环境磁学的研究与应用

环境磁学的研究与应用

1环境磁学的提出环境磁体学是近几十年发展起来的一门学科。通过研究磁性载体（土壤、海洋沉积物、灰尘等）的磁学性质，我们可以获得磁体中磁性物质的含量、粒度和性质，并反演环境信息。1926年GustavIsing最先使用磁学方法研究沉积物,他通过研究瑞典一个冰湖的层状沉积物的磁化率和剩磁,发现春季形成的沉积物磁化率比其他季节高几倍。此后就陆续有人通过层状湖沉积物的磁学性质研究地球磁场的强度和方向,但都没有成功。Koenigsberger(1938),Thellier(1938)和Nagata(1943)尝试了解火山岩在自然界中磁化的过程,Nagata于1953年出版RockMagnetism,标志这一学科的诞生。1949年,Neel理论的提出,奠定了岩石磁学的理论基础。1970以后,Thompson和Oldfield利用岩石磁学方法进行了大量环境研究。1986年,以Thompson和Oldfield发表的专著《EnvironmentalMagnetism》为标志,环境磁学作为一个新的分支学科被明确下来。在此之后岩石磁学理论飞速发展。Evans和Heller(2003)出版的专著《EnvironmentalMagnetism—PrinciplesandApplicationsofEnviromagnetics》是《EnvironmentalMagnetism》的升华,通过大量的实例阐明了磁学方法在环境中的应用,进一步发展了环境磁学。目前全球人口膨胀,环境问题日益严重,环境磁学在解决环境污染方面有其他方法不具有的优点:经济、快速、简单和无破坏性。此外,通过对古沉积物(如黄土序列)的研究能够进一步加深人们对古环境变化的认识,对将来的环境变化有预测作用。但是归根结底,环境磁学是通过磁学参数确定磁性矿物的含量、粒度和类型,从中分离出环境信息,而环境磁学用到磁学参数很多,非常容易混淆,因此弄清环境磁学参数的含义就变得十分必要。自然界中最具普遍意义的磁性矿物可以分为顺磁性、抗磁性、亚铁磁性及不完全反铁磁性。由于物质来源及环境影响造成磁性物质的组成配比,使得不同时间和空间分布的环境物质表现出特定的磁性特征,这为应用环境磁学的基本原理获取相关信息,研究环境的变迁和演化历史,评价环境污染提供了依据。环境物质的磁性特征主要受3个因素控制:①磁性矿物的成分;②磁性矿物的含量;③磁性矿物的粒径;下面主要从这3个方面简述环境磁学用到的磁学参数。2指示磁性矿物的参数2.1磁铁矿fe3o4不同的磁性矿物具有不同的居里点,因而通过测量样品的居里点,可以确定磁性矿物的种类。一般通过k–T曲线(磁化率随温度变化曲线)与Ms–T曲线(饱和磁化强度随温度变化曲线)来确定居里点,但是k–T曲线与Ms–T曲线上的变形点不都总代表Tc。尤其在温度不是很高时,它也可能是一些化学变化引起的,除了Ms–T曲线上的不连续点可以确定一些磁性矿物的居里点外,整个曲线形态变化一般也可以显示一种或多种磁性矿物存在。解阻温度(Tub)描述铁磁性磁性矿物剩磁性质,当矿物的温度达到Tub,热能克服磁能,磁畴状态被破坏,剩磁消失,但此时的磁化率达到最大,继续增温到Tc时,铁磁性矿物变为顺磁性矿物。磁性矿物的阻挡温度各不相同,在零磁场中逐渐升高温度并测量样品剩磁变化,可以确定样品中磁性矿物成分。磁铁矿(Fe3O4)Verwey转换机理:磁铁矿的铁离子分布在两个SITES:A-Sites和B-Sites。(Fe3+)A(Fe3+Fe2+)BO4。两个Sites里的铁离子旋转方向正好相反,Fe3+的磁矩相互抵消,剩下Fe3+的磁矩,从而整个颗粒具有磁性。在较高的温度(>122K),A-和B-Sites之间铁离子的3d电子可以互相交换,从而维持其立方体的结构。但是当温度达到122K时,这些电子的热能减少,被冻结在各自的位置。因为A-Sites和B-Sites之间不对称,所以整个的UNITCELL不再对称,而变成单斜结构。由于磁铁矿的一系列物质性质随之改变,所以Verway转换是检测样品中微量磁铁矿的最有效的低温手段。Verway转换温度不是常数,当磁铁矿晶体中包含杂质或者空位时,温度会降低。赤铁矿Morin转换(图1):当温度从室温下降到大概260K左右,其磁化强度突然降低,但是不会降到零。因为在Morin点以上,spin平行于basal面。而低于Morin点时,spin突然旋转90°,也就是spin垂直于basal面。Morin转换点不是个常数,当杂质增加时,Morin转换会逐渐减弱。当颗粒变小时,这个转换也会减弱。如果能够清晰地分辨出Morin转换,说明样品中的赤铁矿颗粒比较大。2.2亚铁磁性矿物的磁亚铁磁性矿物极其容易获得剩磁,一般饱和磁场小于0.1T,磁铁矿为20mT左右;而不完全反铁磁性矿物要在4~7T的饱和磁场中磁化,才能获得饱和剩磁。IRM-20mT与IRM-30mT分别为样品在-20mT和-30mT条件下(弱磁场)的等温剩磁,弱磁场条件下获得的剩磁是由亚铁磁性矿物贡献的,称为“软”剩磁。磁性矿物在300mT以上磁场中获得的剩磁一般是由不完全反铁磁性矿物引起的,饱和等温剩磁(SIRM)与其差值(SIRM—IRM300mT)称为“硬”剩磁。亚铁磁性矿物的S300%(IRM300mT/SIRM×100%)可以达到90%,S-20[(SIRM-IRM-20mT)/2×SIRM×100%]可达到30%以上,S-100%达到80%以上。多畴亚铁磁性颗粒IRM-100mT/SIRM的比值S<-0.7,而S>-0.3则指示了不完全反铁磁性主导。2.3fi的识别低场磁化率χlf的外加磁场<1mT),高场磁化率χhifi的外加磁场>100mT,高场磁化率一般用于识别是否存在顺磁性矿物和反铁磁性矿物,低场磁化率与高场磁化率之差χlf-χhifi(铁磁性磁化率)一般用于识别铁磁性矿物。3指示矿含量的参数3.1亚铁磁性矿物检测χ、SIRM和ARM在某种程度上主要反映磁性矿物的含量。然而,SIRM和ARM还受到磁性矿物粒度和形状的影响,而χ受颗粒度的影响最小(除SP颗粒外),而且测量快速方便,因此,χ可能是最好的含量指示参数,可以快速指示样品中亚铁磁性矿物含量。3.2s-ratio分析S-ratio和HIRM分别定义为S-ratio=-IRM-0.3T/IRM1T和HIRM=0.5×(IRM1T+IRM-0.3T),S-ratio反映了样品中亚铁磁性矿物(如磁铁矿)与不完整反铁磁性矿物(如赤铁矿和针铁矿)的相对比例,它随着不完整反铁磁性矿物贡献的增加而下降[12,13,14,15,16,17,18]。对于亚铁磁性物质比值接近于1,随着反铁磁性矿物含量的增加,比值减小。HIRM反映样品中矫顽力高的“硬”磁性矿物的绝对含量[12,13,14,15,16,17,18]。4指示矿的粒度参数4.1sp与sd周边颗粒的稳定性频率磁化率χfd%=(χlf-χhf)/χlf×100%对SP与SD附近的颗粒非常敏感,频率磁化率反映的是非常小的颗粒区间,若频率磁化率很小,并不意味着细颗粒的磁性矿物含量少,还有可能磁性矿物颗粒分布很宽。4.2md-polMr/Ms和Bcr/Bc这两个参数对剩磁的状态(超顺磁SP,单畴SD,flower,涡旋votex,多畴MD)和磁各向异性来源(立方晶系,单轴,应力状态)反映灵敏,因此,这两个参数能指示磁性矿物的粒度和形状,为此,Day等用这两个参数作图,称为Day氏图(Day-plot)(图2),可以指示矿物粒径。理论计算表明:对于随机取向、没有相互作用的单轴SD磁性晶粒的组合体来说,理论上Mrs/Ms正好是0.5,不管它们的消磁系数取什么值,其矫顽力比值Bcr/Bc都是1.09;MD晶粒的Mrs/Ms不到0.1矫顽力比将超过4.0;SP晶粒的剩磁比最低,但Bcr/Bc超过10.0。目前,Day-plot是确定磁性矿物粒度最理想的方法,但是它也有局限性,不能区分MD和SP颗粒,而且自然界中的样品往往含有多种粒度的磁性矿物,往往落在Day氏图PSD区域。4.3亚铁磁性矿物颗粒的大小虽然所有的亚铁磁性颗粒都对χ有贡献,但ARM对近稳定SP/SD边界的细小颗粒(如0.02~0.1μm的磁铁矿)非常敏感,而χ对大颗粒(大的PSD或者MD颗粒)的存在敏感些。因此,χARM/χ和ARM/χ可以指示样品中亚铁磁性矿物晶粒的大小,比值随着颗粒的减小而增大,其高值代表样品中以细粒稳定单畴颗粒(SSD)为主,低值反映样品中以粗粒的PSD或MD颗粒为主。但是少量SP颗粒的出现,会使这一参数变得复杂,因为SP颗粒对χ有贡献,而对ARM和χARM没有贡献,因此二者比值减小。4.4sp晶粒和sd晶粒SIRM/χ可用来粗略估计大于几十纳米的磁性颗粒的晶粒度。当磁性颗粒大于SP/SD边界时,该比值随着颗粒度的增大而减小。SP晶粒的特点是χ比较高,而比值SIRM/χ比较低。SP晶粒和SD晶粒混合体的比值SIRM/χ类似于MD晶粒。χARM/SIRM对亚铁磁性矿物的粒度很敏感。因为SP颗粒对ARM和SIRM都没有贡献,使用χARM/SIRM可以避免由于SP颗粒产生的不确定性,通常较低的比值反映了较粗的MD颗粒。4.5kimmu姆SIRM/ARM对检测晶粒度稍大于SP的晶粒