古地磁学与环境学课件：第二章 磁性地层学

1物质的磁性2磁性地层学3磁性地层学的发展趋势磁偶极子的磁矩M=ml偶极子1、物质的磁性质物质通过产生磁性感应外界磁场，部分物质在无外磁场的情况下也能产生自发磁化.所以，可以把物质的磁化分成两部分：感应磁化－只有在外磁场时才存在；剩余磁化－零场时也可以存在的磁化1.2磁矩

电流产生的磁矩

M=ir2

Jiles,1992

磁矩M的单位为Am2

磁矩在均匀磁场的力矩()和静磁能(Em)力矩Em=-M•H=-MHcos量子化的原子磁矩玻尔磁子：MB=9.2710-24Am2磁化强度单位:Am-1或Am2kg-1

磁化强度

质子和电子可以等效于小磁矩，当有外场作用时，它们会被感应磁化.感应磁化强度与外场H的关系为：

其中是体磁化率（bulkmagneticsusceptibility），它是多种参数的函数，诸如样品的定向、温度、应力状态、观测的时间尺度以及外场大小等，但是它通常作为标量使用磁化率：magnetizabilityofasubstanceJi=H磁化率Diamagnetism水（-0.910-8m3/kg

）与温度T无关典型矿物：石英，SiO2（约为水的一半）外加场只改变电子运动轨道Paramagnetism~3.510-5SI典型矿物：Fe2SiO2Ferromagnetism矿物的磁性：Paramagnetism

具有原子磁矩，原子磁矩之间无相互作用原子磁矩与外场和热能有相互作用原子磁矩M＝2MBT=300K

外场H＝103T（109A/m）

磁能＝1.8510-22J热能kT=4.1410-23J通常，实验室磁场是n个T（106A/m），1.8510-25JCurie’slaw

=J/H=nM2/3kT=C/T注意：室温Paramagnetism无剩磁，对有贡献

Ferromagnetism具有原子磁矩，原子磁矩之间有相互作用原子磁矩与外场和热能有相互作用

Generallyspeaking:上述四种通称为铁磁性Stricklyspeaking:

Ferromagnetism才是铁磁性,地球上无Ferromagnetism

在古地磁(甚至磁学领域)人们认为的一些重要铁磁性矿物，实际上主要是FerrimagnetismCantedantiferromagnetismImperfect

bcd

none铁磁性矿物的最大特点Hysteresisloop，居里（奈耳）温度之下＝剩磁，居里（奈耳）温度之上－Paramagnetism

主要磁性矿物的性质磁铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿赤铁矿剩磁(Jr)是在某些晶体中邻近电子自旋有很强的相互作用引起

物质对磁场的记忆古地磁学

物质剩磁的起源相互作用能—Interactionenergy内部退磁场形状各向异性磁晶各向异性与磁晶各向异性能磁晶各向异性常数单畴颗粒—single-domaingrainsMagnetited0=0.1μmJs=480kA/mHematited0=15μmJs=~2.5kA/m

磁铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿赤铁矿剩磁的热行为？

当温度增加时，晶格会扩展，交换作用会变弱.高于每种晶体类型的特定温度（称为居里温度Curietemperature，Tc），相互作用的电子自旋行为会完全消失，物质就变成顺磁性了.温度剩磁冷却加热Tc磁性驰豫—Magneticrelaxation超顺磁—Superparamagnetism阻挡温度—Blockingtemperature

Mt=M0e-t/τ

τ=feE1/E2=fexp(vHcJs/2kT)

磁铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿赤铁矿剩磁在强磁场的行为？单畴颗粒多畴颗粒似单畴颗粒—Pseudo-single-domaingrains

Jr/JsHc较小的Hc和τ

磁铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿赤铁矿

古地磁学的重要基石－单晶能够克服各向异性能，从而使得磁化强度从某种低能状态转到与外界地磁场相关的高能均衡状态，并被“冻结”从而能够在地质时间尺度上被保存在岩石中

磁铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿赤铁矿自然界岩石获得剩磁的过程？地磁场火山岩剩磁记录地磁场FromTauxe

磁铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿赤铁矿热剩磁的特点1－对弱磁场，热剩磁的强度和冷却时的外加磁场的强度线性相关2－pTRM彼此独立3－pTRM具有可加性沉积剩磁(DRM)记录地磁场

在沉积环境中，岩石被磁化的过程和火山岩中的热剩磁行为完全不同.碎屑颗粒在沉积前已被磁化(主要为热剩磁)，这和火山岩中晶体处于它们的居里温度点之上不同.磁性碎屑颗粒沉积时会和外界磁场保持一致－DRM.但是，磁性颗粒在沉积后会受生物或其他扰动重新排列，称为沉积后剩磁(

pDRM)沉积剩磁记录地磁场的可靠性

一些沉积剩磁的倾角会比预期的外磁场的倾角小，这个现象称为倾角误差.实验观测到的倾角的正切一般是外磁场正切的0.40.6值得注意的是，许多天然沉积物(比如深海或沉积速率很低的湖相沉积物)没有倾角误差.最不理想的沉积物是剩磁载体为碎屑赤铁矿，它是片状的颗粒，有很小的饱和剩磁沉积后扰动对剩磁的影响非常大.且不易观测到，所以，不是所有的“观测异常”都起源于地磁场本身Lock-inofDRM：DewateringandconsolidationEstimatesoflock-intimerangeupto103yr

化学剩磁ModifiedFromTauxe

磁铁矿磁赤铁矿钛磁铁矿赤铁矿化学剩磁的特点岩石或沉积物中的磁性矿物在形成以后经常会因为环境的变化而发生变化赤铁矿在低温生长时所携带的剩磁被称为颗粒生长型化学剩磁（graingrowthchemicalremanentmagnetization,g-CRM）磁铁矿风化－磁赤铁矿CRM与外磁场的关系很复杂

2磁性地层学

Magneticstratigraphyormagnetostratigraphy

定义:

研究岩石单元的磁特征

磁性地层分类

1-磁极性地层

Magneticpolaritystratigraphy2-岩石磁性地层

Rockmagneticstratigraphy3-古强度磁性地层

Paleointensitymagneticstratigraphy4-地磁场长期变磁性地层

SVmagneticstratigraphy

2.1磁极性地层的定义

什么是地磁极性？什么是地磁极性倒转？地磁极地磁极现在地磁场形态78万年前地磁场形态

通过测定不同时代沉积物的剩磁，就可以确定沉积物形成时的地磁极性磁极性地层的发展历史-1

1－Khramov(1958)-大陆沉积物

2－Cox(1963)-火山岩剩磁＋年代学

命名：Brunhes,Matuyama,Gauss,GilbertAge/Ma磁极性地层的发展历史-2

Harrison等

(1964)-海洋沉积物

Vine&Mathews(1963)proposed

线性海洋磁异常起因于地磁极性倒转磁极性地层的发展历史－3Vine等(1965)-海洋磁异常条带－－10Ma

Heirtzleretal(68)－－早于C33，线性磁异常不明显意大利的陆相地层表明CNS存在

C33C1正极性编号

M－sequence最初只给负极性编号(M1-M25),但M2和M4表示正极性－－混淆后来编号为M0,M1,M3,M5,M6,M7...Channel(1995)--M1-M29Handschumaker(1998)--M1-M38C34M0M29165Ma以來地磁極性倒轉序列磁极性地层的标准已经建立可以测量需要研究的地层Doell&Dalrymple(1966)-Event(discoveryplace)Jaramillo(NewMexico,JaramilloCreek)Olduvai(Tanzania,OlduvaiGorge)磁极性地层－极性亚时与短极性事件MagneticpolaritystratigraphyVerylowamplitude,butcorrelatable,magneticanomalieshavebeencalledtinywiggleorcryptochron--canbemodeledSPCorintensityfluctuation--~20kyrSomehavebeenidentifiedasSPC--Reunion--CobbMountainTinywigglesincontinentsediment??Unlikemarinesediments,terrestrialsediments-nonhomogeneous,variationrateForelandbasininthefrontoftherisingHimalayan

--SiwaliksofPakistanandIndia--sedimentaryenvironmentmeanderingriversystem--sedimental:mudstones,sandstones,gravelsdeposition

--manyhiatus

--gapinterval~1000years--105~106yearscontinues

国际地层表

Pliocene(N2)/Pleistocene(Q1)--1.77Ma(2.6)Miocene(N1)/Pliocene(N2)------5.3Ma(5.3)Oligocene(E3)/Miocene(N1)-----23.5Ma(23.3)

Eocene(E2)/Oligocene(E3)------33.7Ma(32)Paleocene(E1)/Eocene(E2)------53Ma(56.5)Cretancous(K2)/Paleocene(E1)--65Ma(65)K1/K2---96Ma(96)J3/K1---135Ma

值得注意的基本概念

地磁极性带与海洋磁异常

PolarityzoneandOceanicmagneticanomalyPolarityzonelabels--polaritychronC26Oceanicmagneticanomalynumbers--anomaly26DifferentPhenomena,buttheyhaveacommoncauseandbetimecorrelaive磁性地层－三部曲

第一步：野外

Geologicsetting-地层厚,连续

Samplingschedule,褶皱,倒转，砾石

定向－地层，样品

第二步：加工样品

第三步：实验

地磁场----歌唱家

岩石------录音机

如何获得岩石形成时地磁场的信息??需认识岩石的磁学性质－－这是过去少有注意

如何确定地磁极性?VGP的纬度--Normal--Reversal--Transition

磁极性地层

应用实例元谋古猿的生存时代？Sunetal.,2004,EPSL~7Ma是天山的重要隆升期

2.2-岩石磁性地层

Rockmagneticstratigraphy

Lithology+Susceptibility

Lithology+Susceptibility＋磁极性地层磁极性地层＋磁化率Heller&Liu,Nature,19825254501402803.04.25.40.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6BM_JOMG_BM_JOMG_100120(m)Units53791111719212315132729313335372539414345515347495557596163656971736775777981838589919587931011031046636CMCompositebenthicoxygenisotoperecordV19-30/ODP677/ODP846Mediangrainsize(mm)Luochuan

SectionAge(myr)MagneticPolarityMagneticPolarity979900204060S080S1S2S3S4S5S6-IS7S8S9S13S12S11S10S17S16S15S14S19S20S21S18S23S26S25S24S27S28S29S30S31S32L15L9L24L1L2L3L4L5L6L12L13L14L8L16L21L29L33S6-IILoessRedclayPaleosolWeaksoilSandyloessPaleomagneticpolarityMagneticsusceptibility(c10-8m3kg-1)磁极性地磁＋磁化率＋氧同位素怎么用磁性地层学研究B