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岩石磁学演绎 第13章:磁滞回线参数构建的图 精选

已有 1273 次阅读 2020-2-14 22:52 |系统分类:科研笔记

自然样品中单轴(UniaxialSD颗粒(USD)的易磁化轴会随机排列,该样品的饱和等温剩磁Mrs和矫顽力Hc分别为

Mrs = 0.5 Ms

Hc ~ 0.5 HK                                                           

如果SD颗粒由结晶各向异性主导,其Mrs/Ms值要偏高

Mrs = 0.832 Ms              (沿着<100>         

Mrs = 0.866Ms              (沿着<111>

因此,正如前一节所讲,Mrs/Ms是判断SD颗粒形态的一个重要指标。如果该比值大于0.5,说明其形态以球状或者立方体为主,约等于0.5,说明以单轴各项异性占主导,SD颗粒的形态为拉长形。

与磁滞回线匹配的实验是反向加场退磁测量。首先让样品达到饱和状态,获得一个Mrs,然后反向加场,使得部分沿正向排列的磁矩反向偏转,从而达到部分退磁的效果。去掉反向场后,测量退磁后的剩磁。然后逐渐增加反向场,反复测量每步的剩磁,从而得到一条完整的反向加场退磁曲线。使样品剩磁达到零的反向场叫做剩磁矫顽力(remanent coercivityHcr 或者 Bcr)。

    对于SD颗粒,其

Hcr = 1.09Hc

为了确定磁性颗粒的磁畴状态,并解决SPMD性质的相似性问题,Day et al. (1977)提出了一种磁滞参数组合图,称之为Day图。其横轴是矫顽力和剩磁矫顽力的比值(Bcr/Bc),纵轴是饱和等温剩磁和饱和磁化强度的比值(Mrs/Ms)。在传统的Day图中,把0.05 < Mrs/Ms < 0.51.5 < Bcr/Bc <4区域定义为PSD区域。而SDMD颗粒分别位于左上角和右下角,其它区域则没有明确归属。

这个图在早期研究非常受欢迎,几乎是每个古地磁文章的标准配置。可是,传统的Day图并没有把SP颗粒进行划分,这主要是早期Day在研究这些颗粒的时候,没有利用合成实验产生SP颗粒,所以也就没有相关的实验支持。

实际上SP颗粒会对样品的磁滞回线产生重要影响,比如造成细腰型的磁滞回线。同时,虽然SP颗粒不贡献剩磁,但是会贡献Ms

为了解决SP颗粒对Day图的影响,Dunlop教授利用理论计算的方式得出了新的Day图划分方案。在Dunlop et al. (2002a)修改后的Day图中,Mrs/Ms = 0.5USD颗粒最主要的特征。MD颗粒携带剩磁的能力很低,一般 Mrs/Ms <0.02MD颗粒的特征。PSD颗粒的Mrs/Ms落在0.020.5之间。Brc/Bc的趋势正好和Mrs/Ms的趋势相反。MD颗粒的Brc/Bc >5,而SD颗粒的Brc/Bc <2

新的Day图给SP颗粒一个明确的归属,对于SD+SP的混合物,它们位于MD上方的区域。随着SP粒径的增加,会向右上方分布。

值得注意的是,Day图的解释具有多解性。对处于传统PSD区间的点,可以对应于真的PSD颗粒,也可以对应SD+MD以及SD+SP的混合物,这就造成了多解性,以至于自然样品大部分情况下都落在所谓的PSD区间,失去了方法的灵敏度。

Roberts教授2018年在《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》上发表长篇综述文章,对Day图的多解性及影响因素进行了非常系统的总结。造成Day图多解性的原因非常多,比如磁性矿物组合、磁畴状态组合、氧化度、化学计量纯度以及磁相互作用等等。

当具有不同矫顽力的磁性矿物混合时,这些矿物在低场和高场的贡献不一致。比如,在低场,SPMD颗粒对场的变化反应敏感,而在高场,SD的贡献会逐渐加强,整体造成细腰形的磁滞回线。这种SP+SD混合颗粒,其Mrs/Ms较高,但是由于矫顽力低,造成较高的Bcr/Bc,在Day图上的投影点会向PSD右边的区域移动。

Roberts教授所提的问题都成立,但是我并不赞成彻底抛弃Day图,因为磁学参数本身就会受到多因素的影响。只是简单地利用任何磁学方法和参数,几乎都会被多解性所困扰。问题的关键,还是要多方法协调,把控制因素研究清楚。

由于Day图采用的是磁滞参数的比值,丢失了参数绝对值的信息。比如,矫顽力的大小对磁畴状态也非常灵敏。为此,Lisa Tauxe教授把Day图成矫顽力。

对于磁铁矿,PSDSD颗粒的临界点为Bc = 20 mT,对应结晶各向异性能占主导的SD颗粒(CSD)Mrs/Ms等于0.5,对应着单轴各向异性能占主导的SD颗粒(USD)。随着 Bc的逐渐增大,USD颗粒的拉长度会逐渐增大。与Day图相比,由于应用了矫顽力的绝对值,此图还可以区分CSD+SPUSD+SP的混合物。因此,联合应用Day图和Mrs/MsBc的相关图,可以获得更多的磁畴信息。




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2 黄永义 师永辉

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