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SD颗粒的TRM基于尼尔理论,在不发生热转化的情况,我们只需要简单地加热降温等手段就可以在实验室合理地模拟TRM(pTRM)过程。能够记录TRM的自然介质主要为火山岩,尤其是玄武岩这种喷发岩,喷发快冷却快,于是形成的磁铁矿颗粒一般都很小,能够记录稳定的剩磁。对于那些侵入岩,比如花岗岩,其冷却时间非常长,所以可以结晶出大颗粒的磁铁矿。结晶时间长还对应着另外一个弊端,就是一块样品记录的是很长一段时间内地磁场的综合响应。所以,目前基本不会用花岗岩来研究古地磁场的变化。
另外考古中用的瓷片、陶片、砖头瓦罐等等都要经过煅烧过程,于是也能记录TRM,是考古磁学研究的上乘材料。
前面提及,洋壳是玄武岩喷发后形成的,符合TRM原理。所以,可以把海底洋壳钻取上来进行研究,不过这可不是一件容易的事情。如果碰到IODP航次要钻取洋壳样品,就要赶紧申请参加。处于保护机制,谁上船工作,谁就优先研究这些岩石,等过了保密期以后,其他人才能申请。
这些TRM信息较为准确,但是时间上不连续。我们不能要求一座火山定时定点地喷发。考古材料只能用来研究过去几千年的历史,而地质历史已经好几十亿年,根本就不匹配。洋壳能够用来研究过去最多一亿年以来的故事,但是洋壳样品非常难以获得。
我们把目光转移到另外一种非常常见的介质,沉积物。湖底或者河底的淤泥,就是沉积物。用手一捞,松松散散的一团泥巴,这个也能记录古地磁信息?
在环境比较稳定的情况,沉积物会越积越厚,在重力压实作用下,水分会慢慢析出,最后经过成岩作用,慢慢变成了沉积岩。
在沉积物中,常常会含有磁性矿物。这些磁性矿物一般都拥有一个初始磁化强度,可能是TRM,也可能是CRM。在地磁场的作用下,这些磁颗粒的M会沿地磁场方向发生偏转。最后在沉积压实过程中,磁性颗粒慢慢被基质锁定(lock-in),从而记录了地磁场的信息,当然也包括地磁场的方向和强度,我们把该剩磁成为沉积剩磁或碎屑剩磁(depositional/detrital remanent magnetization, DRM)。
我们会发现,在水-沉积物交界面以下几公分到十几公分的深度,沉积物中含水量太高,以至于磁性颗粒可以自由地发生偏转,不能有效地记录地磁场信息。只有在这个深度之下,磁性颗粒才能在压实作用下固定下来。我们称这个深度为DRM锁定深度(Lock-in depth)。
除了锁定深度,在其之上我们还要考虑一个表层混合(Surficial mixing layer, SML)深度。海底并不平静,那里还生活着不少生物,比如虾、螃蟹、鱼等等。它们会搅动海底的淤泥,使得SML这一层里的磁性矿物不断地沉积再扰动,然后再沉积。如何判断这一层有多厚呢?工业社会以来,人类制造了很多自然界没有的东西,比如微塑料和工业相关的各种污染物等。这些物质由于混合作用,会在表层分布。一般情况下,SML的厚度为几个厘米。
在SML+lock-in深度之下,磁性颗粒会逐渐被固定,从而记录了和地磁场相关的沉积剩磁DRM。实验表明,DRM和地磁场呈现正相关关系。
但是,我们不能把DRM理解成TRM。后者是在解阻情况,M向H0方向排列,当然肯定不能齐刷刷地排列过去,那就会得到Ms,这显然不是事实。在获得DRM过程中,磁性颗粒的排列效率更低。通过计算模拟显示,其实,只要每个颗粒朝向H0偏转一点点,对于一个样品来说,其DRM就已经和H0正相关了。
在沉积物沉积过程中,磁性颗粒很难独自行动,而是经常和其它颗粒聚集在一起(flocculation),形成更大的颗粒。这就使得DRM成为一种非常复杂的天然剩磁。DRM的形成过程会和非磁性的基质以及水溶液的离子浓度密切相关,离子浓度的变化决定着颗粒之间的汇聚状态。
在实验室中,我们可以模拟这些因素的影响。比如我们不用纯净水,而是用含有一定浓度的NaCl进行沉积实验。结果表明,随着NaCl浓度的增加,DRM的强度迅速降低。当NaCl的含量超过30 ppt时,趋于稳定。
离子浓度的变化直接影响颗粒表面的电荷分布,进而影响颗粒度的聚集过程。可见离子浓度变化的影响甚至会超过外场的作用。
目前对海洋沉积物的DRM研究,成果颇丰,而对湖相和边缘海沉积物的研究则滞后很多。大部分情况下,后者很难得到较为合理的DRM结果。虽然没有深入研究,我猜想应该有如下两个主要因素:
第一个就是离子浓度的变化。无论是湖还是边缘海,水深很浅。湖水蒸发会造成离子浓度的增加。边缘海更是淡水和海水交界的地方,水中离子浓度也会变化较大。
第二个因素就是,这些沉积环境里,物质颗粒变化很大,不均一性太大,不适合DRM研究。
对于磁性颗粒而言,比如磁铁矿,多大的粒径适合记录DRM?
SP颗粒肯定不行,因为它任何剩磁都不记录。
SD颗粒能记录稳定的TRM,它们能记录稳定的DRM吗?虽然单个SD颗粒能够记录一个稳定磁化强度,但是DRM是这些颗粒的磁化强度再次发生旋转而获得的。SD颗粒太小,在沉积物中容易发生物理转动,因而并不是一种可靠的载体。
MD颗粒也不是最佳的载体,因为它的剩磁既不稳定,本身由于颗粒太大,在外场中的偏转效率不高,而且也容易受到扰动的影响。
那最后只剩下PSD颗粒了。实验证实,PSD颗粒才是记录DRM的主力军。在自然界中,大部分情况都是以PSD颗粒占主导。
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