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岩石磁学演绎 第16章 MD颗粒的TRM与地磁场古强度 精选

已有 1188 次阅读 2020-2-18 10:35 |系统分类:科研笔记

         到目前为止,我们遇到的符号和概念越来越多。如果一时分不清,请退回前面章节,进行巩固。        

        SD颗粒的热剩磁符合尼尔理论,具有完美的独立性、可逆性和可叠加性。而MD颗粒M的变化是由磁畴壁移动造成的,这种行为就比较复杂。比如对SD颗粒来说,在(T1T2)温度区间获得的pTRMT1T2),只能在(T1T2)区间解阻,被热退磁。但是,这个规则对MD颗粒不成立。

我们来做一个实验,类似于SD颗粒,我们也让MD颗粒获得一个(T1T2)温度区间的pTRMT1T2),然后对这个剩磁进行热退磁。结果发现,在T1之前,pTRM就已经开始部分解阻了;到了T2的时候,还有一小部分剩磁没有退完,需要更高的温度才能把它完全退磁。这到底是什么原因呢?

MD颗粒的剩磁是由于磁畴壁移动造成的。磁畴壁移动的路径上会存有很多沟沟坎坎。只要一加热,磁畴壁就会克服一些小的沟坎,向原始的平衡状态转化,所以在T1之前就会被部分退磁。到达了T2时,还有一些更高的沟坎没有被克服,也就是会遗留一小部分剩磁。

我们把T1之前退掉的剩磁叫做pTRM“前尾巴(pre-tail)”,把T2之上才退掉的剩磁叫做后尾巴。这些尾巴会对Arai-plot造成什么样的影响呢?

因为有了前尾巴,MD颗粒的TRM在低温段会更容易退磁,在Arai-plot上面,点会向下移动。在T2之上,因为存在后尾巴,TRM相对不容易被退磁。这两种情况叠加起来,就会形成一种向下凹陷的曲线。

面对这种曲线,我们就会显得很棘手。到底用那一段去拟合直线,进而计算斜率呢?显然,在低温段,斜率会偏大,估算的古强度会偏高。那么用高温段的数据拟合直线,斜率会偏低。总之,对MD颗粒而言,用哪一个温度段的数据去拟合直线都无法得到准确的地磁场古强度。

自然样品中,PSD/MD颗粒是最为常见的磁畴状态,常常和SD颗粒混在一起。既然MD颗粒会造成Arai-plot行为扭曲,我们能不能在实验过程中把MD颗粒的影响去除掉?

那我们就来分析一下SDMD颗粒的磁学行为到底有什么不同。SD颗粒非常稳定,其矫顽力一般大于20 mT。而MD颗粒的剩磁不稳定,其矫顽力一般要小于20 mT

有了这个物理基础,我们就可以利用二者之间矫顽力的不同来加以区分。最为有效的就是交变场(Alternating fieldAF)退磁。

AF退磁过程需要用到交变场。目前实验室的AF最大峰值一般可到100-150 mT,最高可到300 mT。在实验过程中,设定一个峰值AF和衰变频率(decay rate),在零场中,让AF场逐渐衰减到零。我们可以想象,变化磁场,其实就是让外场克服HK,从而让M达到相对混乱地排列的效果。

对于MD颗粒,将AF峰值设定为20 mT就可以有效地去除其携带的剩磁。所以,在传统的Thellier地磁场古强度实验中,在每一步之前我们都进行20 mT AF退磁,就有可能压抑MD颗粒的剩磁影响,从而突出SD的剩磁行为。

对于MD颗粒,除了AF退磁,还有一种退磁方式叫做低温旋回(Low-T cyclingLTC)退磁。其基本原理是,磁畴壁对高温和低温都敏感。在低于300 K,随着降温,磁畴会发生变化。但是当回到300 K时,却不能返回到初始状态,于是就达到了部分退磁的目的。想实现LTC退磁,还是很容易的。在零磁环境里,把古地磁样品泡到液氮里,然后捞出来升到室温,就实现了LTC退磁。

无论是AF退磁,还是LTC退磁,都大大地增加实验步骤,使得古强度实验变得非常繁琐,让人望而却步。

如果你认为这样就可以获得完美的古强度数据了,那就太小看这个研究方向了。影响实验结果的因素非常多,我们接下来娓娓道来。

之前我们说过,即使对SD颗粒,它的磁化需要时间。如果降温速度太快,SD颗粒可能就没有时间被充分磁化,其TRM就会低一些。反之,如果降温很慢,SD颗粒就能被充分磁化,达到最佳磁化状态,TRM就会高。所以,降温速率确实会影响TRM的强度,当然也会影响对H0的估算。

对于一组具有单轴各向异性的SD颗粒,其获得的热剩磁与饱和等温剩磁的比值为:

MTRM/Mrs = 2 ln(f0t)H/HK(TB)                   

受到降温速率的影响。StaceyBanerjee (1974)推导出

T = [kTB/DE(TB)][TB/ (-dT/dt)]                    

其中DE是能垒。

联合这两个式子可以看出,TRM的获得与降温速率反相关。降温越慢,TRM越大。

自然界中,熔岩流的降温可能需要几个月甚至更长的时间,而实验室获得TRM的过程降温只需要一两个小时,所以降温速率相差好几个数量级。于是,我们必须要做降温速率补偿。

如果存在明显的各向异性,我们还需要进行AMS校正。除了火山岩,考古陶片或者砖头都可以被用来研究地磁场古强度。不过这些人工烧制的东西,压实度很大,AMS也就很大,会对剩磁状态产生影响。

古地磁强度试验,需要反复加热,造成矿物转化。为了减小这种加热影响,John Shaw教授提出了一种新方法,只需要一步加热获得完全的TRM即可。为了矫正加热前后可能的矿物转化的影响,会测量样品加热前后的非磁滞剩磁(anhysteretic remanent magnetizationARM,我们之后会讲到这个剩磁),ARM1ARM2。同时这两个ARM的比值还可以用来作为校正系数。我们把这种测量方法称之为Shaw方法。

为了确保实验结果可靠,大家还常常同时做ThellierShaw方法。如果两种方法的结果很一致,就加大了数据结果的可靠性。

可是,即使是Shaw方法,也需要加热,就难免还是要产生氧化等影响。于是,又有科学家从加热炉子入手,往炉子里通入氩气,这样在加热过程中,就不会发生氧化,从而确保了样品的新鲜度。




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2 黄永义 徐义贤

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