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岩石磁学演绎-前言

已有 1266 次阅读 2020-1-30 11:24 |系统分类:科研笔记

岩石磁学这门学问到底难不难?

亦难亦不难!

面前一架钢琴,七个音阶,八十八个键。初学者很快就能了解其音阶,弹奏出哆来咪发嗦拉西,进而可以弹奏一些简单的乐曲。可是,弹钢琴无止境,大部分人会半途而废,也只有少数人成为钢琴大师。

岩石磁学这门学问类似于弹钢琴。我们会涉及几十到上百种参数,理解其中每一种参数的物理含义并不难,但想要把它们组合起来,难度系数会大增。想要达到随心所欲地解释出各种参数组合的物理意义,更是需要多年的积累与训练。于是乎,很多人就会停留在初学者的阶段,满足于对几个参数的应用,比如磁化率、非粘滞剩磁等等,不愿意进阶。所以,岩石磁学的最难点在于解释多种参数组合,就如同弹奏贝多芬的名曲一样。

岩石磁学中的岩石(Rock是一种泛指,而不是专指固体岩石,几乎包含我们所见的一切物质,比如宇宙中来的陨石、地球上各种岩石、各类土壤、沙漠中的沙子、河湖海底的沉积物、空气中的粉尘、工厂的各种污染物等等。我们可以形象地把岩石磁学看成是一条章鱼,伸出去八只爪子,向各个学科渗透。所以,学岩石磁学最大的好处就是可以和各种专业进行学科交叉,走到学科前沿。

岩石磁学中的磁学等同于物理专业中的磁学,其物理理论基础和所用仪器是一样的。当然二者也有区别,最大的区别在于岩石磁学涉及的磁性矿物都是自然界中的不规则矿物,其形状不规则,粒径分布不均一,格中含有杂质,大多是几种矿物的组合等等,非常复杂。而物理学所涉及的矿物大多是标准矿物。

实际上在最初构建基本模型的时候,岩石磁学肯定要以标准磁性矿物为基础。比如,著名的岩石磁学家David Dunlop据说就有四个神奇的磁铁矿样品,用它们的性质发表了一系列的岩石磁学理论文章。姜兆霞博士在读博士期间,利用实验室合成的含铝赤铁矿构建了复杂的赤铁矿磁学体系,做出了重要贡献,为此也获得了2019年基金委优秀青年基金资助。这些研究都属于把物理磁学标准矿物的思想应用于岩石磁学,进而解决自然介质的复杂机理问题。

学习岩石磁学的人有两类背景:物理出身和地质出身。岩石磁学的目的是要对自然介质中所含磁性矿物的种类、含量、磁畴状态(与颗粒大小和形状有关)、化学计量纯度、氧化程度等等进行精细刻画,然后把这些物理信息再转化为相关的地质学信息,从而构建相关的地质、气候以及环境过程。因此,这么学问就涉及物理学和地质学两大学科基础。

很多时候,地质学出身的人不愿意看数学物理公式,一看到奇怪的符号就头疼。而物理学出身的人对地质过程了解不多,又很难把磁学物理性质和具体的地质过程挂钩。所以,学习岩石磁学的第二个难点就是如何平衡物理磁学背景和地质专业知识,只有二者都兼顾,才能把岩石磁学的功效发挥到极致,否则都难免会有失偏颇。

也正是由于第二个难点,目前并没有特别有效的专业书籍同时满足物理学和地质学的要求。如果初学者一开始就读DunlopÖzdemir夫妇1997年写的《Rock Magnetism》,我敢保证,很快他就会失去耐心。书中通篇的公式几乎是一道不可逾越的鸿沟。我估计为了改变这一现状,EvansHeller2003年写了一本浅显的书《Environmental Magnetism》。这本书隐藏了复杂的物理公式,更多的是把物理参数应用到地质问题和环境问题。但是,这样做的隐患就是缺乏对各种参数复杂性的理解,对复杂地质和环境问题的处理就难以胜任。

因此,学习岩石磁学的第三个难点就是缺乏一本深入浅出,把物理公式和地质应用平衡好的一本专业教材。这使得大多数向学习岩石磁学的人无法下手。

学习岩石磁学这门学问需要一种螺旋式上升的方法。我们很难通过一次学习,通过阅读一遍书就能把其中各种复杂的逻辑关系彻底搞清楚,更不用说熟练地应用。学而时习之,一遍一遍地理解,一遍一遍地训练才能达到熟能生巧。很多人没有注意到这门学科的特点,浅尝即止,学后就忘成了常态。不但降低了学习效率,还严重打击了学习积极性,乃至于学习了几年后,仍只能理解磁化率的一般物理含义。实际上,磁化率很复杂,它和磁性矿物的种类、粒径、工作温度、频率、外场大小等等都相关。如果真正理解了磁化率的各种复杂性质,可以肯定地说,他基本上已经跨越了初学者这个阶段。

不忘初心,牢记使命。

我们学习岩石磁学的最终目的是要解决地质问题。自然界中所含的磁性矿物具有三大功能。第一种就是它们能够在地磁场中定向排列,从而记录古地磁信息。第二种就是它们作为一种特殊矿物,其生成、运移、保存与转化等过程都受控于地质过程。第三种功能就是磁性矿物含铁,而铁则是生物不可或缺的元素。因此,磁性矿物就和生物过程联系起来。从海洋中取来一根钻孔,我们就可以从上述三个方面来对其研究。

如果我们把自然介质中磁性矿物的性质给厘定错了,那就会相应地得出错误的地质模型,与真实的信息离题万里。所以,岩石磁学是基础,是确保得到正确地质模型的关键,很多古地磁和环境磁学问题最后归根结底都是岩石磁学问题。比如中国东部大陆架长序列沉积物定年一直以来就是个难点,这主要因为该地区水浅,环境变化剧烈。除了陆源带来的磁铁矿,还有后期在还原环境下形成的硫化物胶黄铁矿。磁铁矿携带原生的沉积剩磁,而后者则是一种后期干扰信息。刘建兴博士瞄准了胶黄铁矿这个关键矿物,用系统的岩石磁学方法找出这些含有胶黄铁矿的层位,进而分析这些层位的古地磁信息是否可靠。经过这样的处理,他得出的磁性地层就非常合理,彻底改变了前人的年龄框架,为构建陆架区准确的磁性地层做出了贡献。

总的说来,岩石磁学并不是一门特别容易学的学问。但是只要持之以恒,多学好问,拓宽知识面,活学活用,肯定能掌握其中的奥妙。

这本《岩石磁学演绎》就充当引路先锋,我将尽力平衡物理磁学和地质学的知识体系,把公式压缩到最少,把应用推广到最宽。

大家一起在知识体系中畅游,体会做学问的艰辛与快乐!




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