古地磁方向的获取讲解.docx

1、古地磁方向的获取讲解第九章 古地磁方向的获取（Lisa Tauxe著，黄宝春译）建议读物背景知识：Butler (1992)第四章；详细了解：Collinson (1983)第八、九章9.1 前言正如第五讲所讨论的，岩石获得磁化的方式多种多样。火成岩和沉积岩均可能受到后期化学变化的影响，而获得次生的磁化。许多磁性矿物均受到粘滞剩磁的影响。岩石中各种不同磁化分量累加起来构成了岩石的天然剩磁（NRM），这一剩磁是岩石样品取出后的“原始”剩磁。古地磁实验室工作的目标正是分离各种剩磁分量，研究其成因、磁化年龄及稳定性。然而，在开始实验室工作之前，我们首先必须进行采样，且采样方案对一项成功研究至关重要。

2、我们将首先简要地介绍采样的技术、定向方法及总的原则；然后将扼要地介绍一些有效的评价古地球磁场方向的野外和实验室技术。9.2 古地磁采样对岩石单元进行古地磁采样的目的有好几种。其中之一是为了平均掉采样本身所带入的误差；而另一个目的则是评估记录介质的可靠性。此外，为了获得能够代表岩石单元形成时获得的、经时间平均的古地球磁场方向，我们希望通过合理的采样来消除由地球磁场长期变化所引起的偏离。在一个单一的采样单元（称之为一个采样点）上，可以通过采集一定数量（N）的独立定向的样品来消除记录和采样的“噪声”。一个采样点的样品必须采自一个单一的时间单元，即来自于一个单一的冷却单元或相同沉积层位。即使最仔细的样

3、品定向过程也可以有几度的定向误差。由于定向精度正比于N1/2，因此为了提高定向精度，需要采集多个独立定向的样品。采样的数量需根据特殊的研究方案而确定。如果想知道极性，也许三个样品就足够了（这些样品将被用于最初评估“记录噪声”）。另一方面，如果探讨地球磁场的长期变化，则需要更多的样品以抑制采样误差。古地磁学的一些研究需要平均掉地球磁场的长期变化（古地磁“噪声”）以获得时间平均的古地球磁场方向。地球磁场随时间变化的周期可以从毫秒变化到数百万年。我们有理由假定时间平均的，比如说10万年平均的地球磁场一级近似为轴向地心偶极子的磁场（等价于一个在地球中心沿地球旋转轴放置的磁棒所产生的磁场；参见第二讲）。

4、因此，当要获得一个时间平均的磁场方向时，必须布置足够多的采样点以跨越足够长的时间，以便消除地球磁场长期变的影响。凭经验在10万年时间尺度内布置大约100个采样点为佳（每个采样点采集9至10个样品）。古地磁样品可以用汽油钻或电钻采集，从一个活塞式岩芯中取出的样品可以称之为“手标本”或“子标本”。样品在被取出之前必须定向。样品的定向有许多种方法。图9.1, 9.2, 9.3和9.4分别列举了几种常见的采样和定向方法。如果在野外采用磁罗盘定向，所测得的方位角必须进行地方地磁偏角校正。地方地磁偏角可以从已知的参考地磁场（国际参考地磁场IGRF及DGRF）计算得到。用太阳罗盘定向，样品方位角的计算更棘手

5、一些。如图9.5所示，一个带竖直指针（“指时针”）被放置在一个水平的平台上。野外需要记录下与岩芯钻取方向（反倾向方向，译者注）相对应的太阳影子角 () 和采样的准确时间及采样点的地理位置。有了这些数据，借助于天文年鉴或一个简单的运算法则（参见附录），就可以在合理精度范围内计算出所需要的方向（误差的最主要来源其实来自于太阳影子角的读数！）。一项由（加里福利亚大学圣地亚哥分校）斯克里普斯海洋研究所的C. Constable和 and F. Vernon提出的新的定向技术（参见图9.6）是应用差分的GPS技术确定方位角。在一个无磁的基线装置的两端安装两个Novotel GPS接收器，基线的地理位置及

6、方位角由两个GPS接收器的信号计算得到。基线的方位可以通过一个安装在基线装置上的激光转换成古地磁样品的方向，这个激光需对焦于一个粘连在古地磁样品定向装置上棱镜上。由差分GPS装置确定的方位与太阳罗盘的定向数据几乎是一致的，但是这一技术的实施过程至少需要半个小时且装置本身运输起来相对笨拙。然而，在高纬度地区的进行古地磁野外工作，当不可能有效利用太阳时，差分GPS技术是一个很大的突破。图 9.1：用水冷却轻便岩石采样钻机的采样技术：a) 样品的钻取，b) 在样品的四周塞进一个带可调节平台和狭缝的无磁套管。将狭缝旋转至样品的顶部，用太阳罗盘或磁罗盘及倾角测量装置记录下样品钻取方向（反倾向方向）的方位

7、角和倾角。用黄铜丝或铜丝通过狭缝在样品上进行标记。c) 取出样品。d) 在样品的钻取方向（反倾向方向）画上永久的箭头，并对样品进行编号。在野外记录簿上记下样品名及定向数据。9.3 坐标转换样品被带回到实验室之后首先需要切割成标准大小和形状（见图9.7）。这些切割成子样品称之谓古地磁标本（paleomagnetic specimens）。样品坐标系由右手法则确定：拇指(X1)指向样品的标志箭头方向，食指(X2)与拇指在同一个平面内，但沿顺时针方向与拇指成直角；中指(X3)垂直于其余两个方向（图B1a）。数据通常需要从样品坐标系转换到地理坐标系。这一转换可以通过立体图的图解或矩阵运算来实现。我们将

8、在附录种扼要介绍后一种方法。图9.2：松软沉积物的手标本采样技术：a) 掘挖至新鲜的沉积层，b) 锉出一个平面，c) 测量样品的走向和倾角，并在样品上做上记号，d) 取出样品并进行标识。9.4 剩磁测量古地磁样品的剩磁测量可以在各种不同类型的磁力仪上进行。其中，最便宜同时也是最容易操作的是一种通过旋转样品而产生变化的电动势（emf）旋转磁力仪。这一电动势正比于磁化强度，且其可在样品坐标系的三个坐标轴方向上分别被确定。沿某一给定坐标轴的磁化强度可以通过在一组检测线圈内旋转磁矩所产生的电压测定。另一个流行的方法是利用低温磁力仪（参见图9.8）测量样品的磁化强度。这一磁力仪采用所谓的超导量子干涉装置

9、（SQUIDs）。在一个SQUID中，样品所产生的量子通量反比于超导线圈环中所流过的电流。超导环由一个弱连接所构成，这一弱连接会在一些很低的电流密度，即很小的量子通量下失去超导性。因此超导环中量子的通量将随离散量子数的变化而变化。随着每一个递增量被计数，总的量子通量与沿SQUID轴向的磁化强度成一定的比例。相比于旋转磁力仪，低温磁力仪更快捷，灵敏度更高，但其成本和使用费用也更高。磁力仪被用来测量确定一个磁化强度矢量所需要的三个分量（如：x1, x2, x3）；而这些测量数据可以通过第二讲中所介绍的方法转换成更常见的磁化强度的表示方式，即D、I和M。9.5 退磁技术任何接触过磁体（包括磁带、信用

10、卡及磁铁）的人都知道磁体容易被改变。如果受热或受压，很可能被退磁或改变其磁学性质。放置在汽车仪表板上的盒式磁带如果经阳光爆晒其声音会改变；被干燥机“干洗”过的信用卡在结帐柜台前很可能引起很大的麻烦；被摔过的磁铁，之后再也不能很好工作。人们不能想象被放置在强烈的阳光下或被深深埋入地壳中的岩石（更不用说遭受成岩作用变化或经铁锤、钻孔机、丁字镐等捶打的岩石），很可能不能完全完整无缺地保存其最初始的剩磁矢量。这是因为岩石中通常包含数百万个小磁体，而这些小磁体很可能部分地或全部地重新排列，或在岩石形成之后慢慢地生长。在多数情况下，岩石中仍然有些颗粒携带最初始的剩磁矢量，但通常颗粒群体获得了新的磁化分量。

11、 图9.3：定向考古材料的采样技术。a) 从一个受烘烤过的炉膛切下一块大的样品。b) 在样品上覆盖上一层无磁的熟石膏。在熟石膏未干之前，在其上放置一块树脂玻璃，并用水平仪将树脂玻璃调节水平。c) 在石膏干了之后，在水平表面上记下磁北方向（照片引自Evin等，1998）。在地质历史长河中，某些颗粒能够获得足够的能量去克服磁各向异性能而改变其磁化方向（第五讲）。在这种情况下，岩石能够获得与外磁场方向一致的粘滞剩磁。由于携带粘滞剩磁的颗粒必须具有相对低的磁各向异性能（用磁学的术语来讲，它们是“软磁”），我们认为“软磁”颗粒对剩磁的贡献比携带早期剩磁、更稳定的“硬磁”颗粒的贡献更容易被完全打乱。有效分

12、离不同剩磁组分的实验室技术有多种。古地磁学研究人员依据（剩磁组分的）驰豫时间、矫顽力及温度之间的关系来实现对低稳定性剩磁组分的消除（退磁）。退磁技术的基本原理就是驰豫时间越短，颗粒越容易获得次生磁化。交变磁场（AF）退磁的根据是驰豫时间较短的剩磁组分必然具有相对低的剩磁矫顽力；而热退磁的根据则是驰豫时间较短的剩磁组分还具有相对较低的阻挡温度。在交变退磁过程中（参见图9.9a），需要在零磁场环境下对古地磁样品施加一个振荡的磁场。所有矫顽力小于交变退磁场（AF）峰值的颗粒磁矩将随交变磁场方向的变化而变化。当交变磁场的峰值衰减至颗粒矫顽力之下时，这些被“激活”的磁矩将被固定。假定样品具有一定矫顽力范

13、围，那么低稳定性的颗粒将有一半被固定在交变磁场的某一方向上，而另一半被规定在另一个方向上，导致这些低稳定性颗粒对剩磁的净贡献为零。在实际退磁过程中，我们需要分别在三个相互正交的方向上对样品进行退磁，或在退磁过程中让样品随三个相互正交的方向“翻滚”。 图9.4：沉积岩芯的采样。一个带通气小洞的塑料小方盒被压入剖开岩芯的表面。定向箭头指向“岩芯的上方”。样品取出后标上样品名。图片引自Kurt Schwehr的互联网站点。这里值得指出的是，尽管不是自然而然产生的剩磁，样品在逐步衰减的交变磁场中，可能产生一种与冷却过程中形成的热剩磁（TRM）很相似的剩磁。由磁性驰豫时间的表达式（第五讲）可以看出交变退

14、磁过程中产生的“人造”剩磁的大小反比于颗粒的磁各向异性。如果我们在一个颗粒上施加足够强的交变磁场以代替温度的升高来克服磁各向异性能（矫顽力），则颗粒的磁化方向将转至磁场方向。随着每一次连续振荡的交变退磁场峰值的降低，无论在什么情况下只要当磁场下降至矫顽力之下时，磁性颗粒都将被锁定在磁场方向上。如果这时存在一个小的偏斜的直流磁场，则会在偏斜磁场方向上产生一个统计上的优势磁矩，其形成过程类似于磁性颗粒在冷却过程中获得热剩磁（TRM）的过程。这种由于交变退磁过程中小的偏斜直流场的存在而产生的净磁化称之为非磁滞剩磁或ARM。热退磁（见图9.9b）利用的是驰豫时间与温度之间的关系。在居里温度之下，总是存

15、在这样一个温度，使得驰豫时间缩短为数百秒。当样品加热至这一温度时，所有驰豫时间缩短为数百秒的颗粒均重新随磁场方向排列。这一温度即为解阻温度。如果这时外磁场为零，则所有颗粒将会随机分布，其产生的净磁矩为零。随着温度的下降，并重新回到室温，驰豫时间将按指数规律增大，直至这些磁矩再一次被锁定。通过这一方式，磁稳定性相对低的颗粒对天然剩磁（NRM）的贡献将被清洗掉。另一方面，如果在冷却过程中施加一直流场，则那些被加热至解阻温度之上颗粒将随新的直流场方向重新排列，而获得部分热剩磁（pTRM）。图9.10扼要地给出了逐步退磁的基本原理。最初，天然剩磁（NRM）是由两组不同矫顽力颗粒所携带的两个剩磁组分的矢

16、量和；图9.10左侧的直方图给出了其矫顽力的分布情况；两个相对应的磁化分量由粗线表示在其右侧图中。在这些样品中，两个剩磁分量是相互正交的。初始状态下，两个分量的矢量和（天然剩磁NRM）在右侧的矢量图中表示为“”；在第一步交变退磁之后，低矫顽力颗粒所携带的剩磁被消除，退磁矢量相应地移到第一个远离“”的圆点处。随着交变退磁场的增大，剩磁矢量（右图的虚线箭头和圆点）逐渐被退去，最终逼近坐标原点。图9.5：a)用Pomeroy定向装置进行太阳罗盘定向。b)太阳罗盘定向原理示意图。图9.10中给出了四种不同类型的矫顽力谱，它们分别对应于显著差异的退磁特征。如两个组分的矫顽力谱完全相互独立，则逐步退磁可以明确无误地确定两个分量（图9.10a）。然而，正如Hoffman和Day 1978（参见Zijderveld 1967）所指出的，一旦两个分量的矫顽力谱有部分重叠，退磁路径就变成了曲线（图9.10b）。如果两个组分的矫顽力谱完全重叠，由于两个分量