmentalMagnetism》為標(biāo)志,環(huán)境磁學(xué)作為一個(gè)新的分支學(xué)科被明確下來。在此之后巖石磁學(xué)理論飛速發(fā)展。Evans和Heller(2003)出版的專著《EnvironmentalMagnetism—PrinciplesandApplicationsofEnviromagnetics》是《EnvironmentalMagnetism》的升華,通過大量的實(shí)例闡明了磁學(xué)方法在環(huán)境中的應(yīng)用,進(jìn)一步發(fā)展了環(huán)境磁學(xué)。目前全球人口膨脹,環(huán)境問題日益嚴(yán)重,環(huán)境磁學(xué)在解決環(huán)境污染方面有其他方法不具有的優(yōu)點(diǎn):經(jīng)濟(jì)、快速、簡單和無破壞性。此外,通過對(duì)古沉積物(如黃土序列)的研究能夠進(jìn)一步加深人們對(duì)古環(huán)境變化的認(rèn)識(shí),對(duì)將來的環(huán)境變化有預(yù)測作用。但是歸根結(jié)底,環(huán)境磁學(xué)是通過磁學(xué)參數(shù)確定磁性礦物的含量、粒度和類型,從中分離出環(huán)境信息,而環(huán)境磁學(xué)用到磁學(xué)參數(shù)很多,非常容易混淆,因此弄清環(huán)境磁學(xué)參數(shù)的含義就變得十分必要。自然界中最具普遍意義的磁性礦物可以分為順磁性、抗磁性、亞鐵磁性及不完全反鐵磁性。由于物質(zhì)來源及環(huán)境影響造成磁性物質(zhì)的組成配比,使得不同時(shí)間和空間分布的環(huán)境物質(zhì)表現(xiàn)出特定的磁性特征,這為應(yīng)用環(huán)境磁學(xué)的基本原理獲取相關(guān)信息,研究環(huán)境的變遷和演化歷史,評(píng)價(jià)環(huán)境污染提供了依據(jù)。環(huán)境物質(zhì)的磁性特征主要受3個(gè)因素控制:①磁性礦物的成分;②磁性礦物的含量;③磁性礦物的粒徑;下面主要從這3個(gè)方面簡述環(huán)境磁學(xué)用到的磁學(xué)參數(shù)。2指示磁性礦物的參數(shù)2.1磁鐵礦fe3o4不同的磁性礦物具有不同的居里點(diǎn),因而通過測量樣品的居里點(diǎn),可以確定磁性礦物的種類。一般通過k–T曲線(磁化率隨溫度變化曲線)與Ms–T曲線(飽和磁化強(qiáng)度隨溫度變化曲線)來確定居里點(diǎn),但是k–T曲線與Ms–T曲線上的變形點(diǎn)不都總代表Tc。尤其在溫度不是很高時(shí),它也可能是一些化學(xué)變化引起的,除了Ms–T曲線上的不連續(xù)點(diǎn)可以確定一些磁性礦物的居里點(diǎn)外,整個(gè)曲線形態(tài)變化一般也可以顯示一種或多種磁性礦物存在。解阻溫度(Tub)描述鐵磁性磁性礦物剩磁性質(zhì),當(dāng)?shù)V物的溫度達(dá)到Tub,熱能克服磁能,磁疇狀態(tài)被破壞,剩磁消失,但此時(shí)的磁化率達(dá)到最大,繼續(xù)增溫到Tc時(shí),鐵磁性礦物變?yōu)轫槾判缘V物。磁性礦物的阻擋溫度各不相同,在零磁場中逐漸升高溫度并測量樣品剩磁變化,可以確定樣品中磁性礦物成分。磁鐵礦(Fe3O4)Verwey轉(zhuǎn)換機(jī)理:磁鐵礦的鐵離子分布在兩個(gè)SITES:A-Sites和B-Sites。(Fe3+)A(Fe3+Fe2+)BO4。兩個(gè)Sites里的鐵離子旋轉(zhuǎn)方向正好相反,Fe3+的磁矩相互抵消,剩下Fe3+的磁矩,從而整個(gè)顆粒具有磁性。在較高的溫度(>122K),A-和B-Sites之間鐵離子的3d電子可以互相交換,從而維持其立方體的結(jié)構(gòu)。但是當(dāng)溫度達(dá)到122K時(shí),這些電子的熱能減少,被凍結(jié)在各自的位置。因?yàn)锳-Sites和B-Sites之間不對(duì)稱,所以整個(gè)的UNITCELL不再對(duì)稱,而變成單斜結(jié)構(gòu)。由于磁鐵礦的一系列物質(zhì)性質(zhì)隨之改變,所以Verway轉(zhuǎn)換是檢測樣品中微量磁鐵礦的最有效的低溫手段。Verway轉(zhuǎn)換溫度不是常數(shù),當(dāng)磁鐵礦晶體中包含雜質(zhì)或者空位時(shí),溫度會(huì)降低。赤鐵礦Morin轉(zhuǎn)換(圖1):當(dāng)溫度從室溫下降到大概260K左右,其磁化強(qiáng)度突然降低,但是不會(huì)降到零。因?yàn)樵贛orin點(diǎn)以上,spin平行于basal面。而低于Morin點(diǎn)時(shí),spin突然旋轉(zhuǎn)90°,也就是spin垂直于basal面。Morin轉(zhuǎn)換點(diǎn)不是個(gè)常數(shù),當(dāng)雜質(zhì)增加時(shí),Morin轉(zhuǎn)換會(huì)逐漸減弱。當(dāng)顆粒變小時(shí),這個(gè)轉(zhuǎn)換也會(huì)減弱。如果能夠清晰地分辨出Morin轉(zhuǎn)換,說明樣品中的赤鐵礦顆粒比較大。2.2亞鐵磁性礦物的磁亞鐵磁性礦物極其容易獲得剩磁,一般飽和磁場小于0.1T,磁鐵礦為20mT左右;而不完全反鐵磁性礦物要在4~7T的飽和磁場中磁化,才能獲得飽和剩磁。IRM-20mT與IRM-30mT分別為樣品在-20mT和-30mT條件下(弱磁場)的等溫剩磁,弱磁場條件下獲得的剩磁是由亞鐵磁性礦物貢獻(xiàn)的,稱為“軟”剩磁。磁性礦物在300mT以上磁場中獲得的剩磁一般是由不完全反鐵磁性礦物引起的,飽和等溫剩磁(SIRM)與其差值(SIRM—IRM300mT)稱為“硬”剩磁。亞鐵磁性礦物的S300%(IRM300mT/SIRM×100%)可以達(dá)到90%,S-20[(SIRM-IRM-20mT)/2×SIRM×100%]可達(dá)到30%以上,S-100%達(dá)到80%以上。多疇亞鐵磁性顆粒IRM-100mT/SIRM的比值S<-0.7,而S>-0.3則指示了不完全反鐵磁性主導(dǎo)。2.3fi的識(shí)別低場磁化率χlf的外加磁場<1mT),高場磁化率χhifi的外加磁場>100mT,高場磁化率一般用于識(shí)別是否存在順磁性礦物和反鐵磁性礦物,低場磁化率與高場磁化率之差χlf-χhifi(鐵磁性磁化率)一般用于識(shí)別鐵磁性礦物。3指示礦含量的參數(shù)3.1亞鐵磁性礦物檢測χ、SIRM和ARM在某種程度上主要反映磁性礦物的含量。然而,SIRM和ARM還受到磁性礦物粒度和形狀的影響,而χ受顆粒度的影響最小(除SP顆粒外),而且測量快速方便,因此,χ可能是最好的含量指示參數(shù),可以快速指示樣品中亞鐵磁性礦物含量。3.2s-ratio分析S-ratio和HIRM分別定義為S-ratio=-IRM-0.3T/IRM1T和HIRM=0.5×(IRM1T+IRM-0.3T),S-ratio反映了樣品中亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦)與不完整反鐵磁性礦物(如赤鐵礦和針鐵礦)的相對(duì)比例,它隨著不完整反鐵磁性礦物貢獻(xiàn)的增加而下降[12,13,14,15,16,17,18]。對(duì)于亞鐵磁性物質(zhì)比值接近于1,隨著反鐵磁性礦物含量的增加,比值減小。HIRM反映樣品中矯頑力高的“硬”磁性礦物的絕對(duì)含量[12,13,14,15,16,17,18]。4指示礦的粒度參數(shù)4.1sp與sd周邊顆粒的穩(wěn)定性頻率磁化率χfd%=(χlf-χhf)/χlf×100%對(duì)SP與SD附近的顆粒非常敏感,頻率磁化率反映的是非常小的顆粒區(qū)間,若頻率磁化率很小,并不意味著細(xì)顆粒的磁性礦物含量少,還有可能磁性礦物顆粒分布很寬。4.2md-polMr/Ms和Bcr/Bc這兩個(gè)參數(shù)對(duì)剩磁的狀態(tài)(超順磁SP,單疇SD,flower,渦旋votex,多疇MD)和磁各向異性來源(立方晶系,單軸,應(yīng)力狀態(tài))反映靈敏,因此,這兩個(gè)參數(shù)能指示磁性礦物的粒度和形狀,為此,Day等用這兩個(gè)參數(shù)作圖,稱為Day氏圖(Day-plot)(圖2),可以指示礦物粒徑。理論計(jì)算表明:對(duì)于隨機(jī)取向、沒有相互作用的單軸SD磁性晶粒的組合體來說,理論上Mrs/Ms正好是0.5,不管它們的消磁系數(shù)取什么值,其矯頑力比值Bcr/Bc都是1.09;MD晶粒的Mrs/Ms不到0.1矯頑力比將超過4.0;SP晶粒的剩磁比最低,但Bcr/Bc超過10.0。目前,Day-plot是確定磁性礦物粒度最理想的方法,但是它也有局限性,不能區(qū)分MD和SP顆粒,而且自然界中的樣品往往含有多種粒度的磁性礦物,往往落在Day氏圖PSD區(qū)域。4.3亞鐵磁性礦物顆粒的大小雖然所有的亞鐵磁性顆粒都對(duì)χ有貢獻(xiàn),但ARM對(duì)近穩(wěn)定SP/SD邊界的細(xì)小顆粒(如0.02~0.1μm的磁鐵礦)非常敏感,而χ對(duì)大顆粒(大的PSD或者M(jìn)D顆粒)的存在敏感些。因此,χARM/χ和ARM/χ可以指示樣品中亞鐵磁性礦物晶粒的大小,比值隨著顆粒的減小而增大,其高值代表樣品中以細(xì)粒穩(wěn)定單疇顆粒(SSD)為主,低值反映樣品中以粗粒的PSD或MD顆粒為主。但是少量SP顆粒的出現(xiàn),會(huì)使這一參數(shù)變得復(fù)雜,因?yàn)镾P顆粒對(duì)χ有貢獻(xiàn),而對(duì)ARM和χARM沒有貢獻(xiàn),因此二者比值減小。4.4sp晶粒和sd晶粒SIRM/χ可用來粗略估計(jì)大于幾十納米的磁性顆粒的晶粒度。當(dāng)磁性顆粒大于SP/SD邊界時(shí),該比值隨著顆粒度的增大而減小。SP晶粒的特點(diǎn)是χ比較高,而比值SIRM/χ比較低。SP晶粒和SD晶粒混合體的比值SIRM/χ類似于MD晶粒。χARM/SIRM對(duì)亞鐵磁性礦物的粒度很敏感。因?yàn)镾P顆粒對(duì)ARM和SIRM都沒有貢獻(xiàn),使用χARM/SIRM可以避免由于SP顆粒產(chǎn)生的不確定性,通常較低的比值反映了較粗的MD顆粒。4.5kimmu姆SIRM/ARM對(duì)檢測晶粒度稍大于SP的晶粒