古地磁學(xué)與環(huán)境學(xué)課件：第二章 磁性地層學(xué)

1物質(zhì)的磁性2磁性地層學(xué)3磁性地層學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)磁偶極子的磁矩M=ml偶極子1、物質(zhì)的磁性質(zhì)物質(zhì)通過(guò)產(chǎn)生磁性感應(yīng)外界磁場(chǎng)，部分物質(zhì)在無(wú)外磁場(chǎng)的情況下也能產(chǎn)生自發(fā)磁化.所以，可以把物質(zhì)的磁化分成兩部分：感應(yīng)磁化－只有在外磁場(chǎng)時(shí)才存在；剩余磁化－零場(chǎng)時(shí)也可以存在的磁化1.2磁矩

電流產(chǎn)生的磁矩

M=ir2

Jiles,1992

磁矩M的單位為Am2

磁矩在均勻磁場(chǎng)的力矩()和靜磁能(Em)力矩Em=-M?H=-MHcos量子化的原子磁矩玻爾磁子：MB=9.2710-24Am2磁化強(qiáng)度單位:Am-1或Am2kg-1

磁化強(qiáng)度

質(zhì)子和電子可以等效于小磁矩，當(dāng)有外場(chǎng)作用時(shí)，它們會(huì)被感應(yīng)磁化.感應(yīng)磁化強(qiáng)度與外場(chǎng)H的關(guān)系為：

其中是體磁化率（bulkmagneticsusceptibility），它是多種參數(shù)的函數(shù)，諸如樣品的定向、溫度、應(yīng)力狀態(tài)、觀測(cè)的時(shí)間尺度以及外場(chǎng)大小等，但是它通常作為標(biāo)量使用磁化率：magnetizabilityofasubstanceJi=H磁化率Diamagnetism水（-0.910-8m3/kg

）與溫度T無(wú)關(guān)典型礦物：石英，SiO2（約為水的一半）外加場(chǎng)只改變電子運(yùn)動(dòng)軌道Paramagnetism~3.510-5SI典型礦物：Fe2SiO2Ferromagnetism礦物的磁性：Paramagnetism

具有原子磁矩，原子磁矩之間無(wú)相互作用原子磁矩與外場(chǎng)和熱能有相互作用原子磁矩M＝2MBT=300K

外場(chǎng)H＝103T（109A/m）

磁能＝1.8510-22J熱能kT=4.1410-23J通常，實(shí)驗(yàn)室磁場(chǎng)是n個(gè)T（106A/m），1.8510-25JCurie’slaw

=J/H=nM2/3kT=C/T注意：室溫Paramagnetism無(wú)剩磁，對(duì)有貢獻(xiàn)

Ferromagnetism具有原子磁矩，原子磁矩之間有相互作用原子磁矩與外場(chǎng)和熱能有相互作用

Generallyspeaking:上述四種通稱為鐵磁性Stricklyspeaking:

Ferromagnetism才是鐵磁性,地球上無(wú)Ferromagnetism

在古地磁(甚至磁學(xué)領(lǐng)域)人們認(rèn)為的一些重要鐵磁性礦物，實(shí)際上主要是FerrimagnetismCantedantiferromagnetismImperfect

bcd

none鐵磁性礦物的最大特點(diǎn)Hysteresisloop，居里（奈耳）溫度之下＝剩磁，居里（奈耳）溫度之上－Paramagnetism

主要磁性礦物的性質(zhì)磁鐵礦磁赤鐵礦鈦磁鐵礦赤鐵礦剩磁(Jr)是在某些晶體中鄰近電子自旋有很強(qiáng)的相互作用引起

物質(zhì)對(duì)磁場(chǎng)的記憶古地磁學(xué)

物質(zhì)剩磁的起源相互作用能—Interactionenergy內(nèi)部退磁場(chǎng)形狀各向異性磁晶各向異性與磁晶各向異性能磁晶各向異性常數(shù)單疇顆?！猻ingle-domaingrainsMagnetited0=0.1μmJs=480kA/mHematited0=15μmJs=~2.5kA/m

磁鐵礦磁赤鐵礦鈦磁鐵礦赤鐵礦剩磁的熱行為？

當(dāng)溫度增加時(shí)，晶格會(huì)擴(kuò)展，交換作用會(huì)變?nèi)?高于每種晶體類型的特定溫度（稱為居里溫度Curietemperature，Tc），相互作用的電子自旋行為會(huì)完全消失，物質(zhì)就變成順磁性了.溫度剩磁冷卻加熱Tc磁性馳豫—Magneticrelaxation超順磁—Superparamagnetism阻擋溫度—Blockingtemperature

Mt=M0e-t/τ

τ=feE1/E2=fexp(vHcJs/2kT)

磁鐵礦磁赤鐵礦鈦磁鐵礦赤鐵礦剩磁在強(qiáng)磁場(chǎng)的行為？單疇顆粒多疇顆粒似單疇顆?！狿seudo-single-domaingrains

Jr/JsHc較小的Hc和τ

磁鐵礦磁赤鐵礦鈦磁鐵礦赤鐵礦

古地磁學(xué)的重要基石－單晶能夠克服各向異性能，從而使得磁化強(qiáng)度從某種低能狀態(tài)轉(zhuǎn)到與外界地磁場(chǎng)相關(guān)的高能均衡狀態(tài)，并被“凍結(jié)”從而能夠在地質(zhì)時(shí)間尺度上被保存在巖石中

磁鐵礦磁赤鐵礦鈦磁鐵礦赤鐵礦自然界巖石獲得剩磁的過(guò)程？地磁場(chǎng)火山巖剩磁記錄地磁場(chǎng)FromTauxe

磁鐵礦磁赤鐵礦鈦磁鐵礦赤鐵礦熱剩磁的特點(diǎn)1－對(duì)弱磁場(chǎng)，熱剩磁的強(qiáng)度和冷卻時(shí)的外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度線性相關(guān)2－pTRM彼此獨(dú)立3－pTRM具有可加性沉積剩磁(DRM)記錄地磁場(chǎng)

在沉積環(huán)境中，巖石被磁化的過(guò)程和火山巖中的熱剩磁行為完全不同.碎屑顆粒在沉積前已被磁化(主要為熱剩磁)，這和火山巖中晶體處于它們的居里溫度點(diǎn)之上不同.磁性碎屑顆粒沉積時(shí)會(huì)和外界磁場(chǎng)保持一致－DRM.但是，磁性顆粒在沉積后會(huì)受生物或其他擾動(dòng)重新排列，稱為沉積后剩磁(

pDRM)沉積剩磁記錄地磁場(chǎng)的可靠性

一些沉積剩磁的傾角會(huì)比預(yù)期的外磁場(chǎng)的傾角小，這個(gè)現(xiàn)象稱為傾角誤差.實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的傾角的正切一般是外磁場(chǎng)正切的0.40.6值得注意的是，許多天然沉積物(比如深海或沉積速率很低的湖相沉積物)沒有傾角誤差.最不理想的沉積物是剩磁載體為碎屑赤鐵礦，它是片狀的顆粒，有很小的飽和剩磁沉積后擾動(dòng)對(duì)剩磁的影響非常大.且不易觀測(cè)到，所以，不是所有的“觀測(cè)異?！倍计鹪从诘卮艌?chǎng)本身Lock-inofDRM：DewateringandconsolidationEstimatesoflock-intimerangeupto103yr

化學(xué)剩磁ModifiedFromTauxe

磁鐵礦磁赤鐵礦鈦磁鐵礦赤鐵礦化學(xué)剩磁的特點(diǎn)巖石或沉積物中的磁性礦物在形成以后經(jīng)常會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的變化而發(fā)生變化赤鐵礦在低溫生長(zhǎng)時(shí)所攜帶的剩磁被稱為顆粒生長(zhǎng)型化學(xué)剩磁（graingrowthchemicalremanentmagnetization,g-CRM）磁鐵礦風(fēng)化－磁赤鐵礦CRM與外磁場(chǎng)的關(guān)系很復(fù)雜

2磁性地層學(xué)

Magneticstratigraphyormagnetostratigraphy

定義:

研究巖石單元的磁特征

磁性地層分類

1-磁極性地層

Magneticpolaritystratigraphy2-巖石磁性地層

Rockmagneticstratigraphy3-古強(qiáng)度磁性地層

Paleointensitymagneticstratigraphy4-地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變磁性地層

SVmagneticstratigraphy

2.1磁極性地層的定義

什么是地磁極性？什么是地磁極性倒轉(zhuǎn)？地磁極地磁極現(xiàn)在地磁場(chǎng)形態(tài)78萬(wàn)年前地磁場(chǎng)形態(tài)

通過(guò)測(cè)定不同時(shí)代沉積物的剩磁，就可以確定沉積物形成時(shí)的地磁極性磁極性地層的發(fā)展歷史-1

1－Khramov(1958)-大陸沉積物

2－Cox(1963)-火山巖剩磁＋年代學(xué)

命名：Brunhes,Matuyama,Gauss,GilbertAge/Ma磁極性地層的發(fā)展歷史-2

Harrison等

(1964)-海洋沉積物

Vine&Mathews(1963)proposed

線性海洋磁異常起因于地磁極性倒轉(zhuǎn)磁極性地層的發(fā)展歷史－3Vine等(1965)-海洋磁異常條帶－－10Ma

Heirtzleretal(68)－－早于C33，線性磁異常不明顯意大利的陸相地層表明CNS存在

C33C1正極性編號(hào)

M－sequence最初只給負(fù)極性編號(hào)(M1-M25),但M2和M4表示正極性－－混淆后來(lái)編號(hào)為M0,M1,M3,M5,M6,M7...Channel(1995)--M1-M29Handschumaker(1998)--M1-M38C34M0M29165Ma以來(lái)地磁極性倒轉(zhuǎn)序列磁極性地層的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)建立可以測(cè)量需要研究的地層Doell&Dalrymple(1966)-Event(discoveryplace)Jaramillo(NewMexico,JaramilloCreek)Olduvai(Tanzania,OlduvaiGorge)磁極性地層－極性亞時(shí)與短極性事件MagneticpolaritystratigraphyVerylowamplitude,butcorrelatable,magneticanomalieshavebeencalledtinywiggleorcryptochron--canbemodeledSPCorintensityfluctuation--~20kyrSomehavebeenidentifiedasSPC--Reunion--CobbMountainTinywigglesincontinentsediment??Unlikemarinesediments,terrestrialsediments-nonhomogeneous,variationrateForelandbasininthefrontoftherisingHimalayan

--SiwaliksofPakistanandIndia--sedimentaryenvironmentmeanderingriversystem--sedimental:mudstones,sandstones,gravelsdeposition

--manyhiatus

--gapinterval~1000years--105~106yearscontinues

國(guó)際地層表

Pliocene(N2)/Pleistocene(Q1)--1.77Ma(2.6)Miocene(N1)/Pliocene(N2)------5.3Ma(5.3)Oligocene(E3)/Miocene(N1)-----23.5Ma(23.3)

Eocene(E2)/Oligocene(E3)------33.7Ma(32)Paleocene(E1)/Eocene(E2)------53Ma(56.5)Cretancous(K2)/Paleocene(E1)--65Ma(65)K1/K2---96Ma(96)J3/K1---135Ma

值得注意的基本概念

地磁極性帶與海洋磁異常

PolarityzoneandOceanicmagneticanomalyPolarityzonelabels--polaritychronC26Oceanicmagneticanomalynumbers--anomaly26DifferentPhenomena,buttheyhaveacommoncauseandbetimecorrelaive磁性地層－三部曲

第一步：野外

Geologicsetting-地層厚,連續(xù)

Samplingschedule,褶皺,倒轉(zhuǎn)，礫石

定向－地層，樣品

第二步：加工樣品

第三步：實(shí)驗(yàn)

地磁場(chǎng)----歌唱家

巖石------錄音機(jī)

如何獲得巖石形成時(shí)地磁場(chǎng)的信息??需認(rèn)識(shí)巖石的磁學(xué)性質(zhì)－－這是過(guò)去少有注意

如何確定地磁極性?VGP的緯度--Normal--Reversal--Transition

磁極性地層

應(yīng)用實(shí)例元謀古猿的生存時(shí)代？Sunetal.,2004,EPSL~7Ma是天山的重要隆升期

2.2-巖石磁性地層

Rockmagneticstratigraphy

Lithology+Susceptibility

Lithology+Susceptibility＋磁極性地層磁極性地層＋磁化率Heller&Liu,Nature,19825254501402803.04.25.40.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.6BM_JOMG_BM_JOMG_100120(m)Units53791111719212315132729313335372539414345515347495557596163656971736775777981838589919587931011031046636CMCompositebenthicoxygenisotoperecordV19-30/ODP677/ODP846Mediangrainsize(mm)Luochuan

SectionAge(myr)MagneticPolarityMagneticPolarity979900204060S080S1S2S3S4S5S6-IS7S8S9S13S12S11S10S17S16S15S14S19S20S21S18S23S26S25S24S27S28S29S30S31S32L15L9L24L1L2L3L4L5L6L12L13L14L8L16L21L29L33S6-IILoessRedclayPaleosolWeaksoilSandyloessPaleomagneticpolarityMagneticsusceptibility(c10-8m3kg-1)磁極性地磁＋磁化率＋氧同位素怎么用磁性地層學(xué)研究B